現(xiàn)代加工和測量設(shè)備的坐標系統(tǒng)有兩大類：直角坐標系和并聯(lián)機構(gòu)。為實現(xiàn)精確定位需要控制的21項幾何誤差和相應數(shù)目的熱誤差。測量參數(shù)類型可分為：長度、俯仰角、偏擺角、滾轉(zhuǎn)角、直線度/同軸度、垂制度。為了測量并聯(lián)機構(gòu)的空間位姿需要多站跟蹤干涉儀。為了達到納米精度和小的非線性需要特殊的納米干涉儀。小型非接觸測頭更是目前超精密加工和測量關(guān)注的焦點。 前述參數(shù)中，長度、俯仰角、偏擺角在一般情況下是成熟技術(shù)，但是因為現(xiàn)代加工設(shè)備已經(jīng)達到1m/s的速度，現(xiàn)有的雙頻干涉儀不能滿足要求（現(xiàn)有單頻商用干涉儀雖然可以達到1m/s,但不能多路測量，也不符合要求）。所以測長還是需要繼續(xù)研究。本科研組曾經(jīng)研制成功縱向塞曼“遠程直線度同軸度干涉儀”并于1998年獲得北京市科技進步2等獎，為克服熱影響，機體加長約100mm，希望改進。垂直度可以由直線度和空心五角棱鏡一起解決。所以研究內(nèi)容確定為七種新型干涉儀：高速測長干涉儀、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)諧半導體激光絕對測長干涉儀、無泄漏單光束干涉儀（用來構(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。針對不同應用目標，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)諧外腔半導體激光器。以適應七種干涉儀的需要。 本成果體現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到應用研究的連續(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，頻差和應變成比例。如果膜層不合適就需要加較大應力，通過實驗研究和理論計算，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，激光窗片封接過程的應力也會形成雙反射作用。最后還有一個條件：應變方向和磁場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。 用雙頻激光測量滾轉(zhuǎn)角，通常認為精度不可能提高，本組發(fā)現(xiàn)當雙頻分量稍有橢圓化會產(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的基礎(chǔ)上又增加4倍。樣機上實現(xiàn)的倍增系數(shù)為110倍。達到實用水平。 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)點是吸引人的，在誤差補償中要測量幾十個參數(shù)需要幾臺激光器，當然允許使用不同種類的光源。在不需要高測速的情況下，頻差小反而減輕數(shù)據(jù)處理電路負擔，有利于降低成本。納米測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實現(xiàn)的預測建模方法，即從預熱過程模間隔時間的逐漸加長自動擬合出熱平衡曲線、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為激光器的特點，穩(wěn)定性更高，體積也減小了。 納米測量的非線性是指在半波長移動范圍分度的均勻一致性。本組不但進行理論分析而且進行了嚴格的實驗驗證，為此設(shè)計了差動納米干涉儀和計量院的FP干涉儀進行了比對，證明了理論推導的正確性，證明雙頻信號的可見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曼光柵納米干涉儀。光柵干涉儀已經(jīng)出現(xiàn)多年，為了達到納米分辨率無一例外地采用1000線對的光柵。計量用光柵做到這樣細的線條價格十分可觀，實際上無法推廣應用。本組提出用橫向塞曼激光器作光源，用光學8倍頻光路，其要點是：正負一級衍射光合成、光柵像成在光柵上、用兩次通過1/4波片使一路光的偏振面轉(zhuǎn)過90度。最后再比相測量。用50－100線對的光柵就可得到亞納米分辨率（0.3-0.6nm)。 633nm可調(diào)諧半導體激光在國際上剛剛出現(xiàn)，價格2萬多美元。我們利用國產(chǎn)元件毛片（30個芯片在一個基片上），經(jīng)過增透、切片、封裝，配以腔鏡并增加腔內(nèi)可旋轉(zhuǎn)平行玻璃板實現(xiàn)調(diào)諧，研制成功。以此作光源實現(xiàn)一種差動式無導軌測量干涉儀。這種方法可以實現(xiàn)非接觸光學測頭。 為了測量空間坐標多站跟蹤干涉儀是一個很好的方法。但是通常需要3－4臺激光頭和干涉儀。作一個實驗需要20幾萬美元的設(shè)備。再加上國際上出現(xiàn)折射率為2的材料制成的貓眼，我們國家研制有困難，似乎很難介入該領(lǐng)域。我們研制成功無泄漏單光束干涉儀，在光電探測器前不用普通檢偏器，改用偏振分光棱鏡，透過光給光電探測器，反射光給跟蹤探測器，全部光能都被利用。因而一個激光頭就可以帶動3－4個干涉儀。使成本降低一半。我們用光學玻璃設(shè)計了超半球貓眼，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不好了，因為材料不均勻、能量損失大）我們用一個激光頭帶3個干涉儀測量了數(shù)控加工中心的主軸熱誤差，因為我們的系統(tǒng)采樣速度高且同步采集，無需貓眼和主軸完全同心，成功測出主軸熱漂移，工廠由此發(fā)現(xiàn)了主軸冷卻系統(tǒng)的問題，進行改進。 裝在設(shè)備中的三軸干涉儀本是成熟技術(shù)。儀器研制過程中發(fā)現(xiàn)反射鏡位置偏差導致偏振面偏轉(zhuǎn)。調(diào)整反射鏡的機構(gòu)不好設(shè)計，因為容易調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性往往有矛盾。我們在多次反射以后的光束中增加1/2波片，把偏振面轉(zhuǎn)到正確位置，方便調(diào)整、狀態(tài)穩(wěn)定。
