1.激光干涉儀的發(fā)展史

做衣量身、體檢量高都由尺子完成，這些日常的尺子的刻度是毫米。機(jī)械零件加工和檢驗(yàn)都要用尺子，在機(jī)械制造企業(yè)，卡尺、千分尺隨處可見，其精確度是10 μm，1 μm。

1887年邁克爾遜（Michelson）和莫雷（Morley）研究以太[1]:是否存在，使用了光。他們以光波長作尺子刻度測量了水平面和垂直面的光速之差，第一次否定了以太的存在。他們利用的是光的干涉現(xiàn)象，這就是光學(xué)干涉儀的誕生。

注[1]:根據(jù)古代和中世紀(jì)科學(xué)，以太被稱為第五元素，是填充地球球體上方宇宙區(qū)域的物質(zhì)。以太的概念在一些理論中被用來解釋一些自然現(xiàn)象，例如光和重力的傳播。19世紀(jì)末，物理學(xué)家假設(shè)以太滲透到整個空間，以太是光在真空中傳播的介質(zhì)，但是在邁克爾遜-莫利實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)這種介質(zhì)存在的證據(jù)，這個結(jié)果被解釋為沒有光以太存在。

1961年研究人員發(fā)明了氦氖激光器，開始用氦氖激光器作為邁克爾遜干涉儀的光源，從而誕生了激光干涉儀。圖1是邁克爾遜干涉儀簡圖。邁克爾遜干涉儀是普通物理的基本實(shí)驗(yàn)之一。但今天在科學(xué)研究和工業(yè)中應(yīng)用的激光干涉儀出于邁克爾遜，但性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于邁克爾遜。

圖1 邁克爾遜干涉儀簡圖

基本上，激光干涉儀都使用氦氖激光器的632.8 nm波長的光，橙紅燦爛的光束射向遠(yuǎn)方，發(fā)散角可以小到0.1 mrad，光束截面的光斑均勻。氦氖激光器還可輸出綠光、黃光、紅外光，但只有632.8 nm波長的光適合作激光干涉儀的光源。其它類型的激光器，如半導(dǎo)體（LD）、固體激光器等的相干等性能都遠(yuǎn)不及氦氖激光器，研究人員多有嘗試，但都沒有成功。

激光干涉儀有很多應(yīng)用，但本質(zhì)都是測量中學(xué)課本講的“位移”，諸多應(yīng)用都是“位移”的延伸和轉(zhuǎn)化。激光干涉儀有兩個主流類型：單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀。單頻干涉儀能做的雙頻激光干涉儀都能做，但雙頻干涉儀能做的單頻干涉儀不見得能做。由于歷史、技術(shù)和商業(yè)原因，兩種干涉儀都有著廣泛應(yīng)用。但在光刻機(jī)上，雙頻激光干涉儀占主要市場。

單頻干涉儀不需要對市場上的氦氖激光器進(jìn)行改造，直接可用。但雙頻激光干涉儀用的激光器需要附加技術(shù)使其產(chǎn)生雙頻（兩個頻率）。

歷史上，雙頻激光干涉儀測量位移的速度不及單頻激光干涉儀，自發(fā)明了雙折射-塞曼雙頻激光器，雙頻激光干涉儀的測量速度也達(dá)到每秒幾米，與單頻激光器看齊了。

按產(chǎn)生雙頻的方法，雙頻激光干涉儀分為塞曼雙頻激光（國外）干涉儀和雙折射-塞曼雙頻激光（國內(nèi)）干涉儀。

現(xiàn)在干涉儀的指標(biāo)：小可感知1 nm（十億分之1 m），可以測量百米長的零件，且測量70 m長的導(dǎo)軌誤差僅為幾微米。

2.測量位移的干涉儀和測量表面的干涉儀？

有幾個概念的定義比較混亂（特別是有些研究發(fā)展趨勢的報(bào)告），需要注意。

一是“激光測距”和“激光測位移”沒有界定，資料往往鹿馬不分。

二是不少資料所說“激光干涉儀”實(shí)際上包含兩種不同的儀器，一種是測量面型（元件表面）的激光干涉儀，一種是測量位移（長度）的激光干涉儀。如海關(guān)的統(tǒng)計(jì)和一些年度報(bào)告往往混在一起。

