激光干涉法因具有可溯源性，非接觸性灭贷，可分辨率高等特點温学，在納米級別的精密測量中占有絕對地位。昊量光電推出的皮米級位移測量干涉儀quDIS是在納米級別的位移波動進行量測的理想儀器甚疟≌提基于獨特的測量方式，從原理上避免了周期性非線性誤差览妖。
激光干涉中周期性非線性誤差的思考
位移是最基本的幾何參量之一轧拄，因其容易檢測、且相對檢測準(zhǔn)確度高讽膏，所以在許多情況下將被測對象的物理量轉(zhuǎn)換為位移量是十分實用的解決方式檩电。在涉及納米/亞納米級別的的微位移測量中，激光干涉法因具有可溯源性府树，非接觸性俐末，可分辨率高等特點。在納米級別的精密測量中占有絕對地位奄侠，本文將針對常見的激光干涉方式進行介紹卓箫，并針對對應(yīng)出現(xiàn)的誤差做了簡單的分析
非線性周期性誤差是廣泛存在于各類測量設(shè)備中，在納米級別的測量中其導(dǎo)致的誤差經(jīng)常使得實驗數(shù)據(jù)失效垄潮。形成誤差的原因多種多樣丽柿，最主要的原因一般為兩類：一類是信號失真以及處理信號時的誤差從而導(dǎo)致出現(xiàn)的誤差恢准；還有一類為相關(guān)元器件本身會導(dǎo)致的誤差。
1 激光零差干涉：
零差法是在干涉光路中光頻率與參考光頻率相等甫题，通過一定的光學(xué)器件使得信號光束與參考光束相遇疊加而產(chǎn)生干涉的測量方法（如邁克爾遜干涉儀）馁筐，零差干涉儀一般基于邁克爾遜干涉儀原理設(shè)計的（當(dāng)被測量的位移為半波長時，兩路光束由于光程差會產(chǎn)生一條干涉條紋坠非，通過所謂的條紋計數(shù)法即可得到被測位移的大忻舫痢）。這是一種直流光強檢測的方法炎码，對激光器的頻率穩(wěn)定度和測量環(huán)境要求很高盟迟，其中光學(xué)元器件是造成元器件的非線性誤差的重要因素之一，原因一般為安裝調(diào)試復(fù)雜潦闲，還有調(diào)整內(nèi)部玻片的角度攒菠，而且單頻干涉原理下抗干擾能力不強，受環(huán)境影響較大歉闰。
零差干涉儀示意圖
2 激光外差干涉：
外差干涉法是較為流行的一種檢測方式辖众，其原理同樣基于邁克爾遜干涉儀，但采用一定頻差??f的雙頻光束作為載波信號的干涉儀和敬，也就是所謂的雙頻干涉凹炸。其原理為當(dāng)激光探測到一個物體的位移時，由于多普勒效應(yīng)昼弟，被物體散射或反射的光的頻率將會發(fā)生多普勒頻移啤它，即物體的位移對光進行了調(diào)制，（波在波源移向觀察者時接收頻率變高舱痘，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時接收頻率變低）变骡。但是在光外差干涉法中普遍存在著非線性（nonlinearity）問題，該因素將會是其位移測量的主要誤差來源芭逝，使其精度一般只有納米級至十幾納米塌碌，原因是頻率不同的光束不能很好的分離，使得相位位移和實際被測長度不成線性關(guān)系铝耻。這些周期性的非線性誤差問題一直是該激光外差干涉發(fā)展的障礙。
3 F-P干涉檢測技術(shù)：
基于多光束干涉原理的F-P干涉儀具有干涉條紋細(xì)銳蹬刷，襯托對比度高等特點瓢捉，在高分辨率測量方面具有天然優(yōu)勢。
法一珀干涉儀輸出的信號特征為狹窄的諧振峰办成，其腔長度變化每變化半波長泡态，峰值光強出現(xiàn)一次。諧振峰的寬度可小至光波長的千分之一迂卢。 通常F-P腔測量位移的原理即頻率追蹤某弦，如下圖所示桐汤。通過將可調(diào)激光器的頻率鎖定到F-P干涉儀的的諧振頻率上，將干涉儀的位移測量轉(zhuǎn)換為頻率變化的測量靶壮。當(dāng)F-P腔長在變化時怔毛，其諧振峰的頻率也在發(fā)生變化，若將可調(diào)激光器的頻率鎖定在干涉儀的某一諧振模式N上腾降，則其腔長變化量與頻率變化量之間的關(guān)系為dl=- L/f df拣度，這樣，通過測量初始腔長螃壤，初始頻率和頻率變化抗果，就可實現(xiàn)測量腔長〖榍纾可調(diào)激光器的頻率變化可通過與一個穩(wěn)頻激光器進行拍頻來測量冤馏。因這種方式將位移變化轉(zhuǎn)換為了頻率變化，只要保證頻率變化為線性變化寄啼，就可以避免干涉儀的非線性誤差對測量結(jié)果的影響逮光。同時其理論分辨率最低可達到1pm。
F-P干涉儀示意圖
昊量光電最新推出的產(chǎn)品德國Qutools公司生產(chǎn)的皮米級別位移干涉測量儀quDIS便是基于上述原理的法-珀干涉儀辕录。較之之前的設(shè)計結(jié)構(gòu)睦霎，創(chuàng)新性的增加了飽和吸收氣室（GC）單元，根據(jù)其氣體的吸收光譜可以用來進行精確的波長控制走诞。
