激光干涉仪测长精度校准方法的研究

　　0　概述

　　激光干涉仪作为长度计量中精度很高的标准计量仪器,广泛应用于机械加工、航空航天、微电子加工和精密计量测试等多个领域。长度测量是激光干涉仪的最基本的测量功能,其它功能如小角度测量都是以长度测量为基础的,测长精度的高低也将直接影响其它测量的精度,因此,如何科学有效地对测长精度进行校准显然是非常重要的,本文将对激光测长的原理和精度校准进行详细的分析和讨论。

　　1　激光干涉仪测长原理

　　激光干涉测长原理如图1所示,从激光头射出的稳频激光经过线性分光镜分成两束光,一束向上反射到参考镜上,另一束透射到测量镜上,分别被反射回到分光镜的分光面上进行叠加干涉,产生的干涉条纹由后续的光电器件和细分计数电路处理。参考镜和测量镜在测量轴向的相对移动,反映为两路光程差的变化,亦即干涉条纹的变化,因而实现了位移L的测量。

　　在实际测量中,可动部件大多是测量镜,但也可以是分光镜,因为测量的是它们两者之间的相对位移;当测量空间受到限制时,激光头可以安装成与测量光轴成90°夹角,如图2所示。

　　对于美国OPTODYNE公司、API公司制造的激光测量仪,为使仪器尽量小巧紧凑,分光镜被安装在激光头盒内部,在外只有测量镜部分,此时被测量的位移直接转换为激光头与测量镜两者之间的位移,为便于安装,通常在激光头出光处附加一个转光反射镜,以便于激光的准直调整,此时激光头常常是用磁力座吸附在被检测的机器上,而不采用三角架的方法来固定,如图3所示。

　　2　激光测长的误差源

　　激光干涉仪长度测量系统的误差主要有以下几个部分:

　　(1)激光波长的误差;(2)阿贝误差;(3)余弦误差;(4)折射率的影响;(5)材料补偿误差;(6)死程误差。

　　3　测长精度常规校准方法

　　激光波长或激光频率的稳定性是激光干涉测量系统的基础,通过拍频方法可获知输出激光的稳定性。激光测量系统的每一测量功能性能的好坏,还与各项测量功能相应的光学元件和测量软件有关系,因此仍有必要对激光测量系统的主要测量功能进行校准,如测长系统、测角系统等。

　　激光干涉仪测长系统的常规校准方法是:采用精度等级更高的激光干涉仪来进行校准,当两者的精度相近时,即称之为比对。实际校准工作中,激光干涉测量系统大多具有相当的测量精度,因而,对激光干涉仪的校准大多是通过比对实现的。

　　比对方法1:如图4所示,两台激光(A和B)采用面对面的方式分别安装长导轨的两侧,测量镜则安装在两激光之间的可动测量车上,当测量车带着测量镜移动某一长度时,对其中一台激光如果光程增加时,则另台激光的光程减小。其优点是两台激光的测量轴线可调整至同一测量轴线上,符合阿贝原则,缺点是空气折射率对两台激光的影响不一致。