現(xiàn)代加工和測(cè)量設(shè)備的坐標(biāo)系統(tǒng)有兩大類(lèi)：直角坐標(biāo)系和并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)精確定位需要控制的21項(xiàng)幾何誤差和相應(yīng)數(shù)目的熱誤差。測(cè)量參數(shù)類(lèi)型可分為：長(zhǎng)度、俯仰角、偏擺角、滾轉(zhuǎn)角、直線度/同軸度、垂制度。為了測(cè)量并聯(lián)機(jī)構(gòu)的空間位姿需要多站跟蹤干涉儀。為了達(dá)到納米精度和小的非線性需要特殊的納米干涉儀。小型非接觸測(cè)頭更是目前超精密加工和測(cè)量關(guān)注的焦點(diǎn)。 前述參數(shù)中，長(zhǎng)度、俯仰角、偏擺角在一般情況下是成熟技術(shù)，但是因?yàn)楝F(xiàn)代加工設(shè)備已經(jīng)達(dá)到1m/s的速度，現(xiàn)有的雙頻干涉儀不能滿(mǎn)足要求（現(xiàn)有單頻商用干涉儀雖然可以達(dá)到1m/s,但不能多路測(cè)量，也不符合要求）。所以測(cè)長(zhǎng)還是需要繼續(xù)研究。本科研組曾經(jīng)研制成功縱向塞曼“遠(yuǎn)程直線度同軸度干涉儀”并于1998年獲得北京市科技進(jìn)步2等獎(jiǎng)，為克服熱影響，機(jī)體加長(zhǎng)約100mm，希望改進(jìn)。垂直度可以由直線度和空心五角棱鏡一起解決。所以研究?jī)?nèi)容確定為七種新型干涉儀：高速測(cè)長(zhǎng)干涉儀、滾轉(zhuǎn)角干涉儀、橫向塞曼直線度/同軸度干涉儀、納米干涉儀、633納米可調(diào)諧半導(dǎo)體激光絕對(duì)測(cè)長(zhǎng)干涉儀、無(wú)泄漏單光束干涉儀（用來(lái)構(gòu)成多站跟蹤干涉儀）、方便調(diào)整的可裝入加工中心的三軸干涉儀。針對(duì)不同應(yīng)用目標(biāo)，本成果研究成功5MHz雙反射膜雙頻穩(wěn)頻激光器和300KHz橫向塞曼穩(wěn)頻激光器和633可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器。以適應(yīng)七種干涉儀的需要。 本成果體現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的連續(xù)性。 塞曼激光器的最高頻差為3MHz左右，為了得到5MHz頻差必須另尋出路。偏振雙反射膜腔鏡是使應(yīng)變轉(zhuǎn)移到腔鏡膜層上，使反射光相位變化不同，從而產(chǎn)生頻率分裂，頻差和應(yīng)變成比例。如果膜層不合適就需要加較大應(yīng)力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算，本組發(fā)現(xiàn)在相位色散突變位置可以得到合適的解答。除此而外，激光窗片封接過(guò)程的應(yīng)力也會(huì)形成雙反射作用。最后還有一個(gè)條件：應(yīng)變方向和磁場(chǎng)方向接近平行才能出現(xiàn)雙頻。這也證明了這是不同于塞曼型的全新的激光器。 用雙頻激光測(cè)量滾轉(zhuǎn)角，通常認(rèn)為精度不可能提高，本組發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙頻分量稍有橢圓化會(huì)產(chǎn)生很大的非線性，它又在數(shù)百角秒的范圍是接近線性的，我們以半波片為傳感元件、直角棱鏡作反射器，使靈敏度在非線性增強(qiáng)的基礎(chǔ)上又增加4倍。樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)的倍增系數(shù)為110倍。達(dá)到實(shí)用水平。 橫向塞曼激光器因頻差�。�300KHz左右）曾經(jīng)被遺忘，可是有些應(yīng)用不需要高頻差。而他直接輸出線偏振光、特性曲線適于頻率鎖定的優(yōu)點(diǎn)是吸引人的，在誤差補(bǔ)償中要測(cè)量幾十個(gè)參數(shù)需要幾臺(tái)激光器，當(dāng)然允許使用不同種類(lèi)的光源。在不需要高測(cè)速的情況下，頻差小反而減輕數(shù)據(jù)處理電路負(fù)擔(dān)，有利于降低成本。