千分尺光量仪

本文作者：清华大学张书练教授1. 激光干涉仪的发展史做衣量身、体检量高都由尺子完成，这些日常的尺子的刻度是毫米。机械零件加工和检验都要用尺子，在机械制造企业，卡尺、千分尺随处可见，其精确度是0.1 μm，1 μm。1887年迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）研究以太[1]是否存在，使用了光。他们以光波长作尺子刻度测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。他们利用的是光的干涉现象，这就是光学干涉仪的诞生。注[1]：根据古代和中世纪科学，以太被称为第五元素，是填充地球球体上方宇宙区域的物质。以太的概念在一些理论中被用来解释一些自然现象，例如光和重力的传播。19世纪末，物理学家假设以太渗透到整个空间，以太是光在真空中传播的介质，但是在迈克尔逊-莫利实验中没有发现这种介质存在的证据，这个结果被解释为没有光以太存在。1961年研究人员发明了氦氖激光器，开始用氦氖激光器作为迈克尔逊干涉仪的光源，从而诞生了激光干涉仪。图1是迈克尔逊干涉仪简图。迈克尔逊干涉仪是普通物理的基本实验之一。但今天在科学研究和工业中应用的激光干涉仪出于迈克尔逊，但性能远远胜于迈克尔逊。图1 迈克尔逊干涉仪简图基本上，激光干涉仪都使用氦氖激光器的632.8 nm波长的光，橙红灿烂的光束射向远方，发散角可以小到0.1 mrad，光束截面的光斑均匀。氦氖激光器还可输出绿光、黄光、红外光，但只有632.8 nm波长的光适合作激光干涉仪的光源。其它类型的激光器，如半导体（LD）、固体激光器等的相干等性能都远不及氦氖激光器，研究人员多有尝试，但都没有成功。激光干涉仪有很多应用，但本质都是测量中学课本讲的“位移”，诸多应用都是“位移”的延伸和转化。激光干涉仪有两个主流类型：单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。单频干涉仪能做的双频激光干涉仪都能做，但双频干涉仪能做的单频干涉仪不见得能做。由于历史、技术和商业原因，两种干涉仪都有着广泛应用。但在光刻机上，双频激光干涉仪独占市场。单频干涉仪不需要对市场上的氦氖激光器进行改造，直接可用。但双频激光干涉仪用的激光器需要附加技术使其产生双频（两个频率）。历史上，双频激光干涉仪测量位移的速度不及单频激光干涉仪，自发明了双折射-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪的测量速度也达到每秒几米，与单频激光器看齐了。按产生双频的方法，双频激光干涉仪分为塞曼双频激光（国外）干涉仪和双折射-塞曼双频激光（国内）干涉仪。现在干涉仪的指标：最小可感知1 nm（十亿分之1 m），可以测量百米长的零件，且测量70 m长的导轨误差仅为几微米。2. 测量位移的干涉仪和测量表面的干涉仪？有几个概念的定义比较混乱（特别是有些研究发展趋势的报告），需要注意。一是“激光测距”和“激光测位移”没有界定，资料往往鹿马不分。二是不少资料所说“激光干涉仪”实际上包含两种不同的仪器，一种是测量面型（元件表面）的激光干涉仪，一种是测量位移（长度）的激光干涉仪。如海关的统计和一些年度报告往往混在一起。激光测距机发出的激光束是一个持续时间纳秒的光脉冲，利用光脉冲达到目标和返回的时间之半乘以光速得到距离，完全和光的干涉无关。尽管激光波面干涉仪和测量位移（长度）的干涉仪都是利用光干涉现象，但仪器的设计、光路结构、探测方式、应用场合几乎没有共同之处。激光波面干涉仪能够测量光学元件表面的形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口径、零件直径可达百毫米；另一种则是测量位移（长度）干涉仪，光干涉发生在直径几毫米光路上，表现为只有光电探测器（眼睛）正对着射来的光线才能“看”到光强度的波动，由波动的整次数和（不足半波长的）小数算出被测件的位移。 3. 双频激光干涉仪的原理和构成当图1的可动反射镜有位移时，光电探测器光敏面会感受到的光强度正弦变化，动镜移动半个波长，光强变化一个周期。光电探测器将光强变化转化为电信号。如探测到电信号变化了一个周期，我们就知道动镜移动了半个波长。计出总周期数测得动镜的位移。 （1）式中：λ为激光波长，N 为电脉冲总数。今天的激光干涉仪使用632.8 nm波长的激光束，半波长即316.4 nm。动镜安装在被测目标上与目标一起位移，如光刻机的机台，机床的动板上。为了提高分辨力，半波长的正弦信号被细分，变成1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机计算出位移量S。