一.激光干涉仪概述

 激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器。激光干涉仪是20世纪60年代末期问世的一种新型的测量设备，由美国HP公司研制成功并于1970年投入市场，随即受到了相关行业特别是机床制造业的重视，其主要在：线形、角度、垂直度、直线度、平面度等方面上应用。随着激光干涉仪测量技术的不断提高，测量软件的不断开发其测量范围越来越广泛，特别是在测量数控机床位置方面用途为广泛。

二.激光干涉仪工作原理

激光

激光输出可被视为正弦光波。

从激光头射出的光波有三个关键特性：

波长已知，能够实现测量

波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量

所有光波均为同相，能够实现干涉条纹

氦氖激光管

LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写，意为通过受激发射线的放射达到光的放大，即激光

?大多数现代位移干涉仪都使用氦氖??(HeNe)??激光管。这些激光管具有633纳米(nm)的波长输出氦氖激光管的构成如下所示：

当高压连接在阳极和阴极之间时，混合气体被激发，形成激光光束

当激光光束在两个反射镜之间来回共振时激光光强被放大

一些光透射出阳极反射镜，成为输出激光光束

激光光束包含两种正交模式（在上图中分别用红色和蓝色表示）

?这两种模式具有相近的频率（它们相差2ppm）但处于垂直极化状态

?激光增益曲线在下页显示

干涉测量法原理：

两种模式的强度用光敏二极管测量，通过加热器控制激光管长度来实现平衡

这使激光稳频保持在±0.05ppm以内

激光实现稳定输出后，即可用于进行干涉测量

线性干涉原理

注：干涉镜分很多种：为简单起见，这里所述的是线性角锥反射镜系统。

?激光头发出的光被分光镜(A)分成两束光

?大约一半激光被射到固定角锥反射镜(B)上，形成参考光束。另一半激光射到移动角锥反射镜(C)上，形成测量光束。

干涉测量法的原理

角锥反射镜通常由玻璃制成，经打磨和抛光后形成“三面直角棱镜”

?它有一个很有用的特性—总是将输入光束以平行于来光的方向反射回去

?这使光束准直过程简单易行，并确保测量光束和参考光束在叠加时保持平行

干涉

角锥反射镜将两束光返回到分光镜中，光束叠加并彼此干涉，可能是：

相消干涉（如果两束光中的相位相反）。在此情况下，一束光的峰值被波谷抵消，产生暗条纹

也可能是相长干涉（如果两束光中的相位相同）。在此情况下，一束光的峰值被另一束光的波峰加强，产生明条纹

运动测量

如果测量光路长度改变（角锥反射镜C移动），干涉光束的相对相位将改变，由此产生的相长干涉和相消干涉的循环将导致叠加光束强度的明暗周期变化，角锥反射镜每移动316nm（因为此移动会造成633nm的光路长度变化），就会出现一个光强变化循环（明－暗－明），通过计算这些循环来测量移动，通过在这些循环之间进行相位细分，实现更高分辨率(1nm)的测量。

尽管目前的干涉仪更为精密，但测量距离达到±0.5ppm或更高时仍采用上述基本原理

一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光束。

从激光头射出的激光光束(1)具有单一频率，标称波长为0.633μm，长期波长稳定性（真空中）优于0.05ppm。当此光束到达偏振分光镜时，被分成两束光—反射光束(2)和透射光束(3)。这两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜中，在嵌于激光头中的探测器中形成干涉光束。

如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉的两端之间的某个位置观察到一个稳定的信号。如果两光程差发生变化，每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化。这些变化（条纹）被数出来，用于计算两光程差的变化。测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半。

应当注意到，激光波长将取决于光束经过的空气的折射率。由于空气折射率会随着气温、压力和相对湿度的变化而变化，用于计算测量值的波长值可能需要对这些环境参数的变化进行补偿。在实践中，对于技术指标中的测量，只有线性位移（定位）测量需要进行此类补偿，在这种情况下两束光的光程差变化可能非常大。

波长补偿

线性定位测量取决于激光波长的已知。这不仅与激光的稳频有关，而且还与周围环境参数有关。尤其是气温、气压和相对湿度将会影响激光光束的波长（在空气中）。

如果不对波长的变化进行补偿，激光线性测量误差可能达到50ppm。即使在温度受控的房间内，日常的空气

压力变化也可能使波长变化达20ppm以上。作为参考，以下每项环境条件的变化都将导致大约1ppm的误差：

空气温度      1C(1.8°F)

空气压力      3.3mbar(0.098inHg)

相对湿度（20°C时）   50%

相对湿度（40°C时）   30%

注：这些值是在恶劣条件下的影响值，并且它们并非完全不受其他参数值的影响。可采用环境补偿单元通过埃德伦公式来减小这些误差

三.中图SJ6000激光干涉仪技术参数