​激光干涉仪原理、使用方法、对光口诀及用途

日期:2023-05-21 18:21


激光干涉仪是机床入厂最终位置精度检测的重要工具,可以通过它对机床位置精度进行凯发k8娱乐官网地址测量、评定及螺距误差补偿,使机床达到验收要求标准,保证设备加工精度。


除了机床测量外,激光干涉仪可以完成哪些测量?本文为大家介绍激光干涉仪原理、使用方法、对光口诀及用途。


激光干涉仪原理
激光干涉测量技术以激光波长作为测量基准,可以溯源到“米”基准,测量精度可以达到亚纳米量级。



其中双频激光干涉仪采用外差干涉原理,是测量位移、角度的常用方法之一,这种测量技术有很多优点,例如测量精度高、范围广、速度快、分辨率高,且抗干扰能力强,因此在很多领域都有广泛的应用。

测量原理
激光干涉仪有单频和双频之分,单频激光干涉仪受环境因素影响较大,一般用于特定环境的实验室。


双频激光干涉仪出现于20世纪七十年代,其应用频率变化来测量位移,位移信息载于和的频差上,对由光强变化引起的直流电平变化不敏感,抗干扰能力强,广泛应用于各种工况下。

其工作原理如下图1所示:
检测时,角锥反射镜1与分光镜同时固定在床身上,角锥反射镜2相对于分光镜移动,激光源发出单一频率的激光光束,经分光镜分成两束光,分别经角锥反射镜反射回分光镜中,在探测器中形成光束干涉。


当光程差发生变化时,探测器就能观察到相长和相消干涉两端之间的信号变化,即可获得两光程差的变化,获得测量的长度。


激光干涉仪模块中有环境补偿系统,作用是采集测量现场的湿度、温度和大气压力,用于调节激光光束的波長,环境补偿系统界面如下图2所示,图中第一行表示传感器采集测量现场的温度、湿度和气压数据,用于对激光干涉仪中激光光束波长的调节;第二行为物体膨胀效应补偿系数,人工输入数据,由机床实际材质决定;第三行为设定的标准温度值,将当前测量数值等效为标准温度参数时的等效波长。


标准温度一般设定为20℃。

表示将当前测量数据等效为标准温度条件下的误差。


双频激光干涉仪采用外差干涉原理,是测量位移、角度的常用方法之一,这种测量技术有很多优点,例如测量精度高、范围广、速度快、分辨率高,且抗干扰能力强,因此在很多领域都有广泛的应用。



激光干涉仪的使用方法
1、开机:接通电源打开电源开关,1分钟后开始检测。



(因为刚开机激光器不稳定)
2、光路调整:旋上适合的标准镜头使标准镜头的星点对准寻星窗口中间的黑点,显示器上显示完整的圆形图像。


3、透镜面形检测:调节沉座到被检透镜的适合尺寸,(建议大批量固定透镜的检测,自己加工固定的沉座)放上透镜调节高度和透镜调节钮使透镜的星点与标准镜头的星点重合,观测显示器是否出现干涉条纹,条纹越少精度越高。

干涉图像与对准系统同步,无需切换,任何人都能简单操作。


高度调节结构选择加长的测试轨道来配合测量尺寸,可简便的测量出曲率半径。


4、透镜曲率半径检测:开启标尺电源开关(清零),调整图像到看清直线干涉条纹(3条到5条),凸透镜向上调节高度(凹透镜向下调节高度)到第2个星点出现的时候调节标准镜头调节旋钮,使图像出现猫眼像,标尺移动的数值就为被测透镜的曲率半径。


对干涉条纹的判断,直接关系到检测结果的正确性
1、调整干涉条纹,使被检区域出现3条到5条干涉条纹;
2、光圈的数目N,由通过直径的最大弯曲量b与条纹间隔a的比值确定,即N=b/a;
3、局部光圈数目△N,由条纹的不规则程度C,与条纹间隔a的比值确定。





激光干涉仪对光口诀
右进左出,调节3角架,拉直激光,近、远端对正一号光靶。



近端上下、左右调节,远端扭摆、俯仰调节。



将激光对准二号光靶,近端前后、左右位置调节,
远端调节垂直转向镜的旋钮,拆除一、二号光靶,
调节激光头上下、左右位置,
将激光对准三号光靶,调好近
激光干涉仪的用途如下:
1、在现代机械制造领域中的应用
现代机械制造正在向着高效率、高精度、智能化的方向发展,双频激光干涉仪在这一领域中显示了其先进性和优越性。