也常用下式表示动镜的位移， （2）其中∆f为目标运动速度为V时的多普勒频移。式（1）和（2）是等价的，可以互相推导推出来，仅是表方式的不同。图2是今天的双频激光干涉仪框图。它由7个部分构成。图2双频激光干涉仪原理框图（1） 双频氦氖激光器氦氖激光器上有磁体。磁体为筒形，激光器上加的是纵向磁场，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波长（λ/4）片把激光器输出的左旋和右旋光变成偏振态互相垂直的线偏振光。前文所说的双折射-塞曼双频激光器则是在激光器内置入双折射元件（图内未画出），并加图2所示的磁条。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需使用四分之一波长片。双频激光器是双频激光干涉仪的核心，很大程度上，它的性能决定激光干涉仪的性能，要求波长（频率）精度高，功率大，寿命长，双频间隔（频差）大且稳定，偏振状态稳定，两频率之间不偏振耦合。这一问题的解决是作者较突出的贡献之一。（2） 频率稳定单元它的作用是保证波长（频率）这把尺子的精确性，达到10-8甚至10-9，即4.74×1014的激光频率长期的变化仅1 MHz左右。（3） 扩束准直器实际上是一个倒装的望远镜，防止光束发散。要求激光出射80 m，光束光斑直径仍然在10 mm之内。（4） 测量干涉光路测量干涉光路包括：从分光镜向右直到可动反射镜（实际是个角锥棱镜），向下到光电探测器2。可动反射镜装在被测目标上（如光刻机工作台上的反射镜），目标的移动产生激光束的频移Δf，Δf和目标速度成正比，积分就是目标走过的距离（位移或长度）。积分由信号处理单元完成。（5） 参考光路参考光路由分光镜-偏振片-光电探测器1实现，参考光路中没有任何元件移动，它测得的位移是“假位移”真噪声。噪声来自环境的扰动。信号处理单元从干涉光路的位移中扣除这一噪声。（6） 温度和空气折射率补偿单元干涉仪测量的目标位移可能长达百米，空气折射率（及改变）和长度的乘积成为激光干涉仪的最主要误差来源之一。用传感器测出温度、气压、湿度，信号处理单元计算出空气折射率引入的假位移，并从结果中扣除。（7）信号处理单元光电探测器1和2，分别把信号f1-(f2±∆f)和f1-f2的光束转化为电信号，±∆f是可动反射镜位移时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示位移的方向。电信号经放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算即可得出可动反射镜的位移量。环境温度，气压，湿度引入的折射率变化（假位移）送入计算机计算，扣除他们的影响。最后显示。相当多的应用要求计算机和应用系统通讯，实现对加工过程的闭环控制。4. 激光干涉仪的应用一般说来，激光干涉仪的主要用途是测量目标的运动状态，即目标的线性位移大小、旋转角度（滚转、俯仰和偏摆）、直线度、垂直度、两个目标在运动的平行性（度）、平面度等。无论光刻机的机台，还是数控机床的导轨（包括激光加工机床），不论是飞行物，还是静止物的热膨胀、变形，一旦需要高精度，都要用激光干涉仪测量，得到目标的运动状态。运动状态用由多个参数给出。以光刻机两维运动中的一个方向运动时为例，位移（走过的长度）、机台位移过程中的偏 转（ 角 ）、俯仰 （ 角 ）和滚转（角）都需要测出。很多类型的设备需要测量，如各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域的线性测量。图3（a）（b）（c）（d）（e）是几个应用的例子。美国LIGO激光干涉仪实验室宣称首次直接测量到了引力波(2016)，使用的仪器是激光干涉仪，单程臂长4 km。见图4。图3 激光干涉仪几个应用的例子来源：(a)(b)(c)由北京镭测科技有限公司提供，(d)(e)来自深圳市中图仪器股份有限公司网页图4 LIGO激光干涉仪来源：https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c 5. 双频激光干涉仪发展存在的问题（1）国内外单频和双频激光干涉仪的进展及问题多年来，国内外在单频和双频激光干涉仪方面进步不大，特例是双折射-塞曼双频激光器的发明。由于从国外购买的激光器不能产生大间隔的双频光，原有国内双频激光干涉仪的供应商基本停产。以前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，走在了世界前端，也解决了国内无源的重大难题。