納米測(cè)量和同軸度需要更高的穩(wěn)頻精度，為此研究了使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)建模方法，即從預(yù)熱過(guò)程模間隔時(shí)間的逐漸加長(zhǎng)自動(dòng)擬合出熱平衡曲線、確定加熱電壓的變化。橫向塞曼直線度同軸度干涉儀就是因?yàn)榧す馄鞯奶攸c(diǎn)，穩(wěn)定性更高，體積也減小了。 納米測(cè)量的非線性是指在半波長(zhǎng)移動(dòng)范圍分度的均勻一致性。本組不但進(jìn)行理論分析而且進(jìn)行了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為此設(shè)計(jì)了差動(dòng)納米干涉儀和計(jì)量院的FP干涉儀進(jìn)行了比對(duì)，證明了理論推導(dǎo)的正確性，證明雙頻信號(hào)的可見(jiàn)度和非線性誤差成比例，給出儀器調(diào)整的判據(jù)。 為了克服熱漂移又研究了達(dá)曼光柵納米干涉儀。光柵干涉儀已經(jīng)出現(xiàn)多年，為了達(dá)到納米分辨率無(wú)一例外地采用1000線對(duì)的光柵。計(jì)量用光柵做到這樣細(xì)的線條價(jià)格十分可觀，實(shí)際上無(wú)法推廣應(yīng)用。本組提出用橫向塞曼激光器作光源，用光學(xué)8倍頻光路，其要點(diǎn)是：正負(fù)一級(jí)衍射光合成、光柵像成在光柵上、用兩次通過(guò)1/4波片使一路光的偏振面轉(zhuǎn)過(guò)90度。最后再比相測(cè)量。用50－100線對(duì)的光柵就可得到亞納米分辨率（0.3-0.6nm)。 633nm可調(diào)諧半導(dǎo)體激光在國(guó)際上剛剛出現(xiàn)，價(jià)格2萬(wàn)多美元。我們利用國(guó)產(chǎn)元件毛片（30個(gè)芯片在一個(gè)基片上），經(jīng)過(guò)增透、切片、封裝，配以腔鏡并增加腔內(nèi)可旋轉(zhuǎn)平行玻璃板實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，研制成功。以此作光源實(shí)現(xiàn)一種差動(dòng)式無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量干涉儀。這種方法可以實(shí)現(xiàn)非接觸光學(xué)測(cè)頭。 為了測(cè)量空間坐標(biāo)多站跟蹤干涉儀是一個(gè)很好的方法。但是通常需要3－4臺(tái)激光頭和干涉儀。作一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要20幾萬(wàn)美元的設(shè)備。再加上國(guó)際上出現(xiàn)折射率為2的材料制成的貓眼，我們國(guó)家研制有困難，似乎很難介入該領(lǐng)域。我們研制成功無(wú)泄漏單光束干涉儀，在光電探測(cè)器前不用普通檢偏器，改用偏振分光棱鏡，透過(guò)光給光電探測(cè)器，反射光給跟蹤探測(cè)器，全部光能都被利用。因而一個(gè)激光頭就可以帶動(dòng)3－4個(gè)干涉儀。使成本降低一半。我們用光學(xué)玻璃設(shè)計(jì)了超半球貓眼，性能優(yōu)于n=2貓眼。（現(xiàn)在研制n=2貓眼的日本人也承認(rèn)不好了，因?yàn)椴牧喜痪鶆�、能量損失大）我們用一個(gè)激光頭帶3個(gè)干涉儀測(cè)量了數(shù)控加工中心的主軸熱誤差，因?yàn)槲覀兊南到y(tǒng)采樣速度高且同步采集，無(wú)需貓眼和主軸完全同心，成功測(cè)出主軸熱漂移，工廠由此發(fā)現(xiàn)了主軸冷卻系統(tǒng)的問(wèn)題，進(jìn)行改進(jìn)。 裝在設(shè)備中的三軸干涉儀本是成熟技術(shù)。儀器研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)反射鏡位置偏差導(dǎo)致偏振面偏轉(zhuǎn)。調(diào)整反射鏡的機(jī)構(gòu)不好設(shè)計(jì)，因?yàn)槿菀渍{(diào)節(jié)和穩(wěn)定性往往有矛盾。我們?cè)诙啻畏瓷湟院蟮墓馐性黾?/2波片，把偏振面轉(zhuǎn)到正確位置，方便調(diào)整、狀態(tài)穩(wěn)定。
