摆脱精密测量 “卡脖子”：Fresnel激光干涉仪原理与架构选型（上篇）

一.背景:精密测量的“卡脖子”困境

在量子精密实验、半导体微纳加工、高端光学检测、精密运动标定领域，高精度位移与面形测量，始终是决定产品精度、实验成败的核心关键。但长期以来，行业普遍深陷进口设备困境：海外激光干涉仪价格高昂、货期漫长、软件封闭、售后滞后，且无法适配真空、低温、强磁场等极端实验工况，二次开发与定制改造更是难上加难，极大限制了科研创新与产线迭代效率。

本文介绍的多场科技Fresnel系列激光干涉仪，基于菲涅尔共光路架构，从底层原理上规避了传统干涉仪的固有误差，同时兼顾静态皮米级分辨率与高速动态响应，并提供面向极端工况的定制化光纤探头方案，为国产高端精密测量提供了一条切实可行的技术路径。

二、干涉原理

什么是干涉？首先说下发生干涉的前提：两束光方向相同，频率相同，相位差恒定。可以用水波来类比，把光比作水波：往水池丢两块石头，产生两圈水波，当两处波纹相遇叠加：

波峰撞上波峰、波谷撞上波谷 → 波纹变更高（相长干涉，变亮）

波峰撞上波谷，互相抵消抹平 → 水面变平静（相消干涉，变暗）

光的干涉完全同理：两束满足条件的激光相遇，光波相互叠加，出现明暗交替的条纹，参考图1，这个现象就是光的干涉。

图1

当两束光产生干涉条纹以后，如果明暗干涉条纹随待测物体移动；设备再通过传感器感知光强变化，来统计条纹移动量（条纹移动代表着相位的偏移，虽然光的波长是几百纳米，但相位可以细分到成千上万份），因此就能换算出更细微的台面位移量，实现纳米 / 皮米级超高精度测量。

目前市面上绝大多数干涉仪，基本是用四大路线：经典迈克尔逊、双频外差、法珀光谱、菲涅尔共光路。每种架构都有天生的优势与短板，我们使用的便是菲涅尔共光路原理的激光干涉仪，那么在您的实验中该怎么选择合适的干涉仪呢，下面逐步为大家介绍一下这四种不同原理的干涉仪特点

三、干涉仪架构选型的技术逻辑

1.市面*通用：经典迈克尔逊干涉仪

（1）核心原理：分光镜分出两路独立光路——单束激光通过P1分光板以后，一条反射向M1这个反射镜，一条折射向M2反射镜，两块反射镜再将光路原路返回。M1光直接通过折射，转向观察系统；而M2光经过P1补偿板之后再反射向观察系统。由于两束光来自同一个光源，频率相同，相位差恒定，这时又保持了方向相同，于是产生了干涉，然后通过光强变化计算位移距离。参考图2

图2

（2）优缺点：结构简单、价格低、量程大、配件通用，是工业入门标配方案，性价比适合基础标定场景。但是存在固有纳米级周期性非线性误差（比如光程差还是很难保持完全一致），精度上限有限；且双路分离光路对振动、气流、温漂极度敏感，必须依赖高等级隔振、恒温环境，且装调繁琐、需要频繁校准，达不到皮米级超精密科研的要求、也不能用于低温真空实验。

（3）适用方向：主要是普通自动化、机床、滑台常规精度标定。

2.进口高端工业主力：双频外差干涉仪（Renishaw/Zygo常用）

（1）核心原理：普通单频迈克尔逊激光干涉仪，只有1 种频率的一束激光。而双频外差干涉仪使用的是双频激光，一束光里面包含两个频率（f₁、f₂），两个频率的光偏振方向互相垂直（一个水平偏振、一个垂直偏振），二者牢牢绑定在一起同步射出，两个频率固定差值是固定不变的。然后经过偏振分束立方再被分为参考光和测量光。

激光打在待测物体，即移动的反射镜上，反射镜在靠近 / 远离激光，反射回来的激光频率就会升高或者降低，这就是光学上的多普勒频移。

双频激光 f₁、f₂原本频差固定，是 f₁-f₂的绝对值。这两个频率比较接近，会有拍频信号产生，作为参考。当靶镜运动通过多普勒效应，让测量光频率发生偏移，变为f₂’；新的频差是 f₁-f₂’的绝对值，这个频差会形成新的拍频信号，再提取和原拍频的相位周期变化，换算位移。其实也是靠相位变化转为位移数值，但是用的是新形成的拍频正弦电信号的相位，去对比旧拍频信号的相位。而不是如迈克尔逊依赖原本光路的相位，所以稳定了很多

