分析领域 激光平面干涉仪：干涉仪硬件的要求

激光平面干涉仪将光束分束，让两路光分别经过参考镜和移动目标，再重新合束。读到的每条条纹都是一次距离测量。反射镜安装座偏离标称位置 20 μm 就会导致光束偏移。安装面倾斜 30 角秒就会使回程光束偏出孔径。这里的分析领域不是光学件本身，而是定位光学件的金属件。

从基准方案开始。运动学安装座通常需要一个平面、一个 V 形槽或直槽、一个锥面。这三者固定全部六个自由度，又不会对光学件过约束。在一次装夹中加工这三个特征，可保持它们之间的相互位置关系。将零件移到第二个工装夹具上，就会重新引入你试图消除的定位误差。在我们的五轴加工中心上，座面、V 形槽和锥面在一次操作中切出，整套位置精度保持在 ±0.005 mm。

平面度比大多数图纸承认的更重要。在 50 mm 范围内规定 5 μm 平面度的反射镜底座，会使 25 mm 光学件弯曲到足以偏移波前。我们通常将座面平面度控制在 3 μm 以内，并在装入光学件前在花岗岩平板上检验。表面处理同理。Ra 0.8–1.6 μm 的座面适合夹紧安装。对于胶粘固定的光学件，我们做到 Ra 0.2–0.8 μm，使胶层保持均匀。

螺纹调节器值得单独说明。M6 × 0.5 细牙螺纹每转约 0.5 mm 行程，因此转 5° 大约移动光学件 7 μm。粗牙螺纹无法实现这种调节。我们在与其内孔同一台机床上加工调节器螺纹，保持轴线同心，防止转动螺钉时光学件横向偏移。

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  一次装夹座面、V 形槽和锥面一起切出，缩短基准链。
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  平面度优先座面平面度 3 μm，避免波前误差出现在条纹中。
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  细牙螺纹调节器用 M6 × 0.5；粗牙螺距会破坏重复性。

热漂移是隐蔽的失效模式。300 mm 铝导轨每 1 °C 约伸长 6.9 μm。在 20 °C 的车间温度波动下，就是 138 μm 的虚假位移，全部是假的。解决办法从材料选择开始，而不是软件修正。

6061-T6 和 7075 铝是安装座和支架的常用选择。它们加工快、阳极氧化效果好、能保持严格公差。其膨胀系数较高，约 23 × 10⁻⁶ /°C。对于必须保持稳定的框架，17-4PH 不锈钢或 Inconel 可分别降至约 10 × 10⁻⁶ /°C 和 13 × 10⁻⁶ /°C。Invar 更好，但难以加工，在计量实验室之外很少值得成本。

材料混用是设计出错的地方。不锈钢立柱用螺栓连接到铝底座上，两者以不同速率移动。接合处承受剪切，光学件倾斜。如果混合叠层不可避免，保持异种材料界面短，并将光学件座面放在更稳定的一侧。我们经常切一个薄不锈钢嵌件压入铝壳体中，正是这个原因。

质量也有帮助，但有限度。较重的底座抗振，并减慢框架跟随气流的速度。它也需要更长时间达到热平衡。对于全天运行的台式仪器，质量占优。对于在房间之间移动的便携设备，低质量加短预热时间更容易接受。

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  6061-T6易加工，膨胀高；适合安装座，不适合长导轨。
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  17-4PH膨胀约为铝的一半；用于稳定侧。
• 3
  避免混合叠层同一接合处的不同速率会剪切光学件座面。

干涉仪零件的表面处理规格不是外观问题。车削面留下螺旋纹，会散射光线并印入条纹图案。磨削面更好，但仍有方向性。对于光束接触或反射的任何表面，我们追求无方向性表面处理，并在图纸上明确标注。

喷砂产生哑光均匀表面，消除杂散反射。它还会倒圆锐边，当光学件位于型腔中且不希望毛刺崩边时很重要。代价是尺寸变化。喷砂去除几微米并模糊尖角，因此用于非关键面，或在关键尺寸已达到之后进行。

阳极氧化每面增加 5 至 15 μm，且不完全均匀。内孔上的硬质氧化会缩小间隙。座面上的透明阳极氧化可能将光学件抬离基准。当表面公差严于 ±0.01 mm 时，我们在镀覆前遮蔽或加工后处理。发黑和化学镀镍行为相同；两者都会增加厚度，都需要在精密座面上遮蔽。

激光打标是最后一道表面处理工序。最小字符高度为 1.5 mm，这样零件编号清晰可读，又不会刻得太深而使薄壁变形。我们打标在非功能面上，因此不会碰到光路。

• 1
  无方向性表面处理光束经过的任何面都要指定无方向性处理；车削纹理会散射光。
• 2
  遮蔽紧配合面阳极氧化和电镀会增加 5–15 μm；任何公差在 ±0.01 mm 以内的面都要遮蔽。
• 3
  浅打标最小字符高度 1.5 mm，打在非光学面上。

干涉仪测量的位移可小到波长的几分之一。一个在 80 Hz 处共振的框架会把这种共振反映到数据里。刚度和阻尼是两个手段，但作用方向不同。

刚度来自几何结构。带加强筋的铝支架比同等质量的实心块刚度高得多。我们在载荷路径经过处加加强筋，并保持壁厚均匀，因为截面突变会产生应力集中，也会在加工时引起颤振。1 mm 以下的薄壁可以做到，但需要轻切削和支撑；低于 0.8 mm 时，零件在自身装夹力下就会变形。

阻尼更难在设计阶段实现。铸铁和填充环氧树脂的吸振能力优于铝。有些制造商因此在中空框架内填充环氧花岗岩。加工配合面仍必须紧密，因为任何有间隙的螺栓连接都相当于一个小弹簧。我们保证配合面平整，并在需要承受载荷的接合处使用定位销。

装配配合是最后一道检查。25 mm 光学件的内孔应为轻推配合，通常留 10 到 20 μm 间隙，使光学件无应力就位。过盈配合会使光学件开裂。间隙超过 40 μm 会让镜片松动并偏移光束。我们用内径千分表和销规测量内孔并记录数值，因为光束实际感受到的就是这个配合。

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  加强筋优于增加质量同等重量下，带加强筋的截面比实心块刚度更高。
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  接合处用定位销松动的螺栓连接就是载荷路径中的弹簧。
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  10–20 μm 配合光学件内孔用轻推配合；过盈会使玻璃开裂。

大多数干涉仪硬件是在图纸阶段出问题，而不是在机床上。每个尺寸都标 ±0.005 mm 既昂贵又往往没有意义。比基准链能支撑的更紧，只会增加成本。有效的方法是只收紧引导光束的特征，其余按一般公差。

出货前我们对零件进行 100% 检验。包括原材料检查、关键特征的制程监控和最终尺寸报告。报告可按需提供，对于光学硬件，我们可以附上平面度和内孔直径数据，方便客户在装配前将零件与光学件匹配。

对于原型，免费 DFM 评审通常能发现两三个问题：基准在一次装夹中无法达到、壁薄到在装夹力下变形，或涂层会改变紧配合。报价和评审在 12 小时内返回，图纸确定后 24 小时内可开始生产。

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  选择性收紧只对引导光束的特征标注公差，而不是整个零件。
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  100% 检验发货前进行原材料、过程与最终检验。
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  先做 DFM免费评审在切削前指出基准和涂层问题。