無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀

隨著航空航天、重型機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、船舶工業(yè)的發(fā)展，對(duì)大尺寸測(cè)量的要求越來(lái)越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸達(dá)到十幾米甚至幾十米，精度要求達(dá)到IT7以上。如何測(cè)量這些零部件長(zhǎng)期以來(lái)一直是困擾計(jì)量工作者的技術(shù)難題。目前實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量手段仍以外徑千分尺、內(nèi)徑測(cè)桿等傳統(tǒng)測(cè)量工具為主，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求。清華大學(xué)曾研制出一套很好的對(duì)準(zhǔn)方法，與激光干涉儀相結(jié)合，用于測(cè)量大尺寸可達(dá)到很高的精度，但該方法必須使用高精度導(dǎo)向?qū)к?，限制了在生產(chǎn)、安裝現(xiàn)場(chǎng)的使用。因此，開(kāi)發(fā)高精度、無(wú)導(dǎo)軌大尺寸測(cè)量技術(shù)，一直是長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

激光技術(shù)的快速發(fā)展為大尺寸精密測(cè)量開(kāi)拓了嶄新的領(lǐng)域。近二十年來(lái)，出現(xiàn)了多種無(wú)導(dǎo)軌大尺寸測(cè)量方法，其中，受到廣泛關(guān)注的無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀是近年來(lái)發(fā)展很快的一種先進(jìn)測(cè)量方法。

小數(shù)重合法是無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀的基礎(chǔ)。它是一種測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法，常用于量塊檢定中。通俗地說(shuō)，這種測(cè)量方法就像用不同長(zhǎng)度的幾把“尺子”去量同一個(gè)物體，只要得到各次測(cè)量值的尾數(shù)，即可導(dǎo)出物體的實(shí)際長(zhǎng)度，它并不關(guān)心測(cè)量的實(shí)際過(guò)程。

激光干涉儀是以波長(zhǎng)為基本計(jì)量單位的，多波長(zhǎng)激光器的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度“尺子”的基礎(chǔ)。激光器可以穩(wěn)定地輸出多種波長(zhǎng)的激光，利用光學(xué)拍波技術(shù)，可以將這些單波長(zhǎng)合成為一組波長(zhǎng)相近、間隔均勻的“合成波長(zhǎng)鏈”?！昂铣刹ㄩL(zhǎng)鏈”是一個(gè)塔形結(jié)構(gòu)，塔頂是最高一級(jí)合成波，其波長(zhǎng)最長(zhǎng)，塔底則是單波長(zhǎng)。測(cè)量時(shí)，干涉儀以不同波長(zhǎng)的激光工作，從最高級(jí)（最長(zhǎng)波）開(kāi)始，逐級(jí)下降，直至單波長(zhǎng)。激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果是在各種波長(zhǎng)干涉下的一組剩余相位，以此可推導(dǎo)出總測(cè)量長(zhǎng)度，由于每次的測(cè)量值都是剩余相位，與測(cè)量過(guò)程無(wú)關(guān)，因此不需要導(dǎo)向?qū)к墶?

選擇合適的“合成波長(zhǎng)鏈”是無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀的關(guān)鍵。長(zhǎng)波干涉保證了測(cè)量值的唯一性，而測(cè)量精度則取決于短波干涉。為了簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，還有一種只使用一個(gè)合成波的方法，如采用幾百毫米的合成波，借助于普通測(cè)量工具（如卷尺）測(cè)出大致的合成波周期數(shù)，剩余相位由干涉儀測(cè)出，這種方法只需一次測(cè)量即可完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)練，但由于所使用的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在測(cè)量精度上必然有所損失。

各國(guó)學(xué)者對(duì)無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)進(jìn)行了大量研究，研制開(kāi)發(fā)了各種激光干涉儀，歸納如下：

