激光干涉仪原理
图 1：由两点同时激发产生的水波干涉，形成了振幅增大（黑色/白色）或减小（灰色）的区域。
光学干涉仪的工作原理与此类似。当光波发生重叠时，它们会相互干涉，从而合成一个复合波。根据波峰与波谷相互吻合的程度，这种干涉会导致合成波的振幅增大（即相长干涉）或减小（即相消干涉）。
想象一下，如果你拥有一把能精确测量原子宽度的尺子，或者一台能探测到时空涟漪的超级显微镜。这并非科幻小说里的情节，而是激光干涉技术（Laser Interferometry）带来的现实——这项技术正在彻底改变我们探索宇宙最微小角落的能力。
激光干涉仪是一种用于测量微观位移、折射率变化或检查表面不规则度的精密仪器。它提供极高精度的非接触式测量，是计量学中最精确的测量方法之一。半导体制造、航空航天和材料研究等行业都高度依赖这种精度，使其成为推动技术进步的关键力量。
那么，干涉测量法是如何运作的呢？
想象一下你正站在池塘边打水漂。当不同石头激起的两圈水波相遇时，它们会形成一种特定的图案——有时波浪叠加在一起，形成更大的波浪；有时它们又相互抵消，形成平静的水面。
图 2：取决于两列波相位差的不同干涉类型。相消干涉（180° 相位差）、波干涉（90° 相位差）、相长干涉（0° 相位差）。
这种干涉现象受到多种因素的影响，其中主要包括各个光波的相位和波长。在保持波长恒定的前提下，通过检测光强并分析干涉图样，就可以推断出各个光波之间的相位差。由于相位差与外部物理变化（例如反射镜的位移）直接相关，因此我们可以利用这种关系，以极高的精度将相位差转换为位移量。
与白光干涉测量（主要用于表面分析）不同，接下来的内容将重点介绍激光干涉测量。该技术采用单色、定向且相干的光源，极其适合用于高精度的定点位移测量。
光学激光干涉仪系统
在光学激光干涉测量中，至少需要两束光波发生干涉。其中一束光由待测目标反射，随后通过探测器监测由此产生的干涉图样。激光干涉仪主要分为两大类型：
- 外差式（Heterodyne）：利用波长略有不同的两束光发生干涉。
- 零差式（Homodyne）：利用波长完全相同的两束光发生干涉。
零差式系统由于结构复杂度较低，因此具有显著的成本效益优势。这使得前沿的激光干涉技术得以拓展至更广泛的应用领域，并突破了光学编码器等传统设备的精度局限。零差式激光干涉仪有多种设计方案，接下来我们将重点介绍最常见的一种——迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer），以及一种经过特殊优化、具备极高鲁棒性、热稳定性和紧凑性的设计——法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot Interferometer）。
图 3：迈克尔逊干涉仪的光学布局，包含用于产生干涉的分光镜和参考镜。
迈克尔逊干涉仪：
来自激光光源的光束首先通过分光镜被分为参考光束和测量光束。这两束光经反射后重新汇合并发生干涉。通过分析干涉强度的变化，即可确定目标位置的改变量。
然而，该系统存在一个明显的缺点：为了仅测量目标的位移（而非目标与参考镜运动的叠加），参考光束必须保持绝对稳定。但在实际应用中，参考光束会受到空气折射率变化、热膨胀等多种误差源的影响，因此所谓的“绝对稳定”在事实上是无法实现的。
图 4：法布里-珀罗（Fabry-Pérot）干涉仪的光学布局，包含用于产生干涉的半透明表面。
法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot Interferometer）：
如果将迈克尔逊干涉仪中的分光镜替换为一个半透明表面，测量光束便会与由该半透明表面反射回来的那部分光发生干涉。这种设计彻底免除了对独立参考臂的需求，从而消除了一大主要干扰源，赋予了系统卓越的测量稳定性和极高的紧凑性。
图 5：基于光纤的 IDS3010 位移干涉仪的工作原理，该干涉仪基于法布里-珀罗（Fabry-Pérot）原理，并附加了一个相位偏移 90° 的余弦信号。
attocube IDS3010 激光干涉仪：
IDS3010 的工作原理是将半导体激光器发出的光通过光纤传输至传感器头。该传感器头是一个基于前述法布里-珀罗（Fabry-Pérot）原理的纯光学组件。在光纤末端，4% 的光被反射回来形成参考光束，而其余的光则由传感器头的光学元件准直或聚焦，形成射向目标物体的测量光束。测量光束从目标表面反射，在重新进入光纤时与参考光束发生干涉。该干涉信号沿光纤传回探测器，探测器会根据目标物体的位置显示呈正弦变化的干涉光强。为了检测小于光波长的微小位置变化并确定位移方向，系统通过高频波长调制生成了第二个相位偏移 90° 的余弦信号。
在硬件架构上，IDS3010 采用紧凑型基础模块外壳，内部集成了半导体激光二极管和电子控制单元。该半导体激光器的波长通过一个充有乙炔气体的气室来保持极高的稳定性，因为乙炔气体在特定波长处具有天然恒定的吸收峰。控制回路对激光波长进行调节，其扩展不确定度（k=2）仅为 ±0.3 pm，并获得了美国国家标准与技术研究院（NIST）的认证。这种精确的波长参考确保了高精度测量所必需的准确性与可溯源性。
图 6：用于三轴同步测量的 IDS3010 位移干涉仪基础单元，以及一个适用于中短工作距离的光纤传感器头。
