雙頻激光干涉儀的應用研究綜述

于海嬌

（吉林建筑科技學院電氣信息工程學院，吉林長春，130114）

0 引言

隨著社會科技的飛速發展，我們對這個世界的探索從宏觀發展到微觀，觀測范圍也已經到了納米量級。納米技術作為21世界最重要的科學技術之一，納米技術包括納米電子、納米材料、納米生物、納米制造、納米測量、納米物理、納米化學等諸多方面，在各個領域都有廣泛的應用。納米測量技術是納米技術的一個重要組成部分。隨著微電子技術的發展，加工制造工藝的不斷提高，現代的許多高精尖技術的實現都需要對各種元器件進行高精度的測量，都離不開納米測量技術，例如南極天文望遠鏡、空間引力波探測裝置、極大規模集成電路制造裝備等[1]。

光學納米測量方法有很多種，例如雙頻激光干涉儀、P-E測量儀干涉法、激光偏振干涉法、X射線干涉法、光柵干涉儀等[2]。激光干涉測量技術以激光波長作為測量基準，可以溯源到“米”基準，測量精度可以達到亞納米量級。其中雙頻激光干涉儀采用外差干涉原理，是測量位移、角度的常用方法之一，這種測量技術有很多優點，例如測量精度高、范圍廣、速度快、分辨率高，且抗干擾能力強，因此在很多領域都有廣泛的應用。

1 在現代機械制造領域中的應用

現代機械制造正在向著高效率、高精度、智能化的方向發展，雙頻激光干涉儀在這一領域中顯示了其先進性和優越性?，F代機械制造的發展離不開高檔數控機床的發展，國家第十三個五年規劃綱要中明確提出實施100個重大工程及項目，其中28項就是研制高檔數控機床。使用雙頻激光干涉儀可以在普通的車間條件下快速、準確、便捷的獲取和分析數控機床刀頭的定位精度信息，為分析和改進數控機床的性能提供了可靠的依據[3]。雙頻激光干涉儀可采用線性循環、逐點循環、階梯循環三種循環方式檢定數控機床，可以實現測量和數據處理的全程自動化，且可以在機床工作的過程中自動采集數據，實現直線度、垂直度、平行度及平面度的測量[4]。除了數控機床，三維坐標測量機也是現代機械制造領域中極其重要的大型精密測量儀器。三維坐標測量機集光機電、控制和計算機技術于一體，可對加工零部件的形狀、尺寸進行精密檢測以及精確定位，采用雙頻激光干涉儀作為測量基準，可以實現納米量級的測量精度[5]?，F代工業數控機床和三坐標測量機的運行速度可以達到1000mm/s，采用雙頻激光干涉儀可以對該速度下的運動物體進行有效跟蹤，并實現位移和速度測量，精度可達0.1μm/800mm[6]。

2 在超精密加工領域中的應用

超精密加工技術是衡量科學技術水平發展的重要指標，在我國的航空航天、現代工業控制等領域中都起著舉足輕重的作用，而影響超精密加工精度的一個重要因素就是精密測量技術[7]。世界上最先進的機床之一——美國的LODTM大型金剛石車床，如圖1所示，為了能夠實現納米級的閉環控制，該機床采用了雙頻激光干涉儀進行高精密的測量，其測量精度能夠達到2.5nm，測量分辨力為0.618nm，機床的加工精度也達到了28nm[8]。

圖1 LODTM 大型金剛石車床

3 在微電子領域的應用

光刻機是集成電路制造加工的關鍵設備代表了世界裝備加工制造的最高水平。隨著微電子技術的發展，各類型芯片，尤其是手機芯片，對集成電路的集成度要求越來越高，而集成電路的集成度與光刻機的套刻精度息息相關。套刻精度主要由硅片臺和掩模臺的定位精度、同步掃描精度和光學對準精度決定。硅片臺和掩膜臺的運行速度又決定了光刻機的產率。雙頻激光干涉儀在光刻機中的應用，主要是用于硅片臺和掩模臺的對準，實現對工作臺的超精密運動控制，以實現定位精度為亞納米量級的高速運動，位置測量的相對不確定度為10-9～10-8，有效提高光刻機的性能指標[9-10]，圖 2是光刻機硅片臺與掩模臺的激光測量系統示意圖。

圖2 光刻機硅片臺與掩模臺的激光測量系統示意圖

4 在計量領域中的應用

雙頻激光干涉儀能夠實現非接觸測量，并且具有可溯源性，以激光波長作為度量標準，其測量能夠達到納米量級。因此，雙頻激光干涉儀可以作為長度計量的基準，實現精密的長度計量[11]。在專用傳感器及計算機的輔助下，通過測量轉換，雙頻激光干涉儀還能實現對角度、直線度、平面度、垂直度等參數的高精確測量，有效提高產品質量和經濟效益。因此國內外計量規范都以激光干涉儀作為量值溯源和量值傳遞的標準器具，以及對儀器設備的測量精度進行檢定、分析和校準[12-13]。如圖3 是中國計量院26米動態校準儀標準裝置，采用HP5529A 外差激光干涉動態校準儀作為標準器具，分辨力達到1nm[14]。

圖3 中國計量院26米動態校準儀標準裝置

5 在天文領域的應用

天文學是研究宇宙空間天體、宇宙的結構和發展的學科，主要通過觀測天體發射到地球的輻射，發現并測量天體的位置，探索運動規律，研究其物理性質、化學組成、內部結構、能量來源及其演化規律等。對觀測方法和手段的研究，是天文領域的一個重要方面。雙頻激光干涉儀可以用在天文望遠鏡的測試中，用于軸向面形誤差測量[15]。高精度距離測量是空間科學與技術發展的一個標志性指標，為空間科學計劃提供了技術支持[16]。引力波探測作為全球基礎研究的熱點之一，激光干涉儀對其發揮了巨大的作用。目前國際上用于空間引力波探測的地面激光干涉儀系統包括美國的 LIGO、意大利法國合作的 VIRGO、德英合作的 GEO600 以及日本的TAMA300等[17]。以我國為主導的國際空間引力波探測計劃——天琴計劃，也計劃把超大激光干涉儀送入向太空，在太空中建成一個探測引力波的天文臺，彰顯了我國引力波探測研究的創新能力。

6 我國雙頻激光干涉儀的發展

我國的第一臺雙頻激光干涉儀是由中國計量科學院和陜西機械學院聯合研制而成，其位移測量準確度為5×10-7，量程為60米，最小分辨力為0.08μm[18]。清華大學在塞曼-雙折射激光器的基礎上，研制出一種可用于高速測量系統的雙頻激光干涉儀，其測量的最高速度可以達到4m/s[19]。哈爾濱工業大學下屬超精密光電儀器工程研究所生產的激光干涉儀與相位延遲電子細分技術相配合，測量的最高速度達到1.5m/s，測量分辨力達到±0.31nm[20]。清華大學研制的雙頻激光干涉儀性能穩定，位移零漂處于納米量級，非線性誤差只有0.3nm，線性位移相對測量誤差不超過3×10-8，已經達到納米位移精密測量要求[21]。目前我國在激光干涉儀相關領域已經了飛躍式的發展，某些關鍵性的技術指標也可以與國際先進水平相比，但是在干涉儀的總體性上仍然有很大的發展空間。