北京镭测科技有限公司的开发、纠错，终于使双折射-塞曼双频激光干涉仪实现产品化，进入先进制造全行业，特别是光刻机。北京镭测科技有限公司双折射-塞曼双频激光器达到指标：频率间隔可在1~ 30 MHz之间选择，功率可达1 mW。 频率差与激光功率之间没有相互影响，没有塞曼效应的双频激光器高功率和大频率差不能兼得的缺点。尽管取得进展，但氦氖激光器的制造工艺等是个系统性技术问题，需要全面改善。特别是，国外双频激光干涉仪的几家企业的激光器都是自产自用，不对外销售，因此，我们必须自己解决问题。（2）业界往往忽略干涉仪的非线性误差很长时期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。德国联邦物理技术研究院(PTB) 经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。塞曼效应的双频干涉仪也有非线性误差，也是无法消除。对此干涉仪测量误差，大多使用者是不知情的。到目前，中国计量科学院的测试得出，北京镭测科技生产的双频激光干涉仪的非线性误差在1 nm以下。建议把中国计量科学院的仪器批准为国家标准，并和德国、美国计量院作比对。非线性误差发生在半个波长的位移内，即使量程很小也照样存在。图5 中国计量科学研究院：镭测LH3000双频激光干涉仪在进行测长比对6. 双频激光干涉仪的未来挑战本文作者从事研究双折射-塞曼双频激光器起步到成批生产双折射-塞曼双频激光干涉仪，历经近40年，建议加强以下研究。（1）高测速制造业的发展很快，精密数控机床运动速度已达几m/s，有特殊应用提出达到10 m/s的要求。目前单频激光的测量速度还没有超过5 m/s。双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也处于这一水平，但其频率差的实验已经达到几十MHz，有待信号处理技术的跟进发展，实现10 m/s以上的测量速度。（2）皮米干涉仪市场上的干涉仪基本都标称分辨力1 nm，也有0.1 nm的广告。需要发展皮米分辨力的激光干涉仪以满足对原子、病毒尺度上的观测要求。（3）溯源前文已经提到，小于半波长的位移是把正弦波动信号电子细分得到标称的1 nm，和真实的1 nm相差多少？没有人知道，所以需要建立纳米、皮米的标准。作者曾做过初步努力，达到10 nm的纯光学信号，还需做长期艰苦的研究。（4）提高氦氖激光器寿命在未来很长一段时间，氦氖激光器仍然是激光干涉仪最好的光源，但其漏气的特点导致其使用寿命有限，替换寿命终结的氦氖激光器导致光刻机停机，会带来巨大经济损失。因此，延长氦氖激光器寿命十分有必要。没有测量就没有科学技术，没有精密测量就没有当今的先进制造，为此作者最近出版了题名《不创新我何用，不应用我何为：你所没有见过的激光精密测量仪器》的书籍，书的主标题似是铭志抒怀，而实际内容是一本地道的学术专著，书籍内容为作者的课题组近40年做出的创新成果总结。作者简介张书练，清华大学教授，博导。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，清华大学光学工程研究所所长，主要研究方向为激光技术与精密测量，致力于激光器特性的研究和把这些特性应用于精密测量，是国内外正交偏振激光精密测量领域的的主要创始人。

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近日，市场监管总局办公厅发布《关于做好注册计量师注册有关工作的通知》，最新的国家计量专业项目分类表在附件中一同发布。为方便量友查询使用，特转发国家计量专业项目分类表供量友参考。 国家计量专业项目分类表 长度-计量专业项目分类表编号项目子项目规程/规范名称规程/规范号010100激光波长——633nm稳频激光器检定规程JJG 353010200量块——量块检定规程 JJG 146 010301线纹标准线纹尺三等标准金属线纹尺检定规程JJG 71高等别线纹尺检定规程JJG 7324m因瓦基线尺检定规程JJG 306标准钢卷尺检定规程JJG 741分辨力板检定规程 JJG 827容栅数显标尺校准规范JJF 1280显微标尺校准规范JJF 1917010302工作线纹尺钢直尺检定规程JJG 1木直（折）尺检定规程JJG 2钢卷尺检定规程JJG 4纤维卷尺、测绳检定规程JJG 5套管尺检定规程JJG 473线缆计米器检定规程JJG 987π尺校准规范JJF 1423010401角度角度标准器角度块检定规程JJG 70正多面棱体检定规程 JJG 283多齿分度台检定规程JJG 