無導軌激光干涉儀：大尺寸測量領域中一朵艷麗的奇葩
2008-07-24 14:24:42
隨著航空航天、重型機械、發(fā)電設備、船舶工業(yè)的發(fā)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(nèi)徑測桿等傳統(tǒng)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(jié)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?qū)к墸拗屏嗽谏a(chǎn)、安裝現(xiàn)場的使用。因此，開發(fā)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(fā)展為大尺寸精密測量開拓了嶄新的領域。近二十年來，出現(xiàn)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(fā)展很快的一種先進測量方法。
小數(shù)重合法是無導軌激光干涉儀的基礎。它是一種測量和數(shù)據(jù)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(shù)，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(fā)展，是實現(xiàn)不同長度“尺子”的基礎。激光器可以穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(jié)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?qū)к墶?BR> 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(shù)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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(gòu)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(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，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(diào)制器的零級衍射作為本振光，構(gòu)成外差系統(tǒng)，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(jié)果的唯一性，為此，系統(tǒng)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(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(fā)的雙頻激光干涉儀不同，其穩(wěn)頻點選在兩條激光增益曲線之間，產(chǎn)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(tǒng)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(fā)輻射系數(shù)比其它譜線大很多，抑制了其它譜線的發(fā)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(wěn)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(gòu)成“無級”的波長系列，在理想的環(huán)境下，13m長度范圍的測量精度為70μm。
（5）線性調(diào)頻半導體激光干涉儀
近年來，半導體激光器線性調(diào)頻技術的發(fā)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<
