激光干涉測(cè)量方法、光源的結(jié)構(gòu)和輸出特性光源的結(jié)構(gòu)激光光源是利用激發(fā)態(tài)粒子在受激輻射作用下發(fā)光的電光源。是一種相干光源。自從I960年美國(guó)的T.H.梅曼制成紅寶石激光器以來(lái)，各類(lèi)激光光源的品種已達(dá)數(shù)百種，輸出波長(zhǎng)范圍從短波紫外直到遠(yuǎn)紅外。激光光源可按其工作物質(zhì)(也稱(chēng)激活物質(zhì))分為固體激光源(晶體和釹玻璃)、氣體激光源(包括原子、離子、分子、準(zhǔn)分子)、液體激光源(包括有機(jī)染料、無(wú)機(jī)液體、螯合物)和半導(dǎo)體激光源4種類(lèi)型。激光光源由工作物質(zhì)、泵浦激勵(lì)源和諧振腔3部分組成。工作物質(zhì)中的粒子(分子、原子或離子)在泵浦激勵(lì)源的作用下，被激勵(lì)到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)，造成高能級(jí)激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)多于低能級(jí)激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)，即形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，就產(chǎn)生光子，如果光子在諧振腔反射鏡的作用下，返回到工作物質(zhì)而誘發(fā)出同樣性質(zhì)的躍遷，則產(chǎn)生同頻率、同方向、同相位的輻射。如此靠諧振腔的反饋放大循環(huán)下去，往返振蕩，輻射不斷增強(qiáng)，最終即形成強(qiáng)大的激光束輸出。激光光源具有下列特點(diǎn)：0單色性好。激光的顏色很純,其單色性比普通光源的光高1010倍以上。因此，激光光源是一種優(yōu)良的相干光源，可廣泛用于光通信。②方向性強(qiáng)。激光束的發(fā)散立體角很小，為毫弧度量級(jí),比普通光或微波的發(fā)散角小2?3數(shù)量級(jí)。③光亮度高。激光焦點(diǎn)處的輻射亮度比普通光高108?1010倍。光源輸出特性激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。目前常用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的干涉儀，主要是以邁克爾遜干涉儀為主，并以穩(wěn)頻氦氖激光為光源，構(gòu)成一個(gè)具有干涉作用的測(cè)量系統(tǒng)。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作。同時(shí)測(cè)量線性定位誤差、直線度誤差(雙軸)、偏擺角、俯仰角和滾動(dòng)角設(shè)計(jì)用于安裝在機(jī)床主軸上的5D/6D傳感器可選的無(wú)線遙控傳感器最長(zhǎng)的控制距離可到25米可測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等參數(shù)，并評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)特性全套系統(tǒng)重量?jī)H15公斤，設(shè)計(jì)緊湊、體積小，測(cè)量機(jī)床時(shí)不需三角架集成干涉鏡與激光器于一體，簡(jiǎn)化了調(diào)整步驟，減少了調(diào)整時(shí)間激光干涉儀可以同時(shí)測(cè)量線性定位誤差、直線度誤差(雙軸)、偏擺角、俯仰角和滾動(dòng)角等，以及測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等參數(shù)，并評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)特性等。激光干涉儀的光源——激光，具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)使用。二、激光干涉測(cè)量原理激光輸出可被視為正弦光波波長(zhǎng)從激光頭射出的光波有三個(gè)關(guān)鍵特性：波長(zhǎng)精確已知，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量波長(zhǎng)很短，能夠?qū)崿F(xiàn)精密測(cè)量或高分辨率測(cè)量所有光波均為同相，能夠?qū)崿F(xiàn)干涉條紋干涉測(cè)量是基于光波疊加原理，在干涉場(chǎng)中產(chǎn)生亮暗交替的干涉條紋，通過(guò)分析處理干涉條紋來(lái)獲取被測(cè)量的有關(guān)信息。當(dāng)兩束光滿足頻率相同、振動(dòng)方向相同以及初相位差恒定的條件時(shí)，兩支光會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。在干涉場(chǎng)中任一點(diǎn)的合成光強(qiáng)為：, 2兀I「+12+^IiI2cosrA式中，△為兩束光到達(dá)某點(diǎn)的光程差；I】、12分別為兩束光的光強(qiáng)；入為光波長(zhǎng)。干涉條紋是光程差相同點(diǎn)的軌跡，以下兩式分別為亮紋和暗紋方程△=mA△=(m+1/2)入式中，m為干涉條紋的干涉級(jí)干涉儀中兩支光路的光程差△可表示為△=工叫廠工ji j式中，r、m分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率；Y、分別為干涉儀兩支光路的幾何路程。