与传统激光干涉仪相比，IDS3010 采用独特的光纤传输概念，配备超紧凑的光学法布里-珀罗（Fabry-Pérot）传感器头和耐用的半导体激光器，不仅实现了纳米级的精确位移测量，还具备易于集成和总体拥有成本低的优势。此外，该传感器头甚至能够部署在极端环境（如超高真空、深冷或高温环境）中运行的系统内，从而为前沿应用中的关键挑战提供了全新的解决思路。
动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪
attocube 的激光位移传感器用于测量目标的直线运动。这款微型化的干涉仪设备支持三轴测量。它基于法布里-珀罗（Fabry-Pérot）干涉仪原理（点击此处了解底层技术及各类干涉仪概念的更多信息），可实现从几毫米到数米的大范围工作距离。该激光干涉仪能够针对不同的材料和几何形状进行极高精度的测量。
attocube 拥有专利的光纤技术，不仅提供了模块化的测量方案，还配备了极为紧凑的激光传感器头。此外，该技术还可用于振动测量、旋转跳动测量或机床校准。其输出的位置信号可作为闭环定位系统的输入。
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Q1：传统单频激光干涉仪非线性较差？
A1：动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪采用自动系统补偿功能，从源头上最大限度减小非线性误差。该功能还允许在特定位置动态和静态地测量补偿后的残余非线性误差，非线性误差可进一步降至 2 nm p-p 以下。
Q2：与传统的氦氖（HeNe）激光器干涉仪相比寿命更长么？需要定期维护么？
A2：动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪采用的基于分布反馈（DFB）激光器的干涉仪具有显著更长的使用寿命，使其成为全天候（24/7）连续运行的理想选择。传统的氦氖激光管通常在几年后就需要更换，而 IDS3010 的设计寿命可达 10 年且能保持稳定的性能，从而有效降低了 OEM（原始设备制造商）应用中的总体拥有成本。而且不需要定期维护。
Q3：皮米激光干涉仪分辨率（噪声）真的能到皮米么？
A3：是的。动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪的分辨率不仅仅是数显位数能到皮米。也不仅仅是依赖于降采样，低带宽，增加滤波器等方法实现皮米分辨率。动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪从源头降低激光相位噪声（源自分布反馈（DFB）激光器）以及电子噪声（探测器及电子元件产生），提高信号对准质量（光纤耦合效率、谐振腔精细度），1m工作距，1000hz采样带宽下，分辨率在亚纳米级；40mm工作距，增加环境控制的情况下，1000hz采样带宽下，分辨率均方根值高达33pm，真正意义上做到皮米级分辨率。
Q4：激光干涉仪波长稳定性有多高？
A4：动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪采用的乙炔参比气室实现了高达 10 ppb (k=1) （60小时测量）的卓越精度。德国国家计量院（PTB）的长期校准结果证实了该设备在多年内具有出色的稳定性，从而支持了其在长达 10 年的整个使用寿命期间都能保证该精度规格的承诺。
Q5：激光干涉仪的精度指标有溯源报告么？
A5：在标准出厂校准下，ECU 可实现 200 ppb (k=1) 的环境补偿精度；若选择经 DAkkS（德国认证认可机构）认可的实验室进行校准，补偿精度可进一步提升至 100 ppb (k=1)。德国国家计量院（PTB）的认证结果也证实，整个干涉仪系统具有极低的平均系统误差。
| 项目 | 参数/描述 |
|---|---|
| 类型 | 基于光纤的激光干涉测量系统 |
| 传感器探头环境兼容性 | 环境大气、超高真空 (UHV)、低温 |
| 传感器轴数 | 3 |
| 工作距离 | 0 – 5 m（具备可选长距离功能时可达 30 m） |
| 目标反射率 | 4 - 100 % |
| 最大目标速度 | 2 m/s |
| 最大测量带宽 | 10 MHz |
| 传感器分辨率 | 1pm |
| 波长精度 (10年) | 10 ppb = 10 nm/m (k = 1) ² |
| 环境补偿精度 | 200 ppb (k = 1) ² |
| 周期性非线性误差 (峰峰值) | 保证值 5 nm ³，典型值 3 nm ³ |
| 激光频率稳定性 (60小时) | 10 ppb = 10 nm/m (k = 1) ² |
| 激光等级 | 1 |
| 预期寿命 | 10 年 ² |
| 平均无故障时间 (电子设备) | 51 年 ² |
| 预热时间 | 不需要 |
| 绝对位置参考 | 微米级（高度取决于装置稳定性） |
动智精密 attocube IDS3010激光干涉仪
attocube 的激光位移传感器用于测量目标的直线运动。这款微型化的干涉仪设备支持三轴测量。它基于法布里-珀罗（Fabry-Pérot）干涉仪原理（点击此处了解底层技术及各类干涉仪概念的更多信息），可实现从几毫米到数米的大范围工作距离。该激光干涉仪能够针对不同的材料和几何形状进行极高精度的测量。
attocube 拥有专利的光纤技术，不仅提供了模块化的测量方案，还配备了极为紧凑的激光传感器头。此外，该技术还可用于振动测量、旋转跳动测量或机床校准。其输出的位置信号可作为闭环定位系统的输入。