在光通信、半导体制造、精密加工等前沿领域，“纳米级精度”早已不是实验室里的概念，而是决定产品性能与良率的硬指标。而实现这一精度的关键“尺子”，正是激光干涉仪。

本期逐光研学从激光干涉仪的基本原理出发，解析迈克尔逊干涉测量如何实现纳米级分辨力，并以OMTOOLS高精密三维电动平移台OMFA03系列的精度标定为例，展示激光干涉测量在精密运动台领域的实际工程应用。

01.激光干涉测量原理

1.1干涉现象：相长与相消

激光干涉仪的测量原理，建立在光的干涉效应之上。光作为一种电磁波，具有波动性，干涉是其特征之一。当两束频率相同、相位差恒定的相干光叠加时：

l 相位差为0（光程差为波长整数倍）：波峰与波峰叠加、波谷与波谷叠加，产生相长干涉（亮条纹）

l 相位差为半个波长（光程差为半波长奇数倍）：波峰与波谷叠加、波谷与波峰叠加，产生相消干涉（暗条纹）

图：光的相长干涉与相消干涉

最早人们通过杨氏双缝实验观测到了干涉的宏观表现：两束相干光投射到屏幕上，形成明暗相间的稳定条纹，每一道亮纹对应一处相长干涉，暗纹对应一处相消干涉。这种明暗交替的干涉条纹，就是激光干涉仪用来 “丈量” 位移的核心载体。

图：杨氏双缝干涉实验

1.2迈克尔逊干涉光路

要将干涉现象转化为可量化的位移测量，工业激光干涉仪普遍采用经典的迈克尔逊干涉光路架构，通过 “分振幅” 的方式产生两束相干光。

图：迈克尔逊原理示意图

其基本光路如下：

1分光

激光器S发出光束，经分光镜G₁后分为反射光束和透射光束两路。

2分路行进

反射光束射向固定的平面反射镜M₁（参考镜），透射光束穿过补偿板G₂（补偿分光镜介质光程差）后射向平面反射镜M₂（测量镜）。

3反射重合

两束光经反射镜反射后原路返回，在分光镜G₁处重新汇合。

4干涉测量

当测量镜发生位移时，两束光的光程差改变，相位随之变化，产生交替相长与相消的干涉条纹，经正透镜L会聚到接收屏P上；探测器记录条纹变化量，即可计算出相对位移。

干涉测量的精妙之处在于其独特的"放大效应"：光波长仅数百纳米，光程每变化几十纳米，相位就可能发生显著偏移，干涉强度随之从最亮变为最暗。这一过程将亚波长级的微小位移"放大"为仪器可清晰分辨的信号变化——这正是干涉仪成为精密测量基石的核心原因。

由于测量光束走双程光路，测量镜每移动半个波长，光程差恰好变化一个完整波长，干涉光强完成一个"明—暗—明"周期。位移计算公式为：

d = N * λ/2

其中d为位移，λ为激光波长，N为条纹计数。

以工业领域常用的氦氖激光为例，其波长为632.8nm，对应单条干涉条纹的位移刻度为316.4nm。这意味着，测量镜每移动316.4nm，干涉条纹就会跳动一个周期。

如下图，在实际工业应用中，激光干涉仪被集成为更紧凑的测量系统，将激光源、探测器、分光模块整合为一体，适配产线与实验室的标定场景。

图：激光干涉仪测量示意图

02.突破极限：纳米级分辨力的两大关键技术

仅靠统计整根干涉条纹，只能达到百纳米级的测量精度。要实现对更高精度的精准标定，还需要两项关键技术突破极限。

2.1相位内插：从316.5nm到1nm的精度跃迁

基本条纹计数的分辨率为316.5nm。相位内插技术通过细分单个条纹周期内的相位偏移量，将分辨率提升至1nm级别。以雷尼绍XL-80激光干涉仪为例，其线性分辨率达1nm，较基本计数法提升约316倍。