當(dāng)把被測(cè)量引入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差則發(fā)生變化，干涉條紋也隨之變化。通過(guò)測(cè)量干涉條紋的變化量，可以獲得與介質(zhì)折射率n和幾何路程I有關(guān)的各種物理量和幾何量。斐索型干涉測(cè)量法中由于樣板和被測(cè)表面間距較大，必須用單色光源，一般采用激光光源。三、測(cè)量結(jié)構(gòu)分析及總結(jié)薄膜干涉儀設(shè)干涉場(chǎng)的口徑為D,條紋數(shù)目為m長(zhǎng)度D兩端對(duì)應(yīng)的厚度分別為hl和h2,有則平板玻璃的平彳丁度為 h—h m九8=—i= (rad)D 2nD測(cè)試平板玻璃平行度圖示測(cè)量不確定度根據(jù)間接測(cè)量不確定度的傳遞公式，可知由上式可見(jiàn)，在的測(cè)量中引起誤差的主要因素是：寬度D的測(cè)量不確定度；干涉條紋數(shù)m計(jì)數(shù)的不確定度一影響最大；折射率n的測(cè)量不確定度。激光斐索型平面干涉儀測(cè)量平板玻璃平行度的不準(zhǔn)確球面干涉儀注意：為了獲得需要的干涉條紋，必須仔細(xì)調(diào)整被測(cè)球面，使被測(cè)球面的球心C與co精確重合?？偨Y(jié)同時(shí)測(cè)量線性定位誤差、直線度誤差(雙軸)、偏擺角、俯仰角和滾動(dòng)角設(shè)計(jì)用于安裝在機(jī)床主軸上的5D/6D傳感器可選的無(wú)線遙控傳感器最長(zhǎng)的控制距離可到25米可測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等參數(shù)，并評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)特性全套系統(tǒng)重量?jī)H15公斤，設(shè)計(jì)緊湊、體積小，測(cè)量機(jī)床時(shí)不需三角架集成干涉鏡與激光器于一體，簡(jiǎn)化了調(diào)整步驟，減少了調(diào)整時(shí)間激光干涉儀可以同時(shí)測(cè)量線性定位誤差、直線度誤差(雙軸)、偏擺角、俯仰角和滾動(dòng)角等，以及測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等參數(shù)，并評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)特性等。激光干涉儀的光源——激光，具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)使用。四、測(cè)量精度和應(yīng)用領(lǐng)域測(cè)量精度5D/6D標(biāo)準(zhǔn)型：線性：0.5ppm.測(cè)量范圍：40米(1D可選80米)線性分辨力：O.OOlum.偏擺角和俯仰角的精度：(1.O+O.1/m)角秒或1%顯示較大值最大范圍：800角秒滾動(dòng)角精度：1.0角秒直線度精度：(1.0+0.2/m)um或1%顯示較大值直線度最大范圍：500um垂直度精度：1角秒溫度精度：0.2攝氏度濕度精度：5%壓力精度：1mmHg應(yīng)用領(lǐng)域4.1激光干涉測(cè)試技術(shù)在地學(xué)中的應(yīng)用在地球科學(xué)中對(duì)地殼應(yīng)變的測(cè)量是其中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它能精確地測(cè)量出地殼受太陽(yáng)或月亮作用而形成的固體潮應(yīng)變，這樣的應(yīng)變通常都對(duì)應(yīng)著非常小的相對(duì)位移量(亞納米級(jí))，伸縮儀就是針對(duì)這樣的應(yīng)用。它主要用于硐體應(yīng)變固體潮及地震前兆地應(yīng)變監(jiān)測(cè),同時(shí)也可用于大型精密工程、大型建筑、大壩等的應(yīng)變測(cè)量。地應(yīng)變測(cè)量是測(cè)量地殼表面兩點(diǎn)間的基線長(zhǎng)度的相對(duì)變化量。英國(guó)RENISHAW公司最新推出的XL-80激光干涉儀系統(tǒng)，具有1nm的分辨率、0?80m的線性測(cè)量長(zhǎng)度范圍。這一系統(tǒng)可以達(dá)到10一10?10?11m的相對(duì)精度，其精度同伸縮儀相當(dāng)。