激光干涉儀，以激光波長為已知長度，利用邁克耳遜干涉系統測量位移的通用長度測量。激光具有高強度、高度方向性、空間同調性、窄帶寬和高度單色性等優點。目前常用來測量長度的干涉儀，主要是以邁克爾遜干涉儀為主，并以穩頻氦氖激光為光源，構成一個具有干涉作用的測量系統。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測量工作，并可作為精密工具機或測量儀器的校正工作。
激光干涉儀有單頻和雙頻兩種：
單頻激光干涉儀
        從激光器發出的光束，經擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號，經整形、放大后輸入可逆計數器計算出總脈沖數，再由電子計算機算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩定狀態，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。
雙頻激光干涉儀
        在氦氖激光器上，加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應和頻率牽引效應, 激光器產生1和2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經分光鏡分為兩路。一路經偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當可動反射鏡移動時,含有f2的光束經可動反射鏡反射后成為含有f2 ±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應產生的附加頻率,正負號表示移動方向(多普勒效應是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運動時會產生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經偏振片2后會合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。測量光束和上述參考光束經各自的光電轉換元件、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（乘 1/2激光波長）后即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強。它常用于檢定測長機、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度，也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統。利用相應附件，還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

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：最小可感知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最主要誤差來源之一。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。最后顯示。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最好的光源，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。

相關論文：

面向21世紀的雙頻激光及相關測量科學技術.pdf

雙頻激光干涉儀技術現狀與發展.pdf

激光干涉精密測量與應用.pdf

激光精密測距技術進展.pdf