無導軌激光干涉儀的應用
2020-12-22標簽：激光干涉儀
隨著航空航天、重型機械、發電設備、船舶工業的發展，對大尺寸測量的要求越來越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸達到十幾米甚至幾十米，精度要求達到IT7以上。如何測量這些零部件長期以來一直是困擾計量工作者的技術難題。
目前實際應用的測量手段仍以外徑千分尺、內徑測桿等傳統測量工具為主，遠遠不能滿足需求。清華大學曾研制出一套很好的對準方法，與激光干涉儀相結合，用于測量大尺寸可達到很高的精度，但該方法必須使用高精度導向導軌，限制了在生產、安裝現場的使用。因此，開發高精度、無導軌大尺寸測量技術，一直是長度計量領域的一個重要課題。
激光技術的快速發展為大尺寸精密測量開拓了嶄新的領域。近二十年來，出現了多種無導軌大尺寸測量方法，其中，受到廣泛關注的無導軌激光干涉儀是近年來發展很快的一種先進測量方法。
小數重合法是無導軌激光干涉儀的基礎。它是一種測量和數據處理方法，常用于量塊檢定中。通俗地說，這種測量方法就像用不同長度的幾把“尺子”去量同一個物體，只要得到各次測量值的尾數，即可導出物體的實際長度，它并不關心測量的實際過程。激光干涉儀是以波長為基本計量單位的，多波長激光器的發展，是實現不同長度“尺子”的基礎。
激光器可以穩定地輸出多種波長的激光，利用光學拍波技術，可以將這些單波長合成為一組波長相近、間隔均勻的“合成波長鏈”。“合成波長鏈”是一個塔形結構，塔頂是最高一級合成波，其波長最長，塔底則是單波長。
測量時，干涉儀以不同波長的激光工作，從最高級（最長波）開始，逐級下降，直至單波長。激光干涉儀的測量結果是在各種波長干涉下的一組剩余相位，以此可推導出總測量長度，由于每次的測量值都是剩余相位，與測量過程無關，因此不需要導向導軌。
選擇合適的“合成波長鏈”是無導軌激光干涉儀的關鍵。長波干涉保證了測量值的唯一性，而測量精度則取決于短波干涉。為了簡化測量過程，還有一種只使用一個合成波的方法，如采用幾百毫米的合成波，借助于普通測量工具（如卷尺）測出大致的合成波周期數，剩余相位由干涉儀測出，這種方法只需一次測量即可完成，系統結構也非常簡練，但由于所使用的波長較長，在測量精度上必然有所損失。
各國學者對無導軌激光干涉儀技術進行了大量研究，研制開發了各種激光干涉儀，歸納如下：
（1）CO2激光干涉儀CO2激光器是一種非常適合無導軌激光測量的光源，它在10.6μm波段具有豐富的譜線，相鄰譜線的波長差分布也比較均勻，構成的“合成波長鏈”的波長可從10.6μm到25m，因此，CO2激光干涉儀一直是無導軌激光干涉儀的研究重點。從1979年開始，由直流干涉系統到各種形式的光外差系統，CO2激光干涉儀歷經多次改進，其中一種典型方案是上世紀九十年代澳大利亞研制的外差干涉儀，它通過激光器的腔長控制，順序輸出6種波長，用聲光調制器的零級衍射作為本振光，構成外差系統，測量精度可達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兩個波長，合成波長為84.2μm。從“合成波長鏈”的角度考慮，波長過短難以保證測量結果的唯一性，為此，系統加入了He-Ne激光器的3.39μm譜線，將“合成波長鏈”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉儀的最大優點是結構簡單，測量精度可達1.8×10-7。
（3）He-Ne激光干涉儀中國計量科學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發的雙頻激光干涉儀不同，其穩頻點選在兩條激光增益曲線之間，產生一對頻差為1080MHz的左、右旋偏振光（這兩個偏振光不在同一增益曲線上），合成波長為278mm。利用光柵測量干涉的剩余相位。系統測量長度可達100m，測量精度為±（40+1.5×10-6）。He-Ne激光器在3.39μm處譜線豐富，但其中3.3922μm譜線的自發輻射系數比其它譜線大很多，抑制了其它譜線的發射。清華大學利用甲烷在3.3922μm附近的一條吸收譜線，抑制了He-Ne激光這條譜線的強度，成功研制出了3.39μm波段雙波長激光干涉儀，其“合成波長鏈”從3.39μm到1m，單波穩定性為1×10-8。
（4）變波長激光干涉儀變波長激光干涉儀采用兩個激光器，利用諧振腔長與輸出頻率的關系，構成“無級”的波長系列，在理想的環境下，13m長度范圍的測量精度為70μm。
（5）線性調頻半導體激光干涉儀近年來，半導體激光器線性調頻技術的發展，為無導軌激光干涉儀提供了一個理想的光源，成為無導軌激光干涉技術研究的熱點。1995年，德國采用了外腔可調諧式半導體激光器，其外腔由全息光柵組成，通過改變光柵的角度進行頻率選擇，相干長度可達100m，40m長度范圍的分辨率可達40μm。
無導軌激光干涉儀技術的發展僅有二十多年的歷史，由于它在大尺寸測量中具有無可替代的重要性，因此各國學者傾注了大量精力進行研究開發，目前這項技術逐步走向實用化階段。隨著科技的發展，相信在不久的將來，無導軌激光干涉儀技術必將成為大尺寸測量領域中的一朵艷麗的奇葩。
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