并且同伸縮儀相比，激光干涉儀有著可以溯源這樣一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，運(yùn)用激光干涉儀系統(tǒng)進(jìn)行地殼應(yīng)變測(cè)量已成為地學(xué)科研的重點(diǎn)。同樣，激光干涉儀還被運(yùn)用到絕對(duì)重力儀中。絕對(duì)重力測(cè)量就是直接測(cè)量其重力加速度。絕對(duì)重力儀利用自由落體原理，采用上拋下落或直接下落的方式，結(jié)合邁克爾遜激光干涉條紋的原理，激光記錄每個(gè)時(shí)刻自由落體的位移和速度，通過(guò)位移和速度的精確測(cè)定計(jì)算重力加速度。儀器的主要部件是激光干涉儀，用于跟蹤自由下落的三棱反射鏡的運(yùn)動(dòng)。絕對(duì)重力測(cè)量是以測(cè)量加速度的距離和時(shí)間這兩個(gè)基本量作為基礎(chǔ)來(lái)觀測(cè)傳感器件在重力場(chǎng)中的自由運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在的絕對(duì)重力儀分辨率已達(dá)到110-9ms-2，系統(tǒng)重復(fù)性5.010-8ms-2，準(zhǔn)確度5.010-8ms一2。同時(shí)，日本有報(bào)道，利用超高靈敏度激光干涉儀實(shí)現(xiàn)測(cè)量重力波的計(jì)劃，這將是激光干涉技術(shù)在地學(xué)中一個(gè)重大應(yīng)用的突破。應(yīng)用雙頻激光干涉儀可以標(biāo)定數(shù)字水準(zhǔn)儀的精度。以往采用的辦法是用野外觀測(cè)的方法，即通過(guò)往返閉合差、高差閉合差或與己知高程點(diǎn)的成果進(jìn)行比較來(lái)評(píng)定儀器的精度。這種方法野外工作量大，精度受到外界和觀測(cè)者以及已知點(diǎn)成果精度等的影響，不能較客觀地評(píng)定儀器本身的精度，也不適合于對(duì)儀器的檢測(cè)。而使用雙頻激光干涉儀與一個(gè)標(biāo)尺，可以達(dá)到大于3pm的測(cè)量精度：將條碼尺置于豎直導(dǎo)軌上，在其尺底端安置雙頻激光干涉儀的反射棱鏡用45°直角棱鏡將激光束轉(zhuǎn)向。水準(zhǔn)尺的上下移動(dòng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向后，將其位移量直接反映到雙頻激光干涉儀上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的標(biāo)定。4.2激光在位移傳感器中的應(yīng)用利用激光干涉儀對(duì)位移傳感器檢定成為發(fā)展趨勢(shì)，其特點(diǎn)是測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快、易于數(shù)字化測(cè)量。在測(cè)量中設(shè)計(jì)一個(gè)精密導(dǎo)軌，將反射鏡同被測(cè)傳感器放在一起同步檢測(cè)，從而形成對(duì)比。位移傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)與HP干涉儀(標(biāo)準(zhǔn))對(duì)定長(zhǎng)位移進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，得出往復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:室溫18°C；相對(duì)濕度：52%RH；氣壓：754mmHg。給出的位移檢定系統(tǒng)的讀數(shù)與激光干涉儀讀數(shù)，其差值小于土2.0pm，這一誤差完全滿足預(yù)期的研究指標(biāo)要求(不大于土2.5pm)。4.3激光在數(shù)控機(jī)床檢定中的應(yīng)用激光干涉儀可用于精密機(jī)床、大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線位置測(cè)量、誤差修正和控制。雙頻激光干涉儀的最大特點(diǎn)是在具有強(qiáng)大的排除干擾能力的情況下還具有非常高的精度，其分辨率可以達(dá)到納米級(jí)，從而可以大大提高制造領(lǐng)域的制造精度。雙頻激光干涉儀與不同光學(xué)附件結(jié)合，可以測(cè)量距離、直線度、垂直度、平行度、平面度。由于儀器為模塊化結(jié)構(gòu)，安裝位置靈活，便于分析機(jī)床誤差來(lái)源；而且測(cè)量時(shí)可以在工作部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，更接近機(jī)床的實(shí)際使用狀態(tài)。與傳統(tǒng)的檢定方法相比，激光干涉儀具有較高的精度和效率，并能及時(shí)處理數(shù)據(jù)，為機(jī)床誤差修正提供依據(jù)。位置精度是機(jī)床的重要指標(biāo)，目前各國(guó)機(jī)床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀。