双频激光干涉仪技术现状与发展

　　1　引　言

　　双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一,是工业中最具权威的长度测量仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理[1],克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题,具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点,使得干涉测长技术能真正用于实际生产。

　　2　国内外产品现状

　　目前干涉仪产品大多为双频激光干涉仪。产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应和声光调制。塞曼效应受频差闭锁现象影响,产生的双频频差一般较小,通常最大频差不超过4MHz。声光调制方法得到的频差通常较大,一些产品双频激光频差达到20MHz以上。声光调制方法的频率稳定性也非常好,可以利用锁相放大器处理信号;缺点是稳频、调制、合光等环节使得光学结构复杂,调整困难,成本也偏高。

　　目前国外生产激光干涉仪的公司有美国的Ag-ilent(前身为HP)、ZYGO、英国的Renishaw等公司。

　　其产品各具特点,售价也都很昂贵。Agilent(HP)公司的双频激光干涉仪采用自制的塞曼双频激光器作光源[2],仪器的光学系统如图1所示。

　　其中5519B的主要参数如下:

　　激光源:最大频差:4MHz

　　真空波长精度(寿命范围内):±0.1ppm

　　真空波长稳定性(1小时):0.002ppm

　　最高测速:1000mm/s

　　数据处理电路单元:在1000mm/s测速时测量分辨率可达1.24nm,测量范围±21.2m

　　Agilent公司的双频激光干涉仪可以多通道同时测量。为适应多通道测量的要求,其部分产品不再采用以前产品将激光头、接收器、电源集成在一起的结构(如HP5528A),而将各个功能模块分离,在每一通道光路上分别布置光电接收器。

　　Renishaw公司的ML10gold干涉仪实际上是单频偏振干涉的方案[3、4]。利用双纵模稳频、然后去掉一个纵模,在光学设计上保证准确的相位差,通过高精度测相和高速A/D转换技术,实现高速和高分辨率测量。其主要光学系统如图2所示。

图2

　　主要参数如下:

　　激光光源:频率精度(长时间):±0.05ppm

　　频率稳定性(1小时):0.02ppm

　　最高测速:1000mm/s

　　数据处理电路板:在1000mm/s测速时测量分辨率可达1.24nm,测量范围80m

　　由于是单频激光器,Renishaw公司的产品不能多路分光使用,同时对多轴测量就需要多个激光头,增加成本。

　　ZYGO公司的部分产品(如7712)利用声光调制法获得双频[5],频差可达20MHz。用于高速测量。其主要参数如下: