簡介
以雷射波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(見雷射測長技術)測量位移的通用長度測量工具。雷射干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀60年代中期出現的,最初用於檢定基準線紋尺,後又用於在計量室中精密測長。
雙頻雷射干涉儀是1970年出現的，它適宜在車間中使用。雷射干涉儀在極接近標準狀態（溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對濕度59％、C O2含量0.03％）下的測量精確度很高，可達1×10-7。
基本原理
雷射器的出現，使古老的干涉技術得到迅速發展，雷射具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點，激光干涉測量技術已經比較成熟。雷射干涉測量系統套用非常廣泛：精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲槓的檢測；精密儀器中的定位檢測系統如精密機械的控制、校正；大規模積體電路專用設備和檢測儀器中的定位檢測系統；微小尺寸的測量等。
在大多數雷射干涉測長系統中，都採用了麥可遜干涉儀或類似的光路結構。
類型
1、單頻雷射干涉儀
從雷射器發出的光束，經擴束準直後由分光鏡分為兩路，並分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈衝信號，經整形、放大後輸入可逆計數器計算出總脈衝數，再由電子計算機按計算式式中λ為雷射波長(N 為電脈衝總數)，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻雷射干涉儀時，要求周圍大氣處於穩定狀態，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。
2、雙頻雷射干涉儀
在氦氖雷射器上，加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由於塞曼分裂效應和頻率牽引效應,雷射器產生f1和f2兩個不同頻率的左鏇和右鏇圓偏振光。經1/4波片後成為兩個互相垂直的線偏振光,再經分光鏡分為兩路。一路經偏振片1後成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經偏振分光鏡後又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當可動反射鏡移動時,含有f2的光束經可動反射鏡反射後成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因都卜勒效應產生的附加頻率,正負號表示移動方向(都卜勒效應是奧地利人C.J.都卜勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運動時會產生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經偏振片 2後會合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。測量光束和上述參考光束經各自的光電轉換元件、放大器、整形器後進入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈衝信號。經可逆計數器計數後，由電子計算機進行當量換算（乘 1/2雷射波長）後即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻雷射干涉儀是套用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載於f1和f2的頻差上，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強。它常用於檢定測長機、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度，也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統。利用相應附屬檔案，還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。
全球的競爭和質量標準的要求，對工具機提出了更高的定位精度、更小的公差及更高的進給率。為了達到這些要求並生產出高品質高精度的零件，必須要測量工具機的三維體積定位精度。
產生
1604年克卜勒（J．Kepler）寫出光學著作，指出光的強度和到達光源距離的平方成反比。並於1611年出版《折射光學》。
1801年托馬斯•楊（ThomasYoung）用雙狹縫實驗演示了光的干涉現象，即著名的楊氏雙縫實驗。