激光測距機(jī)發(fā)出的激光束是一個持續(xù)時間納秒的光脈沖，利用光脈沖達(dá)到目標(biāo)和返回的時間之半乘以光速得到距離，完全和光的干涉無關(guān)。

盡管激光波面干涉儀和測量位移（長度）的干涉儀都是利用光干涉現(xiàn)象，但儀器的設(shè)計(jì)、光路結(jié)構(gòu)、探測方式、應(yīng)用場合幾乎沒有共同之處。激光波面干涉儀能夠測量光學(xué)元件表面的形貌，光束直徑要覆蓋被測零件，在整個零件表面形成系列干涉條紋，根據(jù)測量條紋的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口徑、零件直徑可達(dá)百毫米；另一種則是測量位移（長度）干涉儀，光干涉發(fā)生在直徑幾毫米光路上，表現(xiàn)為只有光電探測器（眼睛）正對著射來的光線才能“看”到光強(qiáng)度的波動，由波動的整次數(shù)和（不足半波長的）小數(shù)算出被測件的位移。

3.雙頻激光干涉儀的原理和構(gòu)成

當(dāng)圖1的可動反射鏡有位移時，光電探測器光敏面會感受到的光強(qiáng)度正弦變化，動鏡移動半個波長，光強(qiáng)變化一個周期。光電探測器將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為電信號。如探測到電信號變化了一個周期，我們就知道動鏡移動了半個波長。計(jì)出總周期數(shù)測得動鏡的位移。

                             （1）

式中：λ為激光波長，N 為電脈沖總數(shù)。

今天的激光干涉儀使用632.8 nm波長的激光束，半波長即316.4 nm。動鏡安裝在被測目標(biāo)上與目標(biāo)一起位移，如光刻機(jī)的機(jī)臺，機(jī)床的動板上。為了提高分辨力，半波長的正弦信號被細(xì)分，變成1 nm甚至0.1 nm的電脈沖，可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算出位移量S。也常用下式表示動鏡的位移，

 （2）

其中△f為目標(biāo)運(yùn)動速度為V時的多普勒頻移。式（1）和（2）是等價的，可以互相推導(dǎo)推出來，僅是表方式的不同。

圖2是今天的雙頻激光干涉儀框圖。它由7個部分構(gòu)成。

圖2 雙頻激光干涉儀原理框圖。

（1）   雙頻氦氖激光器

氦氖激光器上有磁體。磁體為筒形，激光器上加的是縱向磁場，稱為縱向塞曼雙頻激光器。四分之一波長（λ/4）片把激光器輸出的左旋和右旋光變成偏振態(tài)互相垂直的線偏振光。前文所說的雙折射-塞曼雙頻激光器則是在激光器內(nèi)置入雙折射元件（圖內(nèi)未畫出），并加圖2所示的磁條。雙折射元件使激光器形成雙頻，橫向磁場消除兩個頻率之間的耦合。雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀不需使用四分之一波長片。

雙頻激光器是雙頻激光干涉儀的核心，很大程度上，它的性能決定激光干涉儀的性能，要求波長（頻率）精度高，功率大，壽命長，雙頻間隔（頻差）大且穩(wěn)定，偏振狀態(tài)穩(wěn)定，兩頻率之間不偏振耦合。這一問題的解決是作者較突出的貢獻(xiàn)之一。

