——無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀

  　  隨著航空航天臀胞、重型機(jī)械摧辣、發(fā)電設(shè)備拐棺、船舶工業(yè)的發(fā)展透嫩，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察绷，尺寸達(dá)到十幾米甚至幾十米干签，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)難題拆撼。目前實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量手段仍以外徑千分尺容劳、內(nèi)徑測(cè)桿等傳統(tǒng)測(cè)量工具為主，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求闸度。清華大學(xué)曾研制出一套很好的對(duì)準(zhǔn)方法竭贩，與激光干涉儀相結(jié)合蚜印，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壢⑹樱拗屏嗽谏a(chǎn)晒哄、安裝現(xiàn)場(chǎng)的使用。因此肪获，開發(fā)高精度寝凌、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)重要課題孝赫。

    　激光技術(shù)的快速發(fā)展為大尺寸精密測(cè)量開拓了嶄新的領(lǐng)域央颈。近二十年來(lái)，出現(xiàn)了多種無(wú)導(dǎo)軌大尺寸測(cè)量方法岗制，其中械耙，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)刷男。它是一種測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法袖蝙，常用于量塊檢定中。通俗地說(shuō)剪碱，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)物體羊耸，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)度穆递，它并不關(guān)心測(cè)量的實(shí)際過(guò)程葵伟。

    　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)展词惭，是實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度“尺子”的基礎(chǔ)夕谬。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)扣墩，可以將這些單波長(zhǎng)合成為一組波長(zhǎng)相近哲银、間隔均勻的“合成波長(zhǎng)鏈”【诎瘢“合成波長(zhǎng)鏈”是一個(gè)塔形結(jié)構(gòu)盘榨，塔頂是最高一級(jí)合成波，其波長(zhǎng)最長(zhǎng)蟆融，塔底則是單波長(zhǎng)草巡。測(cè)量時(shí)，干涉儀以不同波長(zhǎng)的激光工作型酥，從最高級(jí)（最長(zhǎng)波）開始山憨，逐級(jí)下降，直至單波長(zhǎng)弥喉。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郁竟，以此可推導(dǎo)出總測(cè)量長(zhǎng)度玛迄，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)棚亩，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)鍵蓖议。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腹瞒。為了簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程毁几，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孝尺，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)陵租，剩余相位由干涉儀測(cè)出，這種方法只需一次測(cè)量即可完成洼宪，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)練育床，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绒霹。

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

　∩眯ァ（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)量的光源馒脏，它在10.6μm波段具有豐富的譜線，相鄰譜線的波長(zhǎng)差分布也比較均勻镣学，構(gòu)成的“合成波長(zhǎng)鏈”的波長(zhǎng)可從10.6μm到25m，因此瘟则，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)黎炉。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)醋拧，CO2激光干涉儀歷經(jīng)多次改進(jìn)慷嗜，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)控制丹壕，順序輸出6種波長(zhǎng)庆械，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)菌赖，測(cè)量精度可達(dá)4×10-8缭乘。

    　（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)琉用，合成波長(zhǎng)為84.2μm堕绩。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)果的唯一性邑时，為此奴紧，系統(tǒng)加入了He-Ne激光器的3.39μm譜線特姐，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)單冬蝶，測(cè)量精度可達(dá)1.8×10-7裁鸦。

  　  （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發(fā)的雙頻激光干涉儀不同瘟气，其穩(wěn)頻點(diǎn)選在兩條激光增益曲線之間肮脱，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上）用载，合成波長(zhǎng)為278mm攒置。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披蚕，測(cè)量精度為±（40+1.5×10-6）尖坦。

  　  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)比其它譜線大很多讹渴，抑制了其它譜線的發(fā)射装屈。清華大學(xué)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(qiáng)度擒欢，成功研制出了3.39μm波段雙波長(zhǎng)激光干涉儀路学，其“合成波長(zhǎng)鏈”從3.39μm到1m，單波穩(wěn)定性為1×10-8盒件。

  　  （4）變波長(zhǎng)激光干涉儀

   　 變波長(zhǎng)激光干涉儀采用兩個(gè)激光器蹬碧，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)系列炒刁，在理想的環(huán)境下恩沽，13m長(zhǎng)度范圍的測(cè)量精度為70μm。

    ∠枋肌（5）線性調(diào)頻半導(dǎo)體激光干涉儀

   　 近年來(lái)罗心，半導(dǎo)體激光器線性調(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)理想的光源城瞎，成為無(wú)導(dǎo)軌激光干涉技術(shù)研究的熱點(diǎn)渤闷。1995年，德國(guó)采用了外腔可調(diào)諧式半導(dǎo)體激光器脖镀，其外腔由全息光柵組成飒箭，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认然，40m長(zhǎng)度范圍的分辨率可達(dá)40μm补憾。

   　 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)行研究開發(fā)忱厨，目前這項(xiàng)技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段辱囤。隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來(lái)鲤瞪，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牢介。

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