（2）优缺点：双频外差依旧属于迈克尔逊分离式光路，其优点是解决动态抗干扰问题，信噪比、动态稳定性大幅优于普通迈克尔逊，可识别运动方向，适配车间轻微复杂工况。还能做误差补偿，实时修正空气折射率、阿贝误差、余弦误差，能用于EUV光刻机亚纳米定位，也能用于计算机存储器上的记录槽间距的测量，也是进口高端工业设备的主流选择。

而缺点是消除不掉分离光路的环境误差，故此依旧存在残余非线性误差，无法满足长期超高稳定测量需求；设备、维保价格昂贵，且无法适配低温、真空、强磁场等极端科研工况，同时软件封闭、无法灵活二次开发定制。

（3）适用方向：高端工业计量、精密设备动态标定

3.法珀光谱干涉仪

（1）核心原理：用的是可调谐激光器，即人为给激光器通电信号、调节内部电流，主动、连续地拉高、降低激光的振荡频率，对应波长也跟着连续拉长、缩短。开机后一部分光射入法珀谐振腔。然后仪器内部有一个固定的法珀基准腔（可以让两束光在两片平行反射镜片之间来回反复反射，形成几十上百道光束再相互干涉），法珀基准腔内其中一条光路来自可调谐激光器，一条光路来自反射面。

而法珀腔特点是只在某一个特定激光频率下，产生共振、透过光信号。

当反射光路距离变化，前文提到根据多普勒效应，其频率也会跟着变化。

于是电控系统控制激光器改变频率，不断比对【法珀基准腔】和【被测位移光路】两者的干涉光谱（通过配置的探测器），到底什么时候测量光路和法珀参考腔同时发生共振。当共振产生后，记录两个光谱完全对齐时对应的激光频率，再转化为位移。

被测物体移动后，必须把激光频率调整到一个新数值，才能再次达成共振。

（2）优缺点：其特点是不再利用相位，而是直接用频差测位移，无周期性非线性误差；从结构上彻底解决迈克尔逊架构天生缺陷，静态分辨率可达1pm，超精密测量稳定性拉满；同时实现绝对距离测量，无需归零校准，长期漂移极低；此外信号不受反射光强、对比度影响，微小靶面、弱反射样品也可稳定测量。

缺点也很明显，比如动态性能弱：*大测速仅1m/s，远低于主流干涉仪，无法适配高速动态位移、直线电机、高速扫描场景；并且量程受限、响应速度慢，更适合静态/准静态微形变监测；此外价格极其昂贵，纯进口设备、货期长、售后成本极高；封闭性强，几乎无法定制探头、适配极端工况改造。

（3）适用方向：适配场景主要是顶尖静态科研、量子静态形变监测，不适配工业动态量产、高速标定场景。

4.共光路干涉仪（我司干涉仪类型）

共光路干涉仪也分几种类型，主要有

（1）剪切干涉仪、散射板、双焦干涉仪（自参考，静态波前检测）

（2）萨格纳克（测旋转，陀螺）

（3）偏振同轴式（Fresnel 菲涅尔）：可做位移动态测量

这里主要介绍一下我们使用的偏振同轴式共光路干涉仪

核心原理：

传统迈克尔逊结构分光之后，参考光、测量光走两条完全独立的空间路径。一束光走固定靶镜（M₂），一束光走运动靶镜（M₁），两条光路左右分开，空气、温度、气流扰动对两条光路的影响不一样，会产生额外的相位差，带来零点漂移、周期性非线性误差。

而菲涅尔共光路干涉是用共光路结构，即光纤端面反射和目标物体反射两束光共光路，并经过同一根光纤。

配置和光路参考图3：

图3

图4

如图4，在传感器内部，激光束通过分束器被分为参考光束和测量光束——该分束器正是迈克尔逊干涉仪的核心组件。标准传感器头中，微型分束立方体的一侧涂覆有反射涂层，作为参考镜使用；测量光束从传感器头部射出后被测量目标（可为镜子、玻璃片或任何其他适用表面）反射。反射后的参考光束与测量光束在分束立方体中心发生干涉，其合成光信号随后被传输回控制器。

这个过程中，可以通过内调制激光二极管，进行激光调制，来给两束共路干涉光叠加周期性正弦相位载波，以此把被测微小位移的低频相位信号搬到高频载波边带，远离低频噪声区；解调后生成正交正余弦信号，同时解算位移大小 + 运动方向。正弦信号参考图5

