激光是60年代末興起的一種新型光源，廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。它與普通光比具有許多特殊性能：
1．高度相干性
相干波是指兩個(gè)具有相同方向、相同頻率和相位差相同的波。普通光源是自發(fā)輻射光，是非相干光。激光是受激輻射光，具有高度的相干性。
2．方向性好
普通光向四面八方發(fā)光，而從激光器發(fā)出來的激光，其發(fā)散角很小，幾乎與激光器的反射鏡面垂直。如配置適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，其發(fā)散角可小到10的-4次方rad下幾乎是一束平行光。
3高度單色性
普通光源包含許多波長(zhǎng)，所以具有多種顏色。如日光包含紅、橙、黃、綠、青藍(lán)、紫七種顏色，其相應(yīng)波長(zhǎng)從380～760mm。激光的單色性高，如氦氖激光的譜線寬度只有10的-6次方nm
4．亮度高
由于激光束極窄，所以有效功率和照度特別高。
由于激光有以上特性，因而廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離，高精度的位置檢測(cè)。
在高精度的磨床、鏜床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，要求有高精度的機(jī)床位置檢測(cè)裝置及定位系統(tǒng)，此時(shí)經(jīng)常使用雙頻激光干涉儀作為機(jī)床的測(cè)量裝置，而在精密機(jī)床上，高精度的雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)是精密位置測(cè)量的決定性因素。本節(jié)重點(diǎn)介紹雙頻激光干涉儀的工作原理。雙頻激光干涉儀是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)來進(jìn)行位置檢測(cè)的。
激光干涉法測(cè)距原理：
根據(jù)光的干涉原理，兩列具有固定相位差，而且有相同頻率、相同的振動(dòng)方向或振動(dòng)方向之間夾角很小的光相互交疊，將會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，如圖3—32所由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡A分成反射光束s1和透射光束s2。兩光束分別由固定反射鏡M1和可動(dòng)反射鏡M2反射回來，兩者在分光鏡處匯合成相干光束若兩列光sl和s2的路程差為Nλ(λ為波長(zhǎng)，N為零或正整數(shù))，實(shí)際合成光的振幅是兩個(gè)分振幅之和，光強(qiáng)****，如圖3—33a所示。當(dāng)s1和s2的路程差為NA／2(或半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍)時(shí)，合成光的振幅和為零，如圖3—33b所示，此時(shí)，光強(qiáng)最小。
．激光干涉儀就是利用這一原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接受并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過處理后由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的檢測(cè)由于激光的波長(zhǎng)極短，特別是
激光的單色性好，其波長(zhǎng)值很準(zhǔn)確。所以利用涉法測(cè)距的分辨率至少為λ／2，利用現(xiàn)代電子技術(shù)還可測(cè)定0．01個(gè)光干涉條紋。因此，用光干涉法測(cè)距的精度極高。激光干涉儀是由激光管、穩(wěn)頻
器光學(xué)干涉部分、光電接受元件、計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器組成。目前應(yīng)用較多的是雙頻激光干涉儀。
多普勒效應(yīng)：
雙頻激光測(cè)量原理是建立在多普勒效應(yīng)基礎(chǔ)之上的。多普勒效應(yīng)是一種很重要的波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)光源以速度μ遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，觀察者接收到的光源的頻率廠與光源靜止時(shí)的頻率廠存在差值△f稱為多普勒頻差。
對(duì)于光波來說，不論光源與觀察者的相對(duì)速度如何，測(cè)得的光速都是一樣的即測(cè)得的光頻率與波長(zhǎng)雖有所改變，但兩者的乘積即光速保持不變。光源從觀察者離開時(shí)與觀察者從光源離開時(shí)有完全相同的多普勒頻率，由相對(duì)理論給出的光的多普勒頻率為
式中：c為光速。
利用二項(xiàng)式展開，當(dāng)u／c比值很小而略去高次項(xiàng)時(shí)，并用v代替u，就可得出
雙頻激光干涉儀：
雙頻激光干涉儀的基本原理與單頻激光干涉儀不同，是一種新型激光干涉儀如圖3—34所示。它是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)(此處指由于振源相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的頻率變化的現(xiàn)象)產(chǎn)生頻差的原理來進(jìn)行位置檢測(cè)的。
激光管放在軸向磁場(chǎng)內(nèi)，發(fā)出的激光為方向相反的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，其振幅相同，但頻率不同，分別表示為f1和f2，經(jīng)分光鏡Ml，一部分反射光經(jīng)檢偏器射入光電元件DI作為基準(zhǔn)頻率f基(f基=f2一f1)。另一部分通過分光鏡M1的折射光到達(dá)分光鏡M2的a處，頻率為f2的光束完全反射，經(jīng)濾光器變?yōu)榫�偏振光，投射到固定棱鏡M3后反射到分光鏡M2的b處。頻率為f1的光束折射
經(jīng)濾光器變?yōu)榫�偏振光，投射到可動(dòng)棱鏡M4后也反射到分光鏡M2的b處，兩者產(chǎn)生相干光束。若M4移動(dòng)，則反射光的頻率發(fā)生變化而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，其頻差為多普勒頻差△f
頻率為f′=f1±△f的反射光與頻率為f2的反射光在b處匯合后，經(jīng)檢偏器投入光電元件D2，得到測(cè)量頻率f測(cè)=f2一(f±△f)的光電流，這路光電流與經(jīng)光電元件D1后得到頻差為f基的光電流，同時(shí)經(jīng)放大器放大進(jìn)入計(jì)算機(jī)，經(jīng)減法器和計(jì)數(shù)器，即可算出差值±差△f，并按下式計(jì)算出可動(dòng)棱鏡M4的移動(dòng)速度v和移動(dòng)距離L.
式中，N為由計(jì)算機(jī)記錄下來的脈沖數(shù)，將脈沖數(shù)乘以波長(zhǎng)就得到所測(cè)位移的長(zhǎng)度。
激光干涉儀作為一種高精度的位移測(cè)量裝置，目前在數(shù)控機(jī)床上主要用于伺服定位精度。重復(fù)定位精度等的檢驗(yàn)；在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中作螺距誤差補(bǔ)償?shù)男ｒ?yàn)基準(zhǔn)，以及對(duì)各種常用位移測(cè)量裝置(如感應(yīng)同步器、磁柵和光柵)的測(cè)量誤差補(bǔ)償?shù)男ｒ?yàn)基準(zhǔn)。而在機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)，由于價(jià)格昂貴，目前使用還較少。
