激光干涉仪 激光干涉仪可以完成哪些测量

激光干涉仪的发展历史

裁缝衣服，高体检，都是统治者做的。这些日规的刻度是毫米。机械零件的加工和检验需要直尺。卡尺和千分尺在机械制造企业随处可见，其精度为10微米和1μ m..

1887年，迈克尔逊和莫利研究了以太的存在并利用了光。他们以光的波长为尺子，测量水平面和垂直面的光速差异，首次否定了以太的存在。他们利用光的干涉现象，这就是光学干涉仪的诞生。

注[1]:根据古代和中世纪的科学，以太被称为第五元素，是地球球体上方充满宇宙的物质。在一些理论中，以太的概念被用来解释一些自然现象，如光的传播和重力。19世纪末，物理学家假设以太渗透到整个空空间，以太是光在现实空中传播的介质。然而，在迈克尔逊-莫雷实验中没有发现这种介质存在的证据，这一结果被解释为不存在光学以太。

1961年，研究人员发明了氦氖激光器，并开始用氦氖激光器作为迈克尔逊干涉仪的光源，激光干涉仪由此诞生。图1是迈克尔逊干涉仪的示意图。迈克尔逊干涉仪是普通物理的基本实验之一。如今科研和工业上使用的激光干涉仪来自迈克尔逊，但性能远胜于迈克尔逊。

图1迈克尔逊干涉仪示意图

激光干涉仪基本上都是使用He-Ne激光波长为632.8 nm的光，向远处发射明亮的橙红色光束，发散角可以小到0.1 mrad，光束截面光斑均匀。He-Ne激光器也能输出绿光、黄光和红外光，但只有632.8 nm波长的光适合作为激光干涉仪的光源。其他类型的激光器，如半导体(LD)和固态激光器，远不如He-Ne激光器相干。研究人员做了很多尝试，但都失败了。

激光干涉仪有很多应用，但其本质是测量中学课本上提到的“位移”，很多应用是“位移”的延伸和变换。激光干涉仪主要有两种:单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。

单频干涉仪能做的双频激光干涉仪能做，双频干涉仪能做的单频干涉仪不一定能做。由于历史、技术和商业原因，这两种干涉仪都被广泛使用。但在光刻机中，双频激光干涉仪占据市场主导地位。

单频干涉仪可以直接使用，不需要对市场上的氦氖激光器进行改造。但是双频激光干涉仪使用的激光器需要额外的技术来产生双频(两个频率)。

历史上双频激光干涉仪的位移测量速度没有单频激光干涉仪快。自从双折射-塞曼双频激光发明以来，双频激光干涉仪的测量速度已经达到了每秒几米，与单频激光不相上下。

根据产生双频的方法，双频激光干涉仪可分为塞曼双频激光干涉仪(国外)和双折射-塞曼双频激光干涉仪(国内)。

目前干涉仪的指标是:最小可感知度1 nm(十亿分之一米)，可以测量100米长的零件，测量70米长的导轨误差只有几微米。

用于测量位移的干涉仪和用于测量表面的干涉仪

几个概念的定义比较混乱(尤其是一些发展趋势的报道)，需要注意。

第一，“激光测距”和“激光位移测量”没有定义，信息往往是混杂的。

第二，很多文献中提到的“激光干涉仪”，其实包括两种不同的仪器，一种是测量面型(构件表面)，一种是测量位移(长度)。例如，海关统计数据经常与一些年度报告混在一起。

激光测距仪发射的激光束是持续时间为纳秒的光脉冲。距离是光脉冲到达目标并返回的时间乘以光速得到的，与光的干涉无关。

虽然激光波前干涉仪和测量位移(长度)的干涉仪都是利用光的干涉现象，但仪器的设计、光路结构、检测方式和应用方面的共同点很少。

激光波前干涉仪可以测量光学元件的表面形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成一系列干涉条纹，根据被测条纹的亮度(即相位)计算表面形貌，光束直径和零件直径可以达到100mm；

另一种是测量位移(长度)的干涉仪。光学干涉发生在直径为几毫米的光路上，这意味着只有光电探测器(眼睛)才能“看到”光强的波动，由波动的整数和小数(小于半个波长)可以计算出被测部分的位移。

