激光通过迈克尔干涉仪

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。

激光干涉技术主要应用光波的空间相干特性。具体而言，对于两束光波或电磁波等横波，当波长相等、且相位差为2π整数倍时，合成波的振幅叠加增强至最大；当相位差为π奇数倍时，合成波的振幅抵消减小至最小。早在十九世纪下半叶，科学家们就已发明了多种原理干涉结构装置用于科学研究，其中最著名的是迈克尔逊-莫雷干涉试验，该实验采用钠光源平均谱线近似单色光进行干涉测量，从而否定了“以太”的假说。图1 迈克尔逊-莫雷干涉试验激光干涉仪的构成真正促进干涉技术巨大进步的契机是1960年激光器的发明。激光由于具有极窄的谱线，因而具有非常优秀的空间相干性。目前激光干涉仪主要的用途包括精准的尺寸和移动距离测量，测量准确度最高可以达到纳米甚至亚纳米量级。在构成上激光干涉仪最常使用的波长为632.8 nm，对于经典的迈克尔逊干涉测量原理，由激光器中出射的单色激光经过50:50半透半反的分束镜后分为2束光束，其中一束经过固定的光程后被反射镜反射，称为参考光束；另外一束光束由于存在被测对象，被反射镜反射后光程发生改变(距离或折射率变化引起)，称为测量光束。当两束光被反射后在分束镜第二次合成并随后照射探测器上被接收后，将产生干涉条纹的移动。由之前的光波的叠加性可知，假设测量光路距离变化为316.4 nm，当只存在一去程一回程的情况下，此时干涉条纹相位变化2π。目前商用激光干涉仪普遍采用两去程两回程，同时采用1024倍电子细分卡，因此分辨率可达0.16 nm。图2 激光干涉仪原理构造激光干涉仪的应用现状1. 在工业领域应用随着理论研究的深入和技术的不断进步，激光干涉测量技术目前精彩纷呈，在多个领域中都得到了非常广泛的应用。 包括单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、激光平面干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、皮米激光干涉仪、多波长干涉测距等。 单频和双频激光干涉仪。测量具有非接触和无损检测的特点，能够在线测量长度、角度和转速等参数，因此已成为各国精密数控机床在线定位精度测量的最主要标准之一。在精密加工过程中，位置精度是机床的重要指标，激光干涉仪通过在线位置测量、实时数据处理实现机床误差修正。另外在集成电路制造中，激光干涉仪也是光刻机在线位移测量的核心部件。图3 激光干涉仪在精密机床中的应用激光平面干涉仪。激光干涉仪不仅可以用于测量长度、角度以及位移，也可以测量物体的表面形貌。测量基本原理为激光菲索(Fizeau)干涉，激光经过扩束后先后经过参考平面和待测平面，两个平面的反射光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统接收。分析条纹形状即可判断是否存在缺陷。图4 激光平面干涉仪皮米激光干涉仪。现在随着微纳测量分辨率要求的进一步提高，出现了商品化的皮米激光干涉仪。皮米激光干涉仪采用包覆光纤作为激光传输介质，有效减小了空气折射率扰动对测量的影响；同时在干涉方式上干涉仪采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理，是一种多倍程干涉，进一步提高了分辨率。 图5 皮米激光干涉仪多波长干涉绝对测距。采用单波长干涉测距虽然分辨率可达到纳米级，但是单波长干涉测距是相对测量，且测量时光路不能中断，而多波长干涉能很好解决这个问题。因为在干涉测距中波长就像一把量尺，但如果测量距离大于这把量尺，则需要多次拼接测量。多波长干涉能形成很长的等效波长，使量尺范围大于被测距离，实现绝对距离测量。图6 多波长干涉绝对测距光相控阵雷达。随着自动驾驶技术的高速发展，现在激光干涉技术也应用在光相控阵(OPA)激光雷达(LiDAR)中。激光雷达会产生一系列密集超短激光脉冲扫描周围物体，通过脉冲返回时长差判断距离和轮廓。光相控阵雷达利用光栅干涉原理，可以通过改变不同狭缝中入射光线的相位差来改变光栅后中央条纹(主瓣)位置，从而控制激光雷达光束的指向和转向。 图7 激光干涉技术在光相控阵雷达中的应用2. 在科学研究方面应用激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO用于验证广义相对论预言的引力场扰动产生的时空扭曲。它本质上是一个超大型迈克尔逊干涉仪，由2条4千米长的互相垂直的臂构成，同时光线还会在臂内折返300次。当引力波会产生空间弯曲，干涉结果也会轻微变化。2017年美国科学家借助LIGO观测到双中子星合并引力波事件并获得了诺贝尔物理学奖。图8 激光干涉引力波天文台(LIGO)激光全息干涉测量技术。利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量。图9 激光全息干涉测量技术作者：中国计量科学研究院副研究员 李琪