（1）CO2激光干涉儀

CO2激光器是一種非常適合無(wú)導(dǎo)軌激光測(cè)量的光源，它在10.6μm波段具有豐富的譜線(xiàn)，相鄰譜線(xiàn)的波長(zhǎng)差分布也比較均勻，構(gòu)成的“合成波長(zhǎng)鏈”的波長(zhǎng)可從10.6μm到25m，因此，CO2激光干涉儀一直是無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀的研究重點(diǎn)。從1979年開(kāi)始，由直流干涉系統(tǒng)到各種形式的光外差系統(tǒng)，CO2激光干涉儀歷經(jīng)多次改進(jìn)，其中一種典型方案是上世紀(jì)九十年代澳大利亞研制的外差干涉儀，它通過(guò)激光器的腔長(zhǎng)控制，順序輸出6種波長(zhǎng)，用聲光調(diào)制器的零級(jí)衍射作為本振光，構(gòu)成外差系統(tǒng)，測(cè)量精度可達(dá)4×10-8。

（2）Ne-Xe激光干涉儀

Ne-Xe激光器可以輸出3.53μm和3.37μm兩個(gè)波長(zhǎng)，合成波長(zhǎng)為84.2μm。從“合成波長(zhǎng)鏈”的角度考慮，波長(zhǎng)過(guò)短難以保證測(cè)量結(jié)果的唯一性，為此，系統(tǒng)加入了He-Ne激光器的3.39μm譜線(xiàn)，將“合成波長(zhǎng)鏈”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉儀的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度可達(dá)1.8×10-7。

（3）He-Ne激光干涉儀

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的縱向塞曼He-Ne激光干涉儀，與成都工具研究所開(kāi)發(fā)的雙頻激光干涉儀不同，其穩(wěn)頻點(diǎn)選在兩條激光增益曲線(xiàn)之間，產(chǎn)生一對(duì)頻差為1080MHz的左、右旋偏振光（這兩個(gè)偏振光不在同一增益曲線(xiàn)上），合成波長(zhǎng)為278mm。利用光柵測(cè)量干涉的剩余相位。系統(tǒng)測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)100m，測(cè)量精度為±（40+1.5×10-6）。

He-Ne激光器在3.39μm處譜線(xiàn)豐富，但其中3.3922μm譜線(xiàn)的自發(fā)輻射系數(shù)比其它譜線(xiàn)大很多，抑制了其它譜線(xiàn)的發(fā)射。清華大學(xué)利用甲烷在3.3922μm附近的一條吸收譜線(xiàn)，抑制了He-Ne激光這條譜線(xiàn)的強(qiáng)度，成功研制出了3.39μm波段雙波長(zhǎng)激光干涉儀，其“合成波長(zhǎng)鏈”從3.39μm到1m，單波穩(wěn)定性為1×10-8。

（4）變波長(zhǎng)激光干涉儀

變波長(zhǎng)激光干涉儀采用兩個(gè)激光器，利用諧振腔長(zhǎng)與輸出頻率的關(guān)系，構(gòu)成“無(wú)級(jí)”的波長(zhǎng)系列，在理想的環(huán)境下，13m長(zhǎng)度范圍的測(cè)量精度為70μm。

（5）線(xiàn)性調(diào)頻半導(dǎo)體激光干涉儀

近年來(lái)，半導(dǎo)體激光器線(xiàn)性調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展，為無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀提供了一個(gè)理想的光源，成為無(wú)導(dǎo)軌激光干涉技術(shù)研究的熱點(diǎn)。1995年，德國(guó)采用了外腔可調(diào)諧式半導(dǎo)體激光器，其外腔由全息光柵組成，通過(guò)改變光柵的角度進(jìn)行頻率選擇，相干長(zhǎng)度可達(dá)100m，40m長(zhǎng)度范圍的分辨率可達(dá)40μm。

無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)的發(fā)展僅有二十多年的歷史，由于它在大尺寸測(cè)量中具有無(wú)可替代的重要性，因此各國(guó)學(xué)者傾注了大量精力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，目前這項(xiàng)技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段。隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)必將成為大尺寸測(cè)量領(lǐng)域中的一朵艷麗的奇葩。(end)

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