3分钟了解激光干涉仪

单频干涉仪不需要对市场上的氦氖激光器进行改造，直接可用。但双频激光干涉仪用的激光器需要附加技术使其产生双频（两个频率）。

历史上，双频激光干涉仪测量位移的速度不及单频激光干涉仪，自从发明了双折射-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪的测量速度也达到每秒几米，与单频激光器看齐了。

按产生双频的方法，双频激光干涉仪分为塞曼双频激光（国外）干涉仪和双折射-塞曼双频激光（国内）干涉仪。

现在干涉仪的指标：最小可感知1 nm（十亿分之1 m），可以测量百米长的零件，且测量70 m长的导轨误差仅为几微米。

测量位移的干涉仪和测量表面的干涉仪

有几个概念的定义比较混乱（特别是有些研究发展趋势的报告），需要注意。

一是“激光测距”和“激光测位移”没有界定，资料往往鹿马不分。

二是不少资料所说“激光干涉仪”实际上包含两种不同的仪器，一种是测量面型（元件表面）的激光干涉仪，一种是测量位移（长度）的激光干涉仪。如海关的统计和一些年度报告往往混在一起。

激光测距机发出的激光束是一个持续时间纳秒的光脉冲，利用光脉冲达到目标和返回的时间之半乘以光速得到距离，完全和光的干涉无关。

尽管激光波面干涉仪和测量位移（长度）的干涉仪都是利用光干涉现象，但仪器的设计、光路结构、探测方式、应用场合几乎没有共同之处。

激光波面干涉仪能够测量光学元件表面的形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口径、零件直径可达百毫米；

另一种则是测量位移（长度）干涉仪，光干涉发生在直径几毫米光路上，表现为只有光电探测器（眼睛）正对着射来的光线才能“看”到光强度的波动，由波动的整次数和（不足半波长的）小数算出被测件的位移。

双频激光干涉仪的原理和构成

当图1的可动反射镜有位移时，光电探测器光敏面会感受到的光强度正弦变化，动镜移动半个波长，光强变化一个周期。光电探测器将光强变化转化为电信号。如探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，计算出总周期数测得动镜的位移。

式中：%u3BB为激光波长，N为电脉冲总数。

目前的激光干涉仪使用632.8 nm波长的激光束，半波长即316.4 nm。动镜安装在被测目标上与目标一起位移，如光刻机的机台，机床的动板上。为了提高分辨率，半波长的正弦信号被细分，变成1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机计算出位移量S。也常用下式表示动镜的位移。

其中㥏 为目标运动速度为V 时的多普勒频移。式（1）和（2）是等价的，可以互相推导出来，仅是表达方式的不同。

图2是如今的双频激光干涉仪框图。它由7个部分构成。

图2 双频激光干涉仪原理框图

(1)双频氦氖激光器

氦氖激光器上有磁体。磁体为筒形，激光器上加的是纵向磁场，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波长（%u3BB/4）片把激光器输出的左旋和右旋光变成偏振态互相垂直的线偏振光。

前文所说的双折射-塞曼双频激光器则是在激光器内置入双折射元件（图内未画出），并加图2所示的磁条。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需使用四分之一波长片。

双频激光器是双频激光干涉仪的核心，很大程度上，它的性能决定激光干涉仪的性能，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，偏振状态稳定，两频率之间不偏振耦合。这一问题的解决是作者较突出的贡献之一。

（2）频率稳定单元

它的作用是保证波长（频率）这把尺子的精确性，达到10-8甚至10-9，即4.74휐14的激光频率长期的变化仅1 MHz左右。

（3）扩束准直器

实际上是一个倒装的望远镜，防止光束发散。要求激光出射80 m，光束光斑直径仍然在10 mm之内。

（4）测量干涉光路

测量干涉光路包括：从分光镜向右直到可动反射镜（实际是个角锥棱镜），向下到光电探测器2。可动反射镜装在被测目标上（如光刻机工作台上的反射镜），目标的移动产生激光束的频移㥏 ，㥏 和目标速度成正比，积分就是目标走过的距离（位移或长度）。积分由信号处理单元完成。

（5）参考光路

参考光路由分光镜-偏振片-光电探测器1实现，参考光路中没有任何元件移动，它测得的位移是“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扣除这一噪声。

（6）温度和空气折射率补偿单元

干涉仪测量的目标位移可能长达百米，空气折射率（及改变）和长度的乘积成为激光干涉仪的最主要误差来源之一。用传感器测出温度、气压、湿度，信号处理单元计算出空气折射率引入的假位移，并从结果中扣除。