图5

得益于基于锁相检测技术和快速 FPGA 评估算法的先进信号处理方法，该皮秒级设备能够以单皮米分辨率和高达10MHz的采样率精确测量目标镜面位移。

*多可有三个传感器头通过采用FC/APC端口的光纤与控制器连接。

核心优势：

   从上述原理对比可以知道，菲涅尔干涉仪主要依靠两点来做到精度高及抗干扰能力强。（1）由于参考光和测量光共用一条光路，所以气流、振动、温漂对双路光线影响完全抵消，抗干扰能力极强。

（2）通过正弦相位调制，保持强信号，非常适合实现高分辨率、长距离的位置测量。

特点及适用场景：双光路有杂散光，衍生额外干涉信号，其寄生相位误差就会以一个完整波长为周期，来回波动。这就是周期性非线性误差。而共光路干涉仪无明显周期误差，其静态精度基本对标法珀干涉仪做到皮米级稳定测量，虽然理论上略逊一筹（因为法珀干涉仪不是靠测相位，而是靠频差倒推位移，理论上完全不会因为衍生干涉影响数值），但是绝大部分科研+工业场景完全够用，可以满足超精密科研需求。

此外动态性能全面碾压法珀干涉仪（法珀干涉仪要不断调整参考光，让参考光和测量光保持固定的频差才能让光束从法珀腔内射出，这过程需要时间）：Fresnel干涉仪支持10MS/s高采样、3.8m/s高速测速，高速动态标定、扫描运动测量全覆盖。

极端工况独家适配：微型光纤探头可定制真空、低温、抗磁场版本，可深入密闭腔体测量，适配量子、冷原子、同步辐射等前沿实验

总结

四、Fresnel共光路干涉仪的技术核心

共光路结构：环境误差的共模抑制

传统迈克尔逊结构的分光方式，使参考光与测量光走两条独立空间路径。空气扰动、温度梯度、机械振动对两路光的影响不等价，引入额外相位差，表现为零点漂移与周期性非线性误差。Fresnel干涉仪采用共光路设计：光纤端面反射（参考）与目标物体反射（测量）两束光经同一根光纤传输，在分束立方体中心汇合干涉。环境扰动对双光路的影响几乎完全一致，在相位比对中相互抵消，从而从根本上抑制了环境引入的测量误差。

正弦相位调制与锁相解调

为进一步提升信噪比与分辨率，系统对内调制激光二极管施加正弦调制信号，在干涉信号中叠加周期性相位载波，将待测低频位移信号搬移至高频边带，远离1/f低频噪声区。通过锁相检测技术与FPGA实时解算，输出正交正余弦信号，同时解出位移幅值与运动方向。该方案支持*高10 MS/s采样率，*大测速3.8 m/s，兼顾了皮米级静态分辨率与高速动态跟踪能力，远非法珀干涉仪受限的动态性能可比。

极端工况可定制能力

传感器头采用微型化设计，通过FC/APC光纤连接控制器，*多支持三通道同步测量。可根据用户需求定制真空兼容、低温工作、抗磁场干扰等版本，探头可深入密闭腔体内进行原位测量，为量子气体、冷原子物理、同步辐射光束线等前沿实验提供了此前进口设备无法提供的可行性。
 

总结

我司代理的Fresnel共光路激光干涉仪并非对进口产品的简单仿制，而是从干涉架构层面重新审视了精密位移测量的误差来源与环境约束。它以共光路结构消除环境误差、以相位调制提升信噪比、以定制化探头打开极端工况应用空间，同时兼顾高精度、高动态与高适应性的多维需求。对于正在寻找国产替代方案、或受困于进口设备无法适应特殊实验条件的科研与工程团队，Fresnel系列提供了一个在精度、速度、环境适应性、开放性和成本之间取得优良平衡的可行选择。 在量子精密实验、半导体微纳加工、高端光学检测、精密运动标定领域，高精度位移与面形测量，长期以来，行业普遍深陷进口设备困境：海外激光干涉仪价格高昂、货期漫长、软件封闭、售后滞后，且无法适配真空、低温、强磁场等极端实验工况。本文介绍的多场科技Fresnel系列激光干涉仪，基于菲涅尔共光路架构，从底层原理上规避了传统干涉仪的固有误差，同时兼顾静态皮米级分辨率与高速动态响应，并提供面向极端工况的定制化光纤探头方案，为国产高端精密测量提供了一条切实可行的技术路径。