基于双纵模热稳频激光源的6D激光测量系统

1 引 言

    用抗干扰性能强的双频激光干涉仪检定数控设备是国际通用的有效手段，已形成一系列规范和标准。但数控设备工业的快速发展带来了以下两个新的问题，（1）为 保证高负荷运转的数控设备正常工作，经常要全面检定或校准其三个轴的所有几何误差分量，包括线位移、两个方向直线度、偏摆、俯仰、滚动和垂直度等 21 项参数，采用普通双频激光干涉仪时，测每项误差都需要分别进行不同的光学零件安装、对准过程，工作效率很低^[1]；（2）数控设备运行速度越来越快，最大运行速度已可达 1 m/s，而普通双频激光干涉仪由于频差限制，测量速度一般只能达到 300 mm/s～400 mm/s^[2-3]。因而研制一种高测速的、能一次安装并同时测量出多个参数的双频激光干涉仪有很强的现实意义。

    针对上述问题（1），近年来国内外已有各种 5D/6D 激光干涉仪新产品，能一次安装并同时测量一个轴的 5 个（除垂直度和滚动角）或 6 个参数（除滚动角），已较有效地解决了部分问题，但其滚动角测量并不理想，或不能测，或采用电子水平仪（工作原理限制其无法测量垂直方向导轨上的滚转角）^[4-5]. 针对上述问题（2），多采用激光器想办法（施加强磁场或谐振腔内加光学器件） 或在输出光束上加声光调制的方法获得高频差的双频激光，这些方法都不同程度地使光源系统或光路结构更复杂化，对推广使用带来一定困难。能较好地解决上述不 足并将两方面的技术结合起来的测量系统研究目前尚未见文献报道。

    本文介绍了一种能同时满足上述两方面要求的基于双纵模 He-Ne 热稳频激光源的 6D 激光测量系统，由于频差可达几百兆赫兹（纵模间隔Δν=c/2nl，c———光速；n———折射率；l———谐振腔长度）^[6-7]。故其测量速度完全能满足对高速数控装置进行检定的要求；另外由于该激光源直接输出两正交的线偏振光，只需很少的器件（λ/4 波片、检偏器、反射镜及光电接收器）即可组成高精度的滚转角测量光路，较好地解决了目前数控设备检定中多参数同时测量装置普遍存在的这一不足。

2 系统组成及测量原理

2.1 系统组成

    系统的结构组成如图 1 所示，虚线框内的移动部分与被检数控装置运动件固定在一起同步运动。双纵模热稳频激光源的工作原理是：当 He-Ne 激光器具有合适谐振腔长（10 cm～30 cm）时，谐振腔内只可能同时存在2 个纵模，两个纵模的激光均为线偏振光，其偏振方向相互正交。用相互垂直安置的两个布儒斯特窗分别将两个纵模的激光反射到两只光电池上，两只光电池是极性反 向联接的，如果两个纵模强度不同，则会输出一个不平衡电压信号，以此作为稳频控制信号经电路处理后去控制激光器放电管的放电电流，使谐振腔的长度向着有利 于减弱的那个模的方向变化，则可使两个相邻纵模同时并存，并使两纵模输出光强相同，从而得到双纵模热稳频He-Ne激光源。系统选用的全内腔 He-Ne 激光器腔长约 206 mm，模间隔 Δν （Δν=c/2nl，c———光速；n———折射率；l———谐振腔长度）约728 MHz。实验及检定已证实：这种稳频方法室内实际达到的频率稳定度优于 1×10-9，即使在无空调并有冷热气流吹拂时也可保证不低于 10-7。有关内容见参考文献^[6]。