双频激光干涉仪的原理和组成

当图1中的可移动反射镜移动时，由光电探测器的光敏表面感测到的光强正弦变化。当可移动反射镜移动半个波长时，光强度改变一个周期。光电探测器将光强变化转换成电信号。如果检测到电信号变化了一个周期，我们就知道动镜移动了半个波长，通过计算总周期数来测量动镜的位移。

其中λ是激光波长，n是电脉冲的总数。

目前激光干涉仪使用的是波长为632.8 nm的激光束，半波长为316.4 nm。移动反射镜安装在被测目标上，与目标一起移动，如光刻机中的机台和机床的移动板。为了提高分辨率，将半波长正弦信号细分为1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，由可逆计数器计算出脉冲总数，再由计算机计算出位移S。移动反射镜的位移也经常由下面的公式表示。

其中δf为目标移动速度为v时的多普勒频移，等式(1)和(2)是等价的，可以相互推导，只是表达式不同。

图2是双频激光干涉仪的框图。它由七部分组成。

图2双频激光干涉仪原理框图

(1)双频氦氖激光器

氦氖激光器上有磁铁。磁体为圆柱形，纵向磁场加在激光器上，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波片(λ/4)将激光器输出的左旋和右旋光转换成偏振态相互垂直的线偏振光。

上面提到的双折射塞曼双频激光器是激光器内置的双折射元件(图中未示出)和磁条，如图2所示。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除了两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需要1/4波片。

双频激光器是双频激光干涉仪的核心。其性能在很大程度上决定了激光干涉仪的性能，要求波长(频率)精度高、功率大、寿命长、双频间隔(频差)大且稳定、偏振态稳定、两个频率之间无偏振耦合。这个问题的解决是作者的突出贡献之一。

(2)频率稳定单元

它的作用是保证波长(频率)标尺的精度，达到10-8甚至10-9，即4.74×1014的激光频率长期变化只有1 MHz左右。

(3)扩束准直器

实际上，它是一个防止光束发散的倒置望远镜。要求激光器发射80 m，光斑直径仍在10 mm以内

(4)测量干涉光路

测量干涉光路包括:从分束器到右边的可移动反射镜(实际上是角锥棱镜)再到光电探测器2。活动反射镜安装在被测目标上(如光刻机工作台上的反射镜)。目标的运动产生激光束的频移δf，频移δf与目标速度成正比，积分为目标行进的距离(位移或长度)。积分由信号处理单元完成。

(5)参考光路

参考光路由分束器-偏振器-光电探测器1实现。参考光路中没有运动的元件，其测得的位移是“假位移”真噪声，噪声来自环境的扰动。信号处理单元从干涉光路的位移中减去该噪声。

(6)温度和空气体折射率补偿单元

干涉仪测得的目标位移可能长达百米，而空气体的折射率(及变化)与其长度的乘积成为激光干涉仪的主要误差源之一。温度、气压、湿度由传感器测量，信号处理单元计算空气体折射率引起的假位移并从结果中扣除。

(7)信号处理单元

光电探测器1和2分别将信号之和转换成电信号，其中δf为可动镜位移时多普勒效应引起的附加频率，符号表示位移方向。电信号经过放大器和整形器，然后进入减法器进行减法运算，输出成为只含δF的电脉冲信号..经可逆计数器计数后，由电子计算机进行等效转换，即可得到可动镜的位移。由环境温度、气压和湿度引起的折射率变化(假位移)被送到计算机进行计算，并扣除它们的影响。相当多的应用需要计算机和应用系统之间的通信来实现加工过程的闭环控制。

激光干涉仪的应用

一般来说，激光干涉仪的主要目的是测量目标的运动状态，即运动中两个目标的直线位移、转角(滚转、俯仰和偏航)、直线度、垂直度、平行度(度)、平面度。

当需要高精度时，需要用激光干涉仪测量光刻机工作台和数控机床(包括激光加工机床)导轨、飞行物体和静止物体的热膨胀和变形，从而获得目标的运动状态。

运动状态由几个参数给出。以光刻机二维运动的一个方向为例，需要测量机台位移过程中的位移(行进的长度)、偏转(角度)、俯仰(角度)和滚转(角度)。

需要测量的设备类型很多，如各种机床、坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、直线位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域。图3是几个应用的例子。