472光学角规检定规程JJG 850010402角度角度常规测量仪器光学数显分度头检定规程JJG 57测角仪检定规程JJG 97水平仪检定器检定规程JJG 191自准直仪检定规程JJG 202小角度检查仪检定规程JJG 300旋光标准石英管检定规程JJG 864刀具预调测量仪检定规程JJG 938激光小角度测量仪检定规程JJG 998测微准直望远镜校准规范JJF 1077光学测角比较仪校准规范JJF 1078光学倾斜仪校准规范JJF 1083光学、数显分度台校准规范JJF 1114光电轴角编码器校准规范JJF 1115直角尺检查仪校准规范JJF 1140三轴转台校准规范JJF 1669倾角仪校准规范JJF 1915010403角度专用 测量仪四轮定位仪校准装置校准规范JJF 1489微机电（MEMS）陀螺仪校准规范JJF 1535捷联式惯性航姿仪校准规范JJF 1536陀螺仪动态特性校准规范JJF 1537钻孔测斜仪校准规范JJF 1550010501直线度和平面度直线度刀口形直尺检定规程JJG 63平尺校准规范JJF 1097010502直线度和平面度平面度平晶检定规程JJG 28平板检定规程JJG 117平面等倾干涉仪检定规程JJG 661研磨面平尺检定规程JJG 740平面等厚干涉仪校准规范JJF 1100010600表面粗糙度——干涉显微镜检定规程JJG 77光切显微镜校准规范JJF 1092表面粗糙度比较样块校准规范JJF 1099触针式表面粗糙度测量仪校准规范JJF 1105010701万能量具游标类量具通用卡尺检定规程JJG 30高度卡尺检定规程JJG 31电机线圈游标卡尺检定规程JJG 566010702微分类量具千分尺检定规程JJG 21内径千分尺检定规程JJG 22深度千分尺检定规程JJG 24杠杆千分尺、杠杆卡规检定规程JJG 26奇数沟千分尺检定规程JJG 182带表千分尺检定规程 JJG 427大尺寸外径千分尺校准规范JJF 1088整体式内径千分尺（6000mm~10000mm）校准规范JJF 1215测量内尺寸千分尺校准规范 JJF 1411010703指示表类 量具指示表（指针式、数显式）检定规程JJG 34杠杆表检定规程JJG 35010703万能量具指示表类 量具机械式比较仪检定规程 JJG 39百分表式卡规检定规程JJG 109扭簧比较仪检定规程JJG 118大量程百分表检定规程JJG 379深度指示表检定规程JJG 830内径表校准规范JJF 1102带表卡规校准规范JJF 1253010704角度量具直角尺检定规程JJG 7正弦规检定规程 JJG 37电子水平仪和合像水平仪检定规程JJG 103方箱检定规程JJG 194多刃刀具角度规检定规程JJG 275方形角尺检定规程JJG 1046框式水平仪和条式水平仪校准规范JJF 1084水平尺校准规范JJF 1085电子水平尺校准规范JJF 1119组合式角度尺校准规范JJF 1132通用角度尺校准规范JJF 1959010705量规类量具半径样板检定规程JJG 58塞尺检定规程JJG 62圆锥量规检定规程JJG 177光滑极限量规检定规程JJG 343标准环规检定规程JJG 894010705万能量具量规类量具针规、三针校准规范JJF 1207电子塞规校准规范JJF 1310楔形塞尺校准规范JJF 1548010801长度通用测量仪器长度常规测量仪器光学计检定规程 JJG 45工具显微镜检定规程JJG 56线纹比较仪检定规程JJG 72接触式干涉仪检定规程 JJG 101指示类量具检定仪检定规程JJG 201光栅线位移测量装置检定规程JJG 341量块光波干涉仪检定规程JJG 371读数、测量显微镜检定规程JJG 571激光干涉仪检定规程JJG 739感应同步器检定规程JJG 836测长机校准规范 JJF 1066投影仪校准规范 JJF 1093测长仪校准规范JJF 1189激光测径仪校准规范JJF 1250激光千分尺平行度检查仪校准规范JJF 1252数显测高仪校准规范JJF 1254量块比较仪校准规范JJF 1304线位移传感器校准规范JJF 1305扫描探针显微镜校准规范JJF 1351角位移传感器校准规范JJF 1352010801长度通用测量仪器长度常规测量仪器生物显微镜校准规范JJF 1402地面激光扫描仪校准规范JJF 1406数字式激光球面干涉仪校准规范JJF 1739凸轮轴测量仪校准规范JJF 1795微小孔径测量仪校准规范JJF 1806球径仪校准规范JJF 1831直线度测量仪校准规范JJF 1890激光干涉比长仪校准规范JJF 