昊量光電最新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS通過快速的上下掃描改變激光波長使波長變化滿足Δλ/Δt >>Δx/Δt副女，之后通過計算干涉條紋和確定固定波長下的相位來模擬確定光路的相對距離變化，且因內(nèi)部的參考腔的為線性波長變化蚣旱，加之GC單元實現(xiàn)精確的波長控制碑幅，使得這種測量方法不受被檢測信號的對比度和強度的影響。相對距離的測量也可以理解為通過計算在一個采樣時間內(nèi)波長上掃和下掃期間的干涉最大值來確定塞绿。該方法不受信號對比度變化的影響沟涨。其它普通的檢測方式僅討論在恒定波長下的強度及其偏差，從而導(dǎo)致典型的周期性誤差模式异吻。
昊量光電最新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS絕對距離測量方式就是基于上文中提到的“拍頻”的方式裹赴，通過將內(nèi)部參考腔鎖頻，使其頻率和腔長保持恒定诀浪，這樣棋返，通過測量頻率變化，就可以知道實時的腔長雷猪，也就是絕對距離睛竣。不論是相對距離還是絕對距離，引入上述的“干涉光譜”這種方式都可以避免周期性非線性誤差求摇，不過一種是將波長變化確定為線性變化射沟，一種是將頻率變化確定為線性變化殊者，但都是避免了直接測量的相位差引起的非線性結(jié)果。目前對于低頻振動分析以及精密設(shè)備位置控制等方面具有測量精度的獨特優(yōu)勢验夯。
皮米級精度位移激光干涉儀quDIS主要功能介紹
德國quDIS在原理上同樣采用激光干涉法猖吴，不過與傳統(tǒng)激光干涉儀相比，其集成了法珀腔（Reference cavity）及飽和吸收氣室（GC）作為頻率校準(zhǔn)參考簿姨，通過激光波長調(diào)諧掃描距误，比較兩種不同的干涉圖樣，可以實現(xiàn)其它設(shè)備所不具有的絕對距離測量扁位，基于這種獨特的測量方式准潭，使得quDIS相對其他產(chǎn)品位移測量大，且與信號對比度無關(guān)域仇，由于使用整個干涉模式來提取位移信息迄沫，因此不存在非線性誤差鳞疲。
| 規(guī)格 | 參數(shù) |
| 分辨率 | 1pm |
| 信號穩(wěn)定性，相對距離 | ＜0.05nm |
| 相對測量精度 | 200nm/m |
| 信號穩(wěn)定性，絕對距離 | ＜200nm |
| 絕對測量精度 | 2000nm/m |
| 相對/絕對測量帶寬 | 25KHz |
| 工作距離 | 0.2-5m |
| 目標(biāo)速度 | 1m/s |
| 激光波長 | 1535nm |
關(guān)鍵特性：
共焦位移傳感器
光纖干涉儀
< 0.05 nm信號穩(wěn)定性
絕對距離測量
工作距離0.2-5m
25kHz帶寬
3個傳感器軸
柔性光纖傳感頭
主要應(yīng)用：
慢漂移測量
振動分析
位置和角度
速度和加速度
質(zhì)量控制
分層結(jié)構(gòu)的間隙和邊緣測量
quDIS針對不同應(yīng)用目標(biāo)的傳感頭組合
所有應(yīng)用都需要不同的準(zhǔn)直楞卡、聚焦和光束輪廓要求姜性，這取決于反射目標(biāo)捺典。激光束的成形是通過不同的傳感頭來實現(xiàn)的压恒。除了聚焦頭和準(zhǔn)直頭外，qutools還開發(fā)了適用于惡劣環(huán)境的特殊頭括改，如真空或低溫腻豌。
| CB-2.3 | FF-50 | FF-50-1400 | FA-30-1000 | MI | |
| 傳感頭類型 | 準(zhǔn)直 | 聚焦 | 聚焦 | 測量角度 | 邁克爾遜 |
| 焦距（mm） | - | 50 | 50-1400 | - | - |
| 工作距離范圍（mm） | 20-5000 | 50 ± 0.5 | 50 ± 0.5-1400±0.5 | 30-1000 | 20-5000 |
| 光斑尺寸(2w0) | 2.3 | 0.5 | 小于1 | - | 2.3 |
| 外形圖片 |  |  |  |  |  |
皮米級精度位移干涉測量儀產(chǎn)品鏈接：http://www.wjjzl.com/details-1115.html
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