图3激光干涉仪的几种应用实例

来源:(a)(b)(c)北京激光测量技术有限公司提供。

(四)(五)来自深圳中图仪器有限公司网站。

另外，最轰动的一个应用是，2016年，美国LIGO激光干涉仪实验室宣称直接测量引力波，使用的是激光干涉仪。激光干涉仪的单向臂长4 km，如图4所示。

图4 LIGO激光干涉仪

资料来源:https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c.

激光干涉仪的发展及存在的问题

(1)国内外单频和双频激光干涉仪的进展和问题。

多年来，国内外单频和双频激光干涉仪进展甚微，双折射-塞曼双频激光器的发明是一个特例。由于从国外购买的激光器无法产生大间隔双频光，双频激光干涉仪的原国内供应商基本停产，之前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到了前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，处于世界前沿，也解决了国内的重大无源问题。

经过北京激光测量技术有限公司的研制和误差修正，双折射-塞曼双频激光干涉仪终于实现了商业化，进入了整个先进制造业。公司的双折射-塞曼双频激光器可以实现:频率区间可以在1 ~ 30 MHz之间选择，功率可以达到1 mW。频差和激光功率之间没有相互作用，不存在塞曼效应，使得双频激光器不可能同时具有高功率和大频差。

尽管取得了进展，但氦氖激光器的制造技术是一个系统的技术问题，需要全面改进。特别是国外几个双频激光干涉仪供应商使用的激光器都是自产的，不对外销售，必须自己解决问题。

(2)工业界往往忽略干涉仪的非线性误差。

长期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。事实上，德国联邦物理技术研究所(PTB)发现单频干涉仪也有几纳米的非线性误差，甚至大于10纳米。塞曼效应双频干涉仪也存在无法消除的非线性误差。非线性误差发生在半个波长的位移范围内，即使该范围很小。大多数用户不知道这个干涉仪的测量误差。

经中国计量科学研究院测试，北京激光测量技术公司生产的双频激光干涉仪非线性误差在1 nm以下。建议将中国计量科学研究院的仪器批准为国家标准，并与德美计量院进行比对。

图5中国计量科学研究院:镭测LH3000的激光干涉仪在比对长度。

双频激光干涉仪未来发展的建议

本文作者从事双折射-塞曼双频激光器的研究。时隔近40年，建议加强后续研究。

(1)高速测量

随着制造业的快速发展，精密数控机床的运动速度已经达到了几米/秒，一些特殊应用提出了达到10米/秒的要求，目前单频激光的测量速度还没有超过5米/秒，双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也是这个水平，但其频差实验已经达到了几十兆赫，需要信号处理技术的后续发展才能达到10米/秒以上的测量速度。

(2)皮米干涉仪

市面上的干涉仪基本都是标称分辨率1 nm，也有广告说0.1 nm的。为了满足原子和病毒尺度的观测要求，有必要发展皮米分辨率的激光干涉仪。

(3)可追溯性

如前所述，小于半波长的位移是将正弦波动信号细分为标称的1 nm。谁也不知道这和真正的1 nm相差多少。因此，有必要建立纳米和皮米的标准。作者为实现10 nm的纯光信号做了初步的努力，还需要做长期艰苦的研究。

(4)延长氦氖激光器的使用寿命。

He-Ne激光器在未来很长一段时间内仍将是激光干涉仪的最佳光源，但其使用寿命因漏气而受到限制。使用寿命结束更换He-Ne激光器会导致光刻机停机，带来巨大的经济损失。因此，有必要延长氦氖激光器的寿命。

作者简介

张，清华大学教授，博士生导师。曾任清华大学精密测试技术与仪器国家重点实验室主任、清华大学光学工程研究所所长。主要研究方向为激光技术和精密测量，致力于激光特性的研究并应用于精密测量。他是国内外正交偏振激光精密测量领域的主要奠基人之一。