1881年麥可遜（Albert．A．Michelson）設計了著名的實驗來測量“以太”漂移。當然沒測到漂移，由此導致“以太”說的破滅和相對論的誕生。它首次用於干涉儀，以鎘紅譜線與國際米原器作對比。正是由於他的工作導致後來用光的波長定義“米”。由於他在精密光學儀器、光譜和計量領域的研究工作於1907年獲得諾貝爾獎。
1960年Maiman研製成功第一台紅寶石雷射器，從此開始了光學技術飛速發展的新時代。從此，雷射干涉測量被廣泛地用於長度、角度、微觀形貌、轉速、光譜等領域，並和微電子技術、計算機技術集成，成為現代干涉儀。
1982年G．Binning和H．Rohrer研製成功掃描隧道顯微鏡，1986年發明原子力顯微鏡，1986年獲得諾貝爾獎。從此開始了干涉儀向納米、亞納米解析度和精度前進的新時代。
由於雷射具有極好的時間相干性，自問世以來，已研製出多種雷射干涉儀：單頻雷射干涉儀、雙頻雷射干涉儀、半導體雷射干涉儀、法布里-珀羅（F-P）干涉儀、X射線干涉儀等。
雷射干涉儀是雷射在計量領域中最成功的套用之一。利用光的干涉實現測量，具有非接觸、無損檢測的特點，已經在各個不同領域得到廣泛的套用。
比較
單頻的雷射器它的一個根本弱點就是受環境影響嚴重，在測試環境惡劣，測量距離較長時，這一缺點十分突出。其原因在於它是一種直流測量系統，必然具有直流光平和電平零漂的弊端。雷射干涉儀可動反光鏡移動時，光電接收器會輸出信號，如果信號超過了計數器的觸發電平則就會被記錄下來，而如果雷射束強度發生變化，就有可能使光電信號低於計數器的觸發電平而使計數器停止計數，使雷射器強度或干涉信號強度變化的主要原因是空氣湍流，工具機油霧，切削屑對光束的影響，結果光束髮生偏移或波面扭曲。這種無規則的變化較難通過觸發電平的自動調整來補償，因而限制了單頻干涉儀的套用範圍，只有設法用交流測量系統代替直流測量系統才能從根本上克服單頻雷射干涉儀的這一弱點。
而雙頻雷射干涉儀正好克服了這一弱點，它是在單頻雷射干涉儀的基礎上發展的一種外差式干涉儀。和單頻雷射干涉儀一樣，雙頻雷射干涉儀也是一種以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器，所不同者，一方面是當可動稜鏡不動時，前者的干涉信號是介於最亮和最暗之間的某個直流光平，而後者的干涉信號是一個頻率約為1.5MHz的交流信號；另一方面，當可動稜鏡移動時，前者的干涉信號是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號，而後者的干涉信號是使原有的交流信號頻率增加或減少了△f，結果依然是一個交流信號。因而對於雙頻雷射干涉儀來說，可用放大倍數較大的交流放大器對干涉信號進行放大，這樣，即使光強衰減90%，依然可以得到合適的電信號。由於這一特點，雙頻雷射干涉儀可以在恆溫，恆濕，防震的計量室內檢定量塊，量桿，刻尺和坐標測量機等，也可以在普通車間內為大型工具機的刻度進行標定，既可以對幾十米的大量程進行精密測量，也可以對手錶零件等微小運動進行精密測量，既可以對幾何量如長度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量，也可以用於特殊場合，諸如半導體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等。
總之，雙頻雷射干涉儀的優越性主要有以下幾點：
1. 精度高 雙頻雷射干涉儀以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器。即使不做細分也可達到μm 量級，細分後更可達到n m量級。(安捷倫5530雷射干涉儀線性精度能達到0.4PPM)
2. 套用範圍廣 雙頻雷射干涉儀除了可用於長度的精密測量外，測量角度、直線度、平面度、振動距離及速度等等，還可以分光進行多路測量。
3. 環境適應力強 即使光強衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號。由於這一特點，雙頻雷射干涉儀既可在恆溫、恆濕、防震的計量室內檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準器和坐標測量機，也可以在普通的車間內為大型的工具機的刻度進行標定。
套用
（1）CO2雷射干涉儀
CO2雷射器是一種非常適合無導軌雷射測量的光源，它在10.6μm波段具有豐富的譜線，相鄰譜線的波長差分布也比較均勻，構成的“合成波長鏈”的波長可從10.6μm到25m，因此，CO2雷射干涉儀一直是無導軌雷射干涉儀的研究重點。從1979年開始，由直流干涉系統到各種形式的光外差系統，CO2雷射干涉儀歷經多次改進，其中一種典型方案是上世紀九十年代澳大利亞研製的外差干涉儀，它通過雷射器的腔長控制，順序輸出6種波長，用聲光調製器的零級衍射作為本振光，構成外差系統，測量精度可達4×10-8。
（2）Ne-Xe雷射干涉儀