（2）   頻率穩(wěn)定單元

它的作用是保證波長（頻率）這把尺子的精確性，達(dá)到10^-8甚至10^-9，即4.74×10¹⁴的激光頻率長期的變化僅1 MHz左右。

（3）   擴(kuò)束準(zhǔn)直器

實(shí)際上是一個倒裝的望遠(yuǎn)鏡，防止光束發(fā)散。要求激光出射80 m，光束光斑直徑仍然在10 mm之內(nèi)。

（4）   測量干涉光路

測量干涉光路包括：從分光鏡向右直到可動反射鏡（實(shí)際是個角錐棱鏡），向下到光電探測器2。可動反射鏡裝在被測目標(biāo)上（如光刻機(jī)工作臺上的反射鏡），目標(biāo)的移動產(chǎn)生激光束的頻移Δf，Δf和目標(biāo)速度成正比，積分就是目標(biāo)走過的距離（位移或長度）。積分由信號處理單元完成。

（5）   參考光路

參考光路由分光鏡-偏振片-光電探測器1實(shí)現(xiàn)，參考光路中沒有任何元件移動，它測得的位移是“假位移”真噪聲。噪聲來自環(huán)境的擾動。信號處理單元從干涉光路的位移中扣除這一噪聲。

（6）   溫度和空氣折射率補(bǔ)償單元

干涉儀測量的目標(biāo)位移可能長達(dá)百米，空氣折射率（及改變）和長度的乘積成為激光干涉儀的主要誤差來源之一。用傳感器測出溫度、氣壓、濕度，信號處理單元計(jì)算出空氣折射率引入的假位移，并從結(jié)果中扣除。

（7）信號處理單元。光電探測器1和2，分別把信號f1-(f2±Δf)和f1-f2的光束轉(zhuǎn)化為電信號，是可動反射鏡位移時因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號表示位移的方向。電信號經(jīng)放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減，輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算即可得出可動反射鏡的位移量。環(huán)境溫度，氣壓，濕度引入的折射率變化（假位移）送入計(jì)算機(jī)計(jì)算，扣除他們的影響。然后顯示。相當(dāng)多的應(yīng)用要求計(jì)算機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)對加工過程的閉環(huán)控制。

4.激光干涉儀的應(yīng)用

一般說來，激光干涉儀的主要用途是測量目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)，即目標(biāo)的線性位移大小、旋轉(zhuǎn)角度（滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏擺）、直線度、垂直度、兩個目標(biāo)在運(yùn)動的平行性（度）、平面度等。無論光刻機(jī)的機(jī)臺，還是數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌（包括激光加工機(jī)床），不論是飛行物，還是靜止物的熱膨脹、變形，一旦需要高精度，都要用激光干涉儀測量，得到目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)。

運(yùn)動狀態(tài)用由多個參數(shù)給出。以光刻機(jī)兩維運(yùn)動中的一個方向運(yùn)動時為例，位移（走過的長度）、機(jī)臺位移過程中的偏轉(zhuǎn)（角）、俯仰（角）和滾轉(zhuǎn)（角）都需要測出。

很多類型的設(shè)備需要測量，如各類機(jī)床、三坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)器人、3D打印設(shè)備、自動化設(shè)備、線性位移平臺、精密機(jī)械設(shè)備、精密檢測儀器等領(lǐng)域的線性測量。圖3是幾個應(yīng)用的例子。

美國LIGO激光干涉儀實(shí)驗(yàn)室宣稱首次直接測量到了引力波(2016)，使用的儀器是激光干涉儀，單程臂長4 km。見圖4。     

(a)雙頻激光干涉儀測量球面鏡R值        (b)雙頻激光干涉儀雙路測量動龍門激光打孔機(jī)         (c)雙頻激光干涉儀測量導(dǎo)軌直線度