现代机械制造的发展离不开高档数控机床的发展,国家第十三个五年规划纲要中明确提出实施100个重大工程及项目,其中28项就是研制高档数控机床。

使用双频激光干涉仪可以在普通的车间条件下快速、准确、便捷的获取和分析数控机床刀头的定位精度信息,为分析和改进数控机床的性能提供了可靠的依据。


双频激光干涉仪可采用线性循环、逐点循环、阶梯循环三种循环方式检定数控机床,可以实现测量和数据处理的全程自动化,且可以在机床工作的过程中自动采集数据,实现直线度、垂直度、平行度及平面度的测量。


除了数控机床,三维坐标测量机也是现代机械制造领域中极其重要的大型精密测量仪器。

三维坐标测量机集光机电、控制和计算机技术于一体,可对加工零部件的形状、尺寸进行精密检测以及精确定位,采用双频激光干涉仪作为测量基准,可以实现纳米量级的测量精度。

现代工业数控机床和三坐标测量机的运行速度可以达到1000mm/s,采用双频激光干涉仪可以对该速度下的运动物体进行有效跟踪,并实现位移和速度测量,精度可达0.1μm/800mm。


2、在超精密加工领域中的应用
超精密加工技术是衡量科学技术水平发展的重要指标,在我国的航空航天、现代工业控制等领域中都起着举足轻重的作用,而影响超精密加工精度的一个重要因素就是精密测量技术[7]。



世界上最先进的机床之一——美国的LODTM大型金刚石车床,为了能够实现纳米级的闭环控制,该机床采用了双频激光干涉仪进行高精密的测量,其测量精度能够达到2.5nm,测量分辨力为0.618nm,机床的加工精度也达到了28nm。


3、在微电子领域的应用
光刻机是集成电路制造加工的关键设备代表了世界装备加工制造的最高水平。



随着微电子技术的发展,各类型芯片,尤其是手机芯片,对集成电路的集成度要求越来越高,而集成电路的集成度与光刻机的套刻精度息息相关。

套刻精度主要由硅片台和掩模台的定位精度、同步扫描精度和光学对准精度决定。

硅片台和掩膜台的运行速度又决定了光刻机的产率。

双频激光干涉仪在光刻机中的应用,主要是用于硅片台和掩模台的对准,实现对工作台的超精密运动控制,以实现定位精度为亚纳米量级的高速运动,位置测量的相对不确定度为10-9~10-8,有效提高光刻机的性能指标[9-10],图2是光刻机硅片台与掩模台的激光测量系统示意图。


4、在计量领域中的应用
双频激光干涉仪能够实现非接触测量,并且具有可溯源性,以激光波长作为度量标准,其测量能够达到纳米量级。



因此,双频激光干涉仪可以作为长度计量的基准,实现精密的长度计量。

在专用传感器及计算机的辅助下,通过测量转换,双频激光干涉仪还能实现对角度、直线度、平面度、垂直度等参数的高精确测量,有效提高产品质量和经济效益。

因此国内外计量规范都以激光干涉仪作为量值溯源和量值传递的标准器具,以及对仪器设备的测量精度进行检定、分析和校准。

中国计量院26米动态校准仪标准装置,采用HP5529A外差激光干涉动态校准仪作为标准器具,分辨力达到1nm。


5、在天文领域的应用
天文学是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科,主要通过观测天体发射到地球的辐射,发现并测量天体的位置,探索运动规律,研究其物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律等。



对观测方法和手段的研究,是天文领域的一个重要方面。

双频激光干涉仪可以用在天文望远镜的测试中,用于轴向面形误差测量。

高精度距离测量是空间科学与技术发展的一个标志性指标,为空间科学计划提供了技术支持。

引力波探测作为全球基础研究的热点之一,激光干涉仪对其发挥了巨大的作用。

目前国际上用于空间引力波探测的地面激光干涉仪系统包括美国的LIGO、意大利法国合作的VIRGO、德英合作的GEO600以及日本的TAMA300等。

以我国为主导的国际空间引力波探测计划——天琴计划,也计划把超大激光干涉仪送入向太空,在太空中建成一个探测引力波的天文台,彰显了我国引力波探测研究的创新能力。


关于激光干涉仪的知识就介绍到这了。


激光干涉仪可以完成线性测量、角度测量、直线度测量、平行度测量、垂直度测量、平面度测量、回转轴测量。

激光干涉仪在线性测量过程中影响测量精度的因素非常多,为了获得满意的精度,在线性测量与补偿时尽量将镜头组固定在与读数头同位置处,以实现精度测量及补偿数据的稳定。

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