Ne-Xe雷射器可以輸出3.53μm和3.37μm兩個波長，合成波長為84.2μm。從“合成波長鏈”的角度考慮，波長過短難以保證測量結果的唯一性，為此，系統加入了He-Ne雷射器的3.39μm譜線，將“合成波長鏈”延伸到464μm。Ne-Xe雷射干涉儀的最大優點是結構簡單，測量精度可達1.8×10-7。
（3）He-Ne雷射干涉儀
中國計量科學研究院研製的縱向塞曼He-Ne雷射干涉儀，與成都工具研究所開發的雙頻雷射干涉儀不同，其穩頻點選在兩條雷射增益曲線之間，產生一對頻差為1080MHz的左、右鏇偏振光（這兩個偏振光不在同一增益曲線上），合成波長為278mm。利用光柵測量干涉的剩餘相位。系統測量長度可達100m，測量精度為±（40+1.5×10-6）。
He-Ne雷射器在3.39μm處譜線豐富，但其中3.3922μm譜線的自發輻射係數比其它譜線大很多，抑制了其它譜線的發射。清華大學利用甲烷在3.3922μm附近的一條吸收譜線，抑制了He-Ne雷射這條譜線的強度，成功研製出了3.39μm波段雙波長雷射干涉儀，其“合成波長鏈”從3.39μm到1m，單波穩定性為1×10-8。
（4）變波長雷射干涉儀
變波長雷射干涉儀採用兩個雷射器，利用諧振腔長與輸出頻率的關係，構成“無級”的波長系列，在理想的環境下，13m長度範圍的測量精度為70μm。
（5）線性調頻半導體雷射干涉儀
近年來，半導體雷射器線性調頻技術的發展，為無導軌雷射干涉儀提供了一個理想的光源，成為無導軌雷射干涉技術研究的熱點。1995年，德國採用了外腔可調諧式半導體雷射器，其外腔由全息光柵組成，通過改變光柵的角度進行頻率選擇，相干長度可達100m，40m長度範圍的解析度可達40μm。
無導軌雷射干涉儀技術的發展僅有二十多年的歷史，由於它在大尺寸測量中具有無可替代的重要性，因此各國學者傾注了大量精力進行研究開發，目前這項技術逐步走向實用化階段。隨著科技的發展，相信在不久的將來，無導軌雷射干涉儀技術必將成為大尺寸測量領域中的一朵艷麗的奇葩。
雙頻雷射
1、雙頻雷射干涉儀原理
雙頻雷射干涉儀的原理是建立在塞曼效應、牽引效應和都卜勒效應的基礎之上的。其原理如圖2所示，在全內腔He-Ne雷射器上加約0.03T的軸向磁場，由於塞曼效應和牽引效應，發出一束含有兩個不同頻率的左鏇和右鏇圓偏振光，它們的頻率差大約是1.5MHz左右。這束光經1/4波片之後成為兩個互相垂直的線偏振光，再經平行光管準直和擴束。從平行光管出來的這束光經過析光鏡反射出一小部分作為參考光束通過45°放置的檢偏器。並由馬呂斯定律可知，兩個垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光並產生拍頻。這個拍頻頻率恰好等於雷射器所發出的兩個光頻的差值即（f1-f2），約為1.5MHz。經光電元件接受進入前置放大器和計算機。另一部分透過析光鏡沿院方向射向偏振分光稜鏡。互相垂直的線偏振光f1和f2被分開。f2射向參考立體直角錐稜鏡後返回，f1透過偏振分光稜鏡到立體直角錐稜鏡——測量稜鏡，這時如果它以速度v運動，那么f1的返回光便有了變化成為（f1±Δf）。這束光返回後重新通過偏振分光稜鏡並與f2的返回光會合，然後到45°放置的檢偏器上產生拍頻被光電元件接收，進入前置放大器和計算機。計算機對兩路信號進行比較，計算它們之間的差值±Δf（即都卜勒頻差）。進而可以根據立體直角稜鏡移動度數和時間求得被測長度。
雙頻雷射干涉儀中，雙頻起到了調頻的作用，被測信號只是疊加在這一調頻副載波上，這副載波與被測信號一起均被接收並轉換成電信號。
2、雙頻雷射干涉儀在大尺寸測量中的套用
雙頻雷射干涉儀是精度最高、可靠性非常好的儀器，是高精度大尺寸測量中優先考慮的測量手段。
（1）雙頻雷射干涉儀測量大尺寸軸徑
雙頻雷射干涉儀是一種增量式測長儀。在時間t內，被測長度對應的都卜勒頻差為計數器記得的脈衝數K。計數器計脈衝數時，需要有信號控制計數器開始計數和停止計數，此信號由準直系統提供。當準直系統對準被測軸徑的測量起點時，發出一個開始計數信號；當準直系統對準被測的測量終點時，發出一個停止計數信號，計數器停止計數。所以準直系統對準的精度直接影響測量系統準確度。雷射準直的工作原理為，由氦氖雷射器發射出雷射，經過前端望遠鏡系統後，發射是出一束雷射束作為系統準直的基準，光電目標靶為準直系統的接收裝置，常用的是矽光電探測器。
3、雙頻雷射干涉儀在數控車床檢定中的套用
雙頻雷射干涉儀與不同光學附屬檔案結合,可以測量距離、直線度、垂直度、平行度、平面度。由於儀器為模組化結構,安裝位置靈活,便於分析工具機誤差來源;而且測量時可以在工作部件運動過程中自動採集數據,更接近工具機的實際使用狀態。與傳統的檢定方法相比,雷射干涉儀具有較高的精度和效率,並能及時處理數據,為工具機誤差修正提供依據。因此,用雙頻雷射干涉儀檢測工具機各項誤差是一種用傳統測量手段難以實現的的技術。位置精度是工具機的重要指標,目前世界各國工具機檢定標準中都推薦使用雷射干涉儀進行該項精度的檢定。用雙頻雷射干涉儀檢定位置精度使用長度干涉儀和測量反射鏡,測量時將長度干涉儀置於不動位置,反射器安裝在運動部件上(也可相反) 。
技術參數
5D/6D標準型：
1.線性：0.5ppm.
