激光干涉测量技术因高测量精度、高测量分辨率和大测量范围的优点,在纳米位移测量领域有着日益广泛的应用,是推动微电子制造、超精密加工等高端装备制造行业发展的一项基础关键技术。因此开展高精度的激光干涉纳米位移测量技术研究具有重要的研究意义与应用价值。本文以激光合成波长干涉仪为研究对象,从提高激光波长稳定度出发,旨在进一步提高激光合成波长干涉纳米位移测量精度。论文介绍了纳米位移测量技术和激光稳频方法的国内外研究现状,描述了激光合成波长干涉纳米位移测量原理,详细分析了激光单波长和合成波长的稳定性对激光合成波长干涉纳米位移测量不确定度的影响,引出了采用稳频措施提高单波长和合成波长稳定度的必要性,提出了利用激光偏频锁定技术构建稳定的合成波长以提高激光合成波长干涉纳米位移测量精度的方法。基于偏频锁定原理,研究了电光相位调制边带锁定和光锁相环偏频锁定的实现方法,通过将可调谐激光器以65 MHz小偏频锁定至碘稳频He-Ne激光250 MHz相位调制生成的+3阶边带,构建了频差为815 MHz且具有高稳定度的合成波长稳频光源。提出了基于DDS的相位差直接解调的干涉信号处理方法,解决了干涉信号直流漂移与幅值波动导致相位差测量误差的问题,保证了小数位移的高精度测量。采用基于CORDIC算子的反正切运算粗测干涉条纹的大数计数值,提出了一种根据小数位移修正粗测大数位移以实现大小数正确整合的干涉信号处理方法,解决了当被测位移为接近干涉条纹整数倍时易出现大数计数错误的问题。研制了基于SoC的干涉信号处理下位机系统和基于Lab VIEW的上位机系统,实现了合成波长测量功能与位移测量功能。最后搭建了系统整体实验装置,通过频率稳定性测量、合成波长稳定性测量与位移测量三个实验对本文所述的基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量方法进行了验证。频率稳定性测量实验结果表明,激光偏频锁定装置构建了频差为815 MHz、单波长稳定性从2×10^-8提高至1.7×10^-11@1 s、合成波长稳定性从1.2×10^-2提高至1.4×10^-5@1 s的双频光源,在毫米测量范围内引入的位移测量不确定度从纳米级降至皮米级,验证了该激光偏频锁定方法的有效性。合成波长稳定性测量实验结果表明,干涉光路中不共光路引起的死区误差和偏振分光镜安装误差与偏振泄露引起的非线性误差是影响合成波长测量误差的主要因素,在毫米量程内光源波长不稳定和合成波长测量误差实际综合引入的位移测量不确定度最大值为0.4 nm。纳米级步进位移测量与微米级重复位移测量的误差平均值与误差标准差均位于±1 nm范围内,这些位移测量实验结果表明基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量系统在纳米级、微米级测量范围内具有亚纳米级的位移测量不确定度,综合验证了本文所述用于稳定合成波长的偏频锁定方法和所述激光合成波长干涉信号处理方法的可行性和有效性。