圖3 激光干涉儀幾個應(yīng)用的例子

 圖4  LIGO激光干涉儀

來源：https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c

5. 雙頻激光干涉儀發(fā)展存在的問題

（1）國內(nèi)外單頻和雙頻激光干涉儀的進(jìn)展及問題

多年來，國內(nèi)外在單頻和雙頻激光干涉儀方面進(jìn)步不大，特例是雙折射-塞曼雙頻激光器的發(fā)明。由于從國外購買的激光器不能產(chǎn)生大間隔的雙頻光，原有國內(nèi)雙頻激光干涉儀的供應(yīng)商基本停產(chǎn)。以前作為基礎(chǔ)研究的雙折射-塞曼雙頻激光器被推到前臺。雙頻激光器是干涉儀的核心技術(shù)，走在了世界前端，也解決了國內(nèi)無源的重大難題。北京鐳測科技有限公司的開發(fā)、糾錯，終于使雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，進(jìn)入先進(jìn)制造全行業(yè)，特別是光刻機(jī)。北京鐳測科技有限公司雙折射-塞曼雙頻激光器達(dá)到指標(biāo)：頻率間隔可在1 ~ 30 MHz之間選擇，功率可達(dá)1 mW。 頻率差與激光功率之間沒有相互影響，沒有塞曼效應(yīng)的雙頻激光器高功率和大頻率差不能兼得的缺點(diǎn)。

盡管取得進(jìn)展，但氦氖激光器的制造工藝等是個系統(tǒng)性技術(shù)問題，需要全面改善。特別是，國外雙頻激光干涉儀的幾家企業(yè)的激光器都是自產(chǎn)自用，不對外銷售，因此，我們必須自己解決問題。

 （2）業(yè)界往往忽略干涉儀的非線性誤差

很長時期以來，業(yè)界認(rèn)為單頻干涉儀沒有非線性誤差。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB) 經(jīng)嚴(yán)格測試發(fā)現(xiàn)，單頻干涉儀也存在幾納米的非線性誤差，甚至大于10 nm。塞曼效應(yīng)的雙頻干涉儀也有非線性誤差，也是無法消除。對此干涉儀測量誤差，大多使用者是不知情的。到目前，中國計(jì)量科學(xué)院的測試得出，北京鐳測科技生產(chǎn)的雙頻激光干涉儀的非線性誤差在1 nm以下。建議把中國計(jì)量科學(xué)院的儀器批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)，并和德國、美國計(jì)量院作比對。

非線性誤差發(fā)生在半個波長的位移內(nèi)，即使量程很小也照樣存在。

圖5 中國計(jì)量科學(xué)研究院：鐳測LH3000雙頻激光干涉儀在進(jìn)行測長比對

6. 雙頻激光干涉儀的未來挑戰(zhàn)

本文作者從事研究雙折射-塞曼雙頻激光器起步到成批生產(chǎn)雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀，歷經(jīng)近40年，建議加強(qiáng)以下研究。

（1）高測速

制造業(yè)的發(fā)展很快，精密數(shù)控機(jī)床運(yùn)動速度已達(dá)幾m/s，有特殊應(yīng)用提出達(dá)到10 m/s的要求。目前單頻激光的測量速度還沒有超過5 m/s。雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀的測速也處于這一水平，但其頻率差的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到幾十MHz，有待信號處理技術(shù)的跟進(jìn)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)10 m/s以上的測量速度。

（2）皮米干涉儀

市場上的干涉儀基本都標(biāo)稱分辨力1 nm，也有0.1 nm的廣告。需要發(fā)展皮米分辨力的激光干涉儀以滿足對原子、病毒尺度上的觀測要求。

（3）溯源

前文已經(jīng)提到，小于半波長的位移是把正弦波動信號電子細(xì)分得到標(biāo)稱的1 nm，和真實(shí)的1 nm相差多少？沒有人知道，所以需要建立納米、皮米的標(biāo)準(zhǔn)。作者曾做過初步努力，達(dá)到10 nm的純光學(xué)信號，還需做長期艱苦的研究。

（4）提高氦氖激光器壽命

在未來很長一段時間，氦氖激光器仍然是激光干涉儀很好的光源，但其漏氣的特點(diǎn)導(dǎo)致其使用壽命有限，替換壽命終結(jié)的氦氖激光器導(dǎo)致光刻機(jī)停機(jī)，會帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，延長氦氖激光器壽命十分有必要。

來源：  光電匯OESHOW   https://mp.weixin.qq.com/s/YkyogBrwMSRYC5slMdXERQ