2.測量範圍：40米（1D可選80米）
3.線性分辨力：0.001um.
4.偏擺角和俯仰角的精度：（1.0+0.1/m）角秒或1%顯示較大值
5.最大範圍：800角秒
6.滾動角精度：1.0角秒
7.直線度精度：（1.0+0.2/m）um或1%顯示較大值
8.直線度最大範圍：500um
9.垂直度精度：1角秒
10.溫度精度：0.2攝氏度
11.濕度精度：5%
12.壓力精度：1mmHg
主要特點
1.同時測量線性定位誤差、直線度誤差（雙軸）、偏擺角、俯仰角和滾動角。
2.設計用於安裝在工具機主軸上的5D/6D感測器。
3.可選的無線遙控感測器最長的控制距離可到25米。
4.可測量速度、加速度、振動等參數，並評估工具機動態特性。
5.全套系統重量僅15公斤，設計緊湊、體積小，測量工具機時不需三角架。
6.集成干涉鏡與雷射器於一體，簡化了調整步驟，減少了調整時間。
7、雷射干涉儀可以同時測量線性定位誤差、直線度誤差(雙軸)、偏擺角、俯仰角和滾動角等，以及測量速度、加速度、振動等參數，並評估工具機動態特性等。
8、雷射干涉儀的光源——雷射，具有高強度、高度方向性、空間同調性、窄頻寬和高度單色性等優點。
9、雷射干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來使用。
注意事項
1、儀器應放置在乾燥、清潔以及無振動的環境中套用。
2、在移動儀器時，為防止導軌變形，應托住底座再進行移動。
3、儀器的光學零件在不用時，應在清潔乾燥的器皿中進行存放，以防止發霉。
4、儘量不要去擦拭儀器的反光鏡、分光鏡等，如必須擦拭則應當小心擦拭，利用科學的方法進行清潔。
5、導軌、絲桿、螺母與軸孔部分等傳動部件，應當保持良好的潤滑。因此必要時要使用精密儀表油潤滑。
6、在使用時應避免強鏇、硬扳等情況，合理恰當的調整部件。
7、避免劃傷或腐蝕導軌面絲桿，保持其不失油。
維護
1、儀器應妥善地放在乾燥、清潔的房間內，防止振動，儀器搬動時，應托住底座，以防導軌變形。
2、光學零件不用時，應存放在清潔的乾燥盆內，以防止發霉。反光鏡、分光鏡一般不允許擦拭，必要擦拭時，須先用備件毛刷小心撣去灰塵，再用脫脂清潔棉花球滴上酒精和乙醚混合液輕拭。
3、傳動部件應有良好的潤滑。特別是導軌、絲桿、螺母與軸孔部分，套用T5精密儀表油潤滑。
4、使用時，各調整部位用力要適當，不要強鏇、硬扳。
5、導軌面絲桿應防止劃傷、鏽蝕，用畢後，仍保持不失油狀態。
6、經過精密調整的儀器部件上的螺絲，都塗有紅漆，不要擅自轉動。
