先进的大尺度丈量技能–无导轨激光干涉仪

跟着航空航天、重型机械、发电设备、船舶工业的开展，对大尺度丈量的要求越来越高。一些精细合作的大型零部件，尺度到达十几米乃至几十米，精度要求到达IT7以上。怎么丈量这些零部件长期以来一直是困扰计量作业者的技能难题。现在实践运用的丈量手法仍以外径千分尺、内径测杆等传统丈量东西为主，远远不能满意需求。清华大学曾研发出一套很好的对准办法，与激光干与仪相结合，用于丈量大尺度可到达很高的精度，但该办法有必要运用高精度导向导轨，约束了在出产、装置现场的运用。因而，开发高精度、无导轨大尺度丈量技能，一直是长度计量范畴的一个重要课题。

激光技能的快速开展为大尺度精细丈量开辟了簇新的范畴。近二十年来，呈现了多种无导轨大尺度丈量办法，其间，遭到广泛重视的无导轨激光干与仪是近年来开展很快的一种先进丈量办法。

小数重合法是无导轨激光干与仪的根底。它是一种丈量和数据处理办法，常用于量块检定中。浅显地说，这种丈量办法就像用不同长度的几把“尺子”去量同一个物体，只需得到各次丈量值的尾数，即可导出物体的实践长度，它并不关怀丈量的实践进程。

激光干与仪是以波长为根本计量单位的，多波长激光器的开展，是完结不同长度“尺子”的根底。激光器能够稳定地输出多种波长的激光，运用光学拍波技能，能够将这些单波长组成为一组波长邻近、距离均匀的“组成波长链”。“组成波长链”是一个塔形结构，塔顶是最高一级组成波，其波长最长，塔底则是单波长。丈量时，干与仪以不同波长的激光作业，从第一流（最长波）开端，逐级下降，直至单波长。激光干与仪的丈量成果是在各种波长干与下的一组剩下相位，以此可推导出总丈量长度，因为每次的丈量值都是剩下相位，与丈量进程无关，因而不需要导向导轨。

挑选适宜的“组成波长链”是无导轨激光干与仪的要害。长波干与确保了丈量值的唯一性，而丈量精度则取决于短波干与。为了简化丈量进程，还有一种只运用一个组成波的办法，如选用几百毫米的组成波，借助于一般丈量东西（如卷尺）测出大致的组成波周期数，剩下相位由干与仪测出，这种办法只需一次丈量即可完结，体系结构也十分简练，但因为所运用的波长较长，在丈量精度上必定有所丢失。

各国学者对无导轨激光干与仪技能进行了许多研讨，研发开发了各种激光干与仪，归纳如下：

（1）CO2激光干与仪

CO2激光器是一种十分合适无导轨激光丈量的光源，它在10.6μm波段具有丰厚的谱线，相邻谱线的波长差散布也比较均匀，构成的“组成波长链”的波长可从10.6μm到25m，因而，CO2激光干与仪一直是无导轨激光干与仪的研讨要点。从1979年开端，由直流干与体系到各种形式的光外差体系，CO2激光干与仪历经屡次改善，其间一种典型计划是上世纪九十年代澳大利亚研发的外差干与仪，它经过激光器的腔长操控，次序输出6种波长，用声光调制器的零级衍射作为本振光，构成外差体系，丈量精度可达4×10-8。

（2）Ne-Xe激光干与仪

Ne-Xe激光器能够输出3.53μm和3.37μm两个波长，组成波长为84.2μm。从“组成波长链”的视点考虑，波长过短难以确保丈量成果的唯一性，为此，体系加入了He-Ne激光器的3.39μm谱线，将“组成波长链”延伸到464μm。Ne-Xe激光干与仪的最大长处是结构简略，丈量精度可达1.8×10-7。

（3）He-Ne激光干与仪

我国计量科学研讨院研发的纵向塞曼He-Ne激光干与仪，与成都东西研讨所开发的双频激光干与仪不同，其稳频点选在两条激光增益曲线之间，发生一对频差为1080MHz的左、右旋偏振光（这两个偏振光不在同一增益曲线上），组成波长为278mm。运用光栅丈量干与的剩下相位。体系丈量长度可达100m，丈量精度为±（40+1.5×10-6）。

He-Ne激光器在3.39μm处谱线丰厚，但其间3.3922μm谱线的自发辐射系数比其它谱线大许多，按捺了其它谱线的发射。清华大学运用甲烷在3.3922μm邻近的一条吸收谱线，按捺了He-Ne激光这条谱线的强度，成功研发出了3.39μm波段双波长激光干与仪，其“组成波长链”从3.39μm到1m，单波稳定性为1×10-8。

（4）变波长激光干与仪

变波长激光干与仪选用两个激光器，运用谐振腔长与输出频率的联系，构成“无级”的波长系列，在抱负的环境下，13m长度规模的丈量精度为70μm。

（5）线性调频半导体激光干与仪

近年来，半导体激光器线性调频技能的开展，为无导轨激光干与仪供给了一个抱负的光源，成为无导轨激光干与技能研讨的热门。1995年，德国选用了外腔可调谐式半导体激光器，其外腔由全息光栅组成，经过改动光栅的视点进行频率挑选，相干长度可达100m，40m长度规模的分辨率可达40μm。

无导轨激光干与仪技能的开展仅有二十多年的前史，因为它在大尺度丈量中具有无可代替的重要性，因而各国学者倾泻了许多精力进行研讨开发，现在这项技能逐渐走向实用化阶段。跟着科技的开展，信任在不久的将来，无导轨激光干与仪技能必将成为大尺度丈量范畴中的一朵美丽的奇葩。(end)