1.激光干涉儀的發展史

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。機械零件加工和檢驗都要用尺子，在機械制造企業，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象，這就是光學干涉儀的誕生。

注[1]:根據古代和中世紀科學，以太被稱為第五元素，是填充地球球體上方宇宙區域的物質。以太的概念在一些理論中被用來解釋一些自然現象，例如光和重力的傳播。19世紀末，物理學家假設以太滲透到整個空間，以太是光在真空中傳播的介質，但是在邁克爾遜-莫利實驗中沒有發現這種介質存在的證據，這個結果被解釋為沒有光以太存在。

1961年研究人員發明了氦氖激光器，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驗之一。但今天在科學研究和工業中應用的激光干涉儀出于邁克爾遜，但性能遠遠勝于邁克爾遜。

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方，發散角可以小到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，如半導體（LD）、固體激光器等的相干等性能都遠不及氦氖激光器，研究人員多有嘗試，但都沒有成功。

激光干涉儀有很多應用，但本質都是測量中學課本講的“位移”，諸多應用都是“位移”的延伸和轉化。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、技術和商業原因，兩種干涉儀都有著廣泛應用。但在光刻機上，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使其產生雙頻（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到每秒幾米，與單頻激光器看齊了。

按產生雙頻的方法，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）干涉儀。

現在干涉儀的指標：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（特別是有些研究發展趨勢的報告），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。如海關的統計和一些年度報告往往混在一起。

激光測距機發出的激光束是一個持續時間納秒的光脈沖，利用光脈沖達到目標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。

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象，但儀器的設計、光路結構、探測方式、應用場合幾乎沒有共同之處。激光波面干涉儀能夠測量光學元件表面的形貌，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、零件直徑可達百毫米；另一種則是測量位移（長度）干涉儀，光干涉發生在直徑幾毫米光路上，表現為只有光電探測器（眼睛）正對著射來的光線才能“看”到光強度的波動，由波動的整次數和（不足半波長的）小數算出被測件的位移。

3.雙頻激光干涉儀的原理和構成

當圖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度正弦變化，動鏡移動半個波長，光強變化一個周期。光電探測器將光強變化轉化為電信號。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。計出總周期數測得動鏡的位移。

                             （1）

式中：λ為激光波長，N 為電脈沖總數。

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上與目標一起位移，如光刻機的機臺，機床的動板上。為了提高分辨力，半波長的正弦信號被細分，變成1 nm甚至0.1 nm的電脈沖，可逆計數器計算出總脈沖數，再由計算機計算出位移量S。也常用下式表示動鏡的位移，

 （2）

其中△f為目標運動速度為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置入雙折射元件（圖內未畫出），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）大且穩定，偏振狀態穩定，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之一。

（2）   頻率穩定單元

它的作用是保證波長（頻率）這把尺子的精確性，達到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）   擴束準直器

實際上是一個倒裝的望遠鏡，防止光束發散。要求激光出射80 m，光束光斑直徑仍然在10 mm之內。

（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上（如光刻機工作臺上的反射鏡），目標的移動產生激光束的頻移Δf，Δf和目標速度成正比，積分就是目標走過的距離（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實現，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償單元

干涉儀測量的目標位移可能長達百米，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，信號處理單元計算出空氣折射率引入的假位移，并從結果中扣除。

（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的光束轉化為電信號，是可動反射鏡位移時因多普勒效應產生的附加頻率，正負號表示位移的方向。電信號經放大器、整形器后進入減法器相減，輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經可逆計數器計數后，由電子計算機進行當量換算即可得出可動反射鏡的位移量。環境溫度，氣壓，濕度引入的折射率變化（假位移）送入計算機計算，扣除他們的影響。然后顯示。相當多的應用要求計算機和應用系統通訊，實現對加工過程的閉環控制。

4.激光干涉儀的應用

一般說來，激光干涉儀的主要用途是測量目標的運動狀態，即目標的線性位移大小、旋轉角度（滾轉、俯仰和偏擺）、直線度、垂直度、兩個目標在運動的平行性（度）、平面度等。無論光刻機的機臺，還是數控機床的導軌（包括激光加工機床），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，得到目標的運動狀態。

運動狀態用由多個參數給出。以光刻機兩維運動中的一個方向運動時為例，位移（走過的長度）、機臺位移過程中的偏轉（角）、俯仰（角）和滾轉（角）都需要測出。

很多類型的設備需要測量，如各類機床、三坐標測量機、機器人、3D打印設備、自動化設備、線性位移平臺、精密機械設備、精密檢測儀器等領域的線性測量。圖3是幾個應用的例子。

美國LIGO激光干涉儀實驗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         (c)雙頻激光干涉儀測量導軌直線度

圖3 激光干涉儀幾個應用的例子

 圖4  LIGO激光干涉儀

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

5. 雙頻激光干涉儀發展存在的問題

（1）國內外單頻和雙頻激光干涉儀的進展及問題

多年來，國內外在單頻和雙頻激光干涉儀方面進步不大，特例是雙折射-塞曼雙頻激光器的發明。由于從國外購買的激光器不能產生大間隔的雙頻光，原有國內雙頻激光干涉儀的供應商基本停產。以前作為基礎研究的雙折射-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，走在了世界前端，也解決了國內無源的重大難題。北京鐳測科技有限公司的開發、糾錯，終于使雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀實現產品化，進入先進制造全行業，特別是光刻機。北京鐳測科技有限公司雙折射-塞曼雙頻激光器達到指標：頻率間隔可在1 ~ 30 MHz之間選擇，功率可達1 mW。 頻率差與激光功率之間沒有相互影響，沒有塞曼效應的雙頻激光器高功率和大頻率差不能兼得的缺點。

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

 （2）業界往往忽略干涉儀的非線性誤差

很長時期以來，業界認為單頻干涉儀沒有非線性誤差。德國聯邦物理技術研究院(PTB) 經嚴格測試發現，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，中國計量科學院的測試得出，北京鐳測科技生產的雙頻激光干涉儀的非線性誤差在1 nm以下。建議把中國計量科學院的儀器批準為國家標準，并和德國、美國計量院作比對。

非線性誤差發生在半個波長的位移內，即使量程很小也照樣存在。

圖5 中國計量科學研究院：鐳測LH3000雙頻激光干涉儀在進行測長比對

6. 雙頻激光干涉儀的未來挑戰

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雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀，歷經近40年，建議加強以下研究。

（1）高測速

制造業的發展很快，精密數控機床運動速度已達幾m/s，有特殊應用提出達到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，但其頻率差的實驗已經達到幾十MHz，有待信號處理技術的跟進發展，實現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稱分辨力1 nm，也有0.1 nm的廣告。需要發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

前文已經提到，小于半波長的位移是把正弦波動信號電子細分得到標稱的1 nm，和真實的1 nm相差多少？沒有人知道，所以需要建立納米、皮米的標準。作者曾做過初步努力，達到10 nm的純光學信號，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，但其漏氣的特點導致其使用壽命有限，替換壽命終結的氦氖激光器導致光刻機停機，會帶來巨大經濟損失。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