（7）信号处理单元

光电探测器1和2，分别把信号和的光束转化为电信号，%uB1㥏是可动反射镜位移时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示位移的方向。电信号经放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有 %uB1㥏 的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算即可得出可动反射镜的位移量。环境温度，气压，湿度引入的折射率变 化（假位移）送入计算机计算，并扣除他们的影响。相当多的应用要求计算 机和应用系统通讯，实现对加工过程的闭环控制。

激光干涉仪的应用

一般说来，激光干涉仪的主要用途是测量目标的运动状态，即目标的线性位移大小、旋转角度（滚转、俯仰和偏摆）、直线度、垂直度、两个目标在运动的平行性（度）、平面度等。

无论光刻机的机台，还是数控机床的导轨（包括激光加工机床），不论是飞行物，还是静止物的热膨胀、变形，一旦需要高精度，都要用激光干涉仪测量，得到目标的运动状态。

运动状态由多个参数给出。以光刻机两维运动中的一个方向运动时为例，位移（走过的长度）、机台位移过程中的偏转（角）、俯仰（角）和滚转（角）都需要测出。

很多类型的设备需要测量，如各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域的线性测量。图3是几个应用的例子。

图3 激光干涉仪几个应用的例子

来源：(a)(b)(c)由北京镭测科技有限公司提供

(d)(e)来自深圳市中图仪器股份有限公司网页

除此之外，一个最轰动的应用就是2016年美国LIGO激光干涉仪实验室宣称直接测量到了引力波，使用的便是激光干涉仪。该激光干涉仪单程臂长4 km，见图4。

图4 LIGO激光干涉仪

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及问题

多年来，国内外在单频和双频激光干涉仪方面进步不大，特例是双折射-塞曼双频激光器的发明。由于从国外购买的激光器不能产生大间隔的双频光，原有国内双频激光干涉仪的供应商基本停产，以前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，走在了世界前端，也解决了国内无源的重大难题。

北京镭测科技有限公司开发、纠错后，终于使双折射-塞曼双频激光干涉仪实现产品化，进入先进制造全行业。公司的双折射-塞曼双频激光器可以达到：频率间隔可在1 ~ 30 MHz之间选择，功率可达1 mW。频率差与激光功率之间没有相互影响，没有塞曼效应的双频激光器高功率和大频率差不能兼得的缺点。

尽管取得进展，但氦氖激光器的制造工艺等是个系统性技术问题，需要全面改善。特别是，几家国外双频激光干涉仪供应商使用的激光器都是自产自用，不对外销售，因此，我们必须自己解决问题。

（2）业界往往忽略干涉仪的非线性误差

很长时期以来，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院(PTB) 经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。塞曼效应的双频干涉仪也有非线性误差，也是无法消除的。非线性误差发生在半个波长的位移内，即使量程很小也照样存在。对此干涉仪测量的误差，大多使用者是不知情的。

根据中国计量科学院的测试得出，北京镭测科技生产的双频激光干涉仪的非线性误差在1 nm以下。建议把中国计量科学院的仪器批准为国家标准，并和德国、美国计量院作比对。

图5 中国计量科学研究院：镭测LH3000双频激光干涉仪在进行测长比对

关于双频激光干涉仪的未来发展的建议

本文作者从事研究双折射-塞曼双频激光器起步到成批生产，历经近40年，建议加强以下研究。

（1）高测速

制造业的发展很快，精密数控机床运动速度已达几m/s，有些特殊应用已提出达到10 m/s的要求。目前单频激光的测量速度还没有超过5 m/s。双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也处于这一水平，但其频率差的实验已经达到几十MHz，有待信号处理技术的跟进发展，实现10 m/s以上的测量速度。

（2）皮米级干涉仪

市场上的干涉仪基本都标称分辨率1 nm，也有0.1 nm的广告。需要发展皮米分辨率的激光干涉仪以满足对原子、病毒尺度上的观测要求。

（3）溯源

前文已经提到，小于半波长的位移是把正弦波动信号电子细分得到标称的1 nm。这和真实的1 nm相差多少，没有人知道。所以需要建立纳米、皮米的标准。作者曾做过初步努力，达到10 nm的纯光学信号，还需做长期艰苦的研究。

（4）提高氦氖激光器寿命

在未来很长一段时间，氦氖激光器仍然是激光干涉仪最好的光源，但其漏气的特点导致其使用寿命有限，替换寿命终结的氦氖激光器导致光刻机停机，会带来巨大经济损失。因此，延长氦氖激光器寿命十分有必要。

作者简介

张书练，清华大学教授，博导。曾任清华大学精密测试技术及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与精密测量，致力于激光器特性的研究和把这些特性应用于精密测量，是国内外正交偏振激光精密测量领域的主要创始人之一。返回搜狐，查看更多