因此，用雙頻激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床各項(xiàng)誤差是一種用傳統(tǒng)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。4.4激光在光學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用利用干涉儀可檢驗(yàn)球面光學(xué)元件：檢測(cè)時(shí)不需要補(bǔ)償器，需調(diào)整干涉儀使會(huì)聚透鏡的焦點(diǎn)和球面反射鏡的球心重合；如果反射鏡是完好的，當(dāng)準(zhǔn)直光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡到達(dá)反射鏡時(shí)，光波與被測(cè)反射鏡面相吻合，這樣光線原路返回，在經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡后，又是準(zhǔn)直光，當(dāng)它與參考準(zhǔn)直光干涉時(shí)，就得到無(wú)條紋或等間距直條紋的理想干涉圖。利用干涉儀還可測(cè)量非球面或非球面頂點(diǎn)曲率半徑，都是利用自準(zhǔn)直法，但要使參考光波與測(cè)試光波相干，并得到所需的干涉條紋，需要通過(guò)軸向移動(dòng)和橫向傾斜被測(cè)非球面，精確調(diào)整出射波面經(jīng)被測(cè)非球面后能原路返回，從干涉條紋的形狀來(lái)判斷。4.5激光干涉在科研方面的應(yīng)用美國(guó)NIST研制的分子測(cè)量機(jī)，被測(cè)樣板的最大尺寸是50X50X25(mm),垂直測(cè)量范圍是100um,用AFM或STM作測(cè)頭，三維量位置精度用在真空中的激光干涉儀保證，它是用于研究和測(cè)量原子標(biāo)尺和微電子尺寸參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)性?xún)x器。英國(guó)國(guó)家物理研究所對(duì)各種納米測(cè)量?jī)x器與被測(cè)對(duì)象之間的幾何與物理間的相互作用進(jìn)行了詳盡的研究，繪制了各種納米測(cè)量?jī)x器測(cè)量范圍的理論框架，研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器測(cè)量范圍為0.01nm?3nm和0.3?100nm。日本國(guó)家計(jì)量研究所(NRLM)研制了由穩(wěn)頻塞曼激光光源、四光束偏振邁克爾干涉儀和數(shù)據(jù)分析電子系統(tǒng)組成的新型干涉儀，該所已開(kāi)始研究一些基本常數(shù)的精密測(cè)量加硅晶格間距等問(wèn)題。Warwick大學(xué)的Chetwynd博士利用X光干涉儀對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)用的波長(zhǎng)進(jìn)行細(xì)分研究，他利用薄硅片分解和重組X光光束來(lái)分析干涉圖形，從干涉儀中提取的干涉條紋與硅晶格有相等的間距，該間距接近0.2nm，他依此作為校正精密位移傳感器的一種亞納米尺度。清華大學(xué)、南昌大學(xué)、江西省科學(xué)院等采用掃描探針顯微鏡系列，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，對(duì)高精度納米和亞納米量級(jí)的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測(cè)量研究。天津大學(xué)劉安偉等在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對(duì)樣品表面輪廓的測(cè)量過(guò)程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測(cè)量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀，該儀器以穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為光源，共光路設(shè)計(jì)提高了抗外界環(huán)境干擾的能力，其縱向和橫向分辨率分別為0.39nm和0.73ym。中國(guó)計(jì)量學(xué)院朱若谷、浙江大學(xué)陳本永等，提出了一種通過(guò)測(cè)量雙法布里一柏羅干涉儀透射光強(qiáng)基波幅值差或基波等幅值過(guò)零時(shí)間間隔的方法，進(jìn)行納米測(cè)量的理論基礎(chǔ)，給出了檢測(cè)掃描探針振幅變化的新方法。中國(guó)科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室成功研制了一臺(tái)使用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測(cè)的原子力顯微鏡，通過(guò)對(duì)云母、光柵、光盤(pán)等樣品的