1913金相显微镜校准规范JJF 1914光学轴类测量仪校准规范JJF 1933010802坐标测量 仪器皮革面积测量机检定规程JJG 413图形面积量算仪检定规程JJG 660标准玻璃网格板检定规程JJG 832坐标测量机校准规范JJF 1064激光跟踪三维坐标测量系统校准规范JJF 1242坐标定位测量系统校准规范JJF 1251步距规校准规范JJF 1258影像测量仪校准规范JJF 1318关节臂式坐标测量机校准规范JJF 1408坐标测量球校准规范JJF 1422标准球棒校准规范JJF 1859基于结构光扫描的光学三维测量系统 校准规范JJF 1951010803测微仪气动测量仪检定规程JJG 356010803长度通用测量仪器测微仪斜块式测微仪检定器检定规程 JJG 525引伸计标定器校准规范JJF 1096电感测微仪校准规范JJF 1331激光测微仪校准规范JJF 1663光栅式测微仪校准规范JJF 1682电容式测微仪校准规范JJF 1944010804形状测量仪圆度、圆柱度测量仪检定规程JJG 429表面轮廓表校准规范 JJF 1476圆度定标块校准规范 JJF 1485010805测厚仪X射线测厚仪检定规程JJG 480磁性、电涡流式覆层厚度测量仪检定 规程JJG 818超声波测厚仪校准规范JJF 1126厚度表校准规范JJF 1255X射线荧光镀层测厚仪校准规范JJF 1306湿膜厚度测量规校准规范 JJF 1484橡胶、塑料薄膜测厚仪校准规范 JJF 1488掠入射X射线反射膜厚测量仪器校准 规范JJF 1613电解式（库仑）测厚仪校准规范JJF 1707010901齿轮测量齿轮标准器齿轮渐开线样板检定规程JJG 332齿轮螺旋线样板检定规程JJG 408标准齿轮检定规程JJG 1008010902齿轮测量 仪器跳动检查仪校准规范JJF 1109手持式齿距比较仪校准规范JJF 1121010902齿轮测量齿轮测量 仪器齿轮螺旋线测量仪器校准规范JJF 1122基圆齿距比较仪校准规范JJF 1123齿轮渐开线测量仪器校准规范JJF 1124滚刀检查仪校准规范JJF 1125铣刀磨后检查仪校准规范JJF 1138齿轮齿距测量仪校准规范JJF 1209齿轮双面啮合测量仪校准规范JJF 1233齿轮测量中心校准规范JJF 1561010903齿轮测量 量具公法线千分尺检定规程JJG 82齿厚卡尺校准规范JJF 1072圆柱直齿渐开线花键量规校准规范JJF 1557011001螺纹测量螺纹测量仪器石油螺纹单项参数检查仪校准规范JJF 1063丝杠动态行程测量仪校准规范JJF 1410螺纹量规扫描测量仪校准规范JJF 1950011002螺纹测量量具螺纹千分尺检定规程JJG 25螺纹样板检定规程JJG 60石油螺纹工作量规校准规范JJF 1108圆柱螺纹量规校准规范JJF 1345011100轴承测量——轴承内外径检查仪检定规程JJG 471球轴承轴向游隙测量仪检定规程JJG 626深沟球轴承跳动测量仪检定规程JJG 784深沟球轴承套圈滚道直径、位置测量仪检定规程JJG 785轴承套圈厚度变动量检查仪检定规程JJG 819011100轴承测量——滚动轴承宽度测量仪检定规程JJG 885滚动轴承径向游隙测量仪校准规范JJF 1089轴承套圈角度标准件测量仪校准规范JJF 1113圆锥滚子轴承套圈滚道直径、角度测量仪校准规范JJF 1545轴承圆锥滚子直径、角度和直线度比较测量仪校准规范JJF 1684011201测绘仪器及检定装置测绘仪器检定装置 经纬仪检定装置检定规程JJG 949水准仪检定装置检定规程JJG 960长度基线场校准规范JJF 1214011202测绘仪器水准标尺检定规程JJG 8全站型电子速测仪检定规程JJG 100光学经纬仪检定规程JJG 414水准仪检定规程JJG 425光电测距仪检定规程JJG 703超声波测距仪检定规程JJG 928手持式激光测距仪检定规程JJG 966工业测量型全站仪检定规程JJG 1152垂准仪校准规范JJF 1081平板仪校准规范JJF 1082全球定位系统（GPS）接收机（测地型和导航型）校准规范JJF 1118激光扫平仪校准规范JJF 1166脉冲激光测距仪校准规范JJF 1324工具经纬仪校准规范JJF 1349陀螺经纬仪校准规范JJF 1350011202测绘仪器及检定装置测绘仪器非接触式测距测速仪校准规范JJF 1612望远镜式测距仪校准规范JJF 1704011301长度其它测量仪器长度工程专用仪器焊接检验尺检定规程JJG 704刮板细度计检定规程项目子项目规程/规范名称规程/规范号020101质量天平