2.2环境补偿：消除看不见的误差来源

激光在空气中传播时，工作波长取决于空气折射率，而后者随温度、气压和湿度变化。若无补偿，线性测量读数将出现20~30ppm误差，以100mm行程计，即3μm系统性偏差。

工业级激光干涉仪内置温、压、湿多传感器阵列，能够实时采集环境参数并动态修正波长计算结果，确保测量数据的准确性与计量溯源性。

03.激光干涉仪标测量方法

激光干涉仪采用非接触测量，具有很高的灵敏度和精度，在精密运动位移台的测量上应用广泛。高精密电动平移台的核心参数：行程、定位精度、重复定位精度、俯仰、偏摆、直线度，均以激光干涉仪为标准量具。以下为工程实践中的标准测量流程：

行程测量

1将平移台移动至行程反向极限位置，干涉仪读数清零

2将平移台移动至行程正向极限位置，记录干涉仪测量值

3重复上述步骤不少于3次，行程取测量最小值

重复定位精度/定位精度测量

1选择线性测长镜组，完成光路对准；在全行程均匀分布≥5个测量位置

2将平移台移至第1个测量位置，干涉仪读数清零

3从反向极限依次正向定位至各测量点，再从正向极限原路返回至各点，每点稳定后采集读数

4重复步骤2-3不少于3次（即双向3循环，共5趟以上），软件自动计算定位精度与重复定位精度，取最大值

注：定位精度反映平台到达目标位置的绝对偏差，重复定位精度反映多次到达同一位置的离散程度，二者是不同指标。

偏摆与俯仰测量

1更换角度镜组，完成光路对准；在全行程均匀分布≥5个测量位置

2移至第1个测量位置，干涉仪读数清零

3依次定位至各测量点，采集角度读数；重复不少于3次，取最大值

4俯仰测量仅需更换镜组安装方位（测量垂直平面内角度偏差），方法与偏摆相同

直线度测量

1更换直线度镜组，完成光路对准

2将平移台移至反向极限位置，干涉仪读数清零

3按预设等距步长，控制平移台依次移动到每个测量点，点位稳定停顿后采集该点直线度数据，直至走完正向全行程

4重复不少于3次，读取直线度偏差最大值

04.测量实践：激光干涉仪标定三维电动平移台

以OMTOOLS高精密三维电动平移台OMFA03A的精度标定为例，展示激光干涉测量在精密运动台领域的实际工程应用。

图：高精密三维电动平移台OMFA03系列

测量项目与测试方法

4.1测量项目与测试方法

使用雷尼绍激光干涉仪，标定测试在计量级标准环境下开展：

l 测试基座为大理石光学平台，隔绝外界振动干扰；

l 测量镜直接安装于平移台负载台面，确保测量值真实反映设备运动端面的精度；

l 测试维度覆盖双向定位精度、双向重复定位精度、全行程水平直线度三项核心指标，遵循全行程多点位往复测试的计量规范。

图：雷尼绍激光干涉仪测量OMFA03A精度实拍

4.2三轴全行程测试结果

经雷尼绍激光干涉仪测量标定，OMFA03系列X/Y/Z三轴精度表现均匀一致：

4.3精度测试报告

X轴测试数据

Y轴测试数据

Z轴测试数据

4.4耐久测试报告

经过连续空载及带载耐久运行测试，OMFA03系列未出现精度衰减或漂移现象，展现出优异的长期可靠性。

激光干涉仪以迈克尔逊干涉原理为根基，通过相位内插实现纳米级分辨力，借助环境补偿消除大气折射率波动带来的系统性偏差，激光干涉仪将长度测量直接溯源至 SI 国际单位制 “米” 的定义。在亚微米到数十米的广阔测量范围内，它凭借非接触、高速度、可溯源的独特优势，成为精密制造、计量检测等领域不可或缺的 “光学标尺”。