面向21世纪的双频激光及相关测量科学技术_张书练.pdf

我国机床业市场萎缩又大量进口国外设备的原因之一,就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此需要高速、多通道激光干涉仪:测量速度在60 m/min以上,采样速度在 5000次/s以上,以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应该达到水平 2 10-7,其测量结果和长度测量结果同步进入计算机,即依靠引进信息技术和测量技术求得技术创新。台湾的数控机床稍优于大陆的原因就在于此。同时使主轴转速提高到 2000 r/min以上。目前国内开展的工作不少是落后于国外的。(8)运行和制造过程的监控和在线检测技术综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其他光和物质相互作用原理的传感器,有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域的综合创新的天地十分广阔,例如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸、相互位置等。(9)配合信息产业和生命科学的技术创新为了在开放环境下求得生存空间,没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持,根据当前发展,信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。例如,医学中的介入治疗精密仪器设备,电子工业中的超分辨光刻、封装、清洁方法和机理研究。参考文献:1 Pieter“Prte”Burggraaf(Senior Technical Editor ofSolid State Tech.)Optical lithography to 2000 andBeyond Solid State Technology,1999:31 41 2戴高良.用于亚纳米测量的横向塞曼激光器的研究.清华大学学报(自然科学版),1998,38(11):65683殷纯永,郭继华.偏振双反射膜双频激光器.发明专利申请号 99123748.X4晁志霞,许婕,徐毅.用于大范围测量的法布里-珀罗干涉仪.计量学报,1999,20(4):241 2455谢广平,殷纯永,王东生.一种用于外差测量的信号处理系统.电子测量技术,1994(4):5 7(编辑华恒)作者简介:殷纯永,男,1937年生。清华大学(北京市 100084)精密仪器与机械学系教授、博士研究生导师。1984 1985年在英国、1992 1993年在加拿大做访问学者。SPIE国际光学工程学会会员、全国高校机电类专业教学指导委员会委员。研究方向为现代光学测量的理论、方法和技术创新。研究成果获国家发明奖、科技进步奖 3项,省部级奖励 5项,获专利 4项。出版专著 5部,发表论文 80余篇。文章编号:1004-132 (2000)03-0266-04面向 21世纪的双频激光及相关测量科学技术张书练教授张书练李岩摘要:预测 21世纪初几种重要激光计量仪器的发展水平:双频激光可输出近零赫兹到百吉赫兹的频差,频差的稳定性将达到 10-7,从而使相对测量干涉仪的测量速度获得提高;高精度、长距离的绝对测量得以实现;双频激光的发展使建立新的可溯源到光波长的波片测量基准成为可能;产生一种可直接传感位移的激光器,可在很大程度上取代电感测微仪;产生一种测角仪,可在几十度范围内达到 0.01 分辨率;产生一种惯性振动测量仪器,分辨率达到纳米。关键词:双频激光;位移测量;传感激光器;角度测量中图分类号:TN24;TG8 文献标识码:A国内外的双频激光干涉仪都使用塞曼激光器作为光源。双频激光干涉仪测量速度越高,所需激光器频差越大。尽管人们做了不懈努力,现在纵向塞曼激光器的频差仍然不能超过 3 M Hz。为了解收稿日期:2000 01 23决塞曼双频激光器频差小这一问题,我们进行了用腔内晶体石英片或电光晶体或腔内应力双折射产生激光频率分裂的实验研究。在驻波氦氖激光器(管)内部置入晶体石英或光电元件,利用自然双折射效应、光电双折射效应、应力双折射效应均实现将激光频率一分为二,且两频率之差可由转266中国机械工程第 11卷第 3期 2000年 3月角、电压的改变加以控制1 3,从而实现大频差,频差可达 40 M Hz 1000 M Hz。激光器的频率输出对腔长改变的敏感性早为人所知。对于 633 nm HeNe激光器,频率变化为10-9Hz。如能以赫兹为单位测出 的改变,将会诞生具有无可比拟的分辨率的位移传感器。其难点在于如何测出这种频率的改变。很直观的办法是,将频率改变和一个频率高度稳定的激光器混频取拍。沿此思路,人们研究过不少方法,但大多或因结构太复杂,或因频率不稳,或因动态范围太小而难以获得实际应用。进一步思考,如果位移所引起的不是一个频率的移动,而是一个激光器的2个频率之差的改变,就不再需要使用一个频率高度稳定的激光器作为参考频率取拍,使技术变得简单可行。按这种“双频”的思路,有望在 21世纪初产生出基于双频激光器的计量技术和几种相关仪器。1 面向 21世纪的双频激光器1.1 中频差双频激光器双频激光器是微纳米干涉计量不可缺少的部件。使用了 30年的塞曼双频激光器频差不能大于3 M Hz(可称其为小频差),频差小,进行干涉计量时测量速度慢。我们研究了频差大于 40 M Hz的双折射双频激光器(可称其为大频差),因存在模竞争引起的频差闭锁效应,它不能产生 40 MHz以下频差。于是,在塞曼双频激光器和我们研究的双折射双频激光器之间(即 3 M Hz 40 MHz,不妨称其为中频差)存在一个“死区”。但这是较为理想的频差段,具有最佳性能价格比。研究频差 3MHz 40 M Hz之间的双频激光器就成为重要的课题。我们已开始了这一研究,并有了初步的但令人兴奋的结果。我们认为双折射双频激光器不能产生小于40 MHz的频差,是因为寻常光(o光)和非寻常光(e光)在激光器毛细管内沿同一光路行进,和同一空间内的 Ne原子相互作用,争夺增益。频差越小,竞争越强。HeNe激光属于以多普勒展宽为主的综合加宽,双频激光器两频率均在增益线上烧孔(孔的宽度约为 350 M Hz),因此间隔小于 700MHz的两频率的烧孔就会发生重迭。频差越小,重迭越多。我们一般使用的频差往往小于 700MHz,两频率的竞争就不可避免。当频差小于 40MHz时,强烈的模竞争效应使一种光熄灭,双频激光又退回到单频激光,因此,消除闭锁的惟一方法是消除频率之间的模竞争。有了对闭锁原因的清楚认识,就可找到解决问题的思路:设法让双频激光的 o光和 e光分别占据一群放大介质的原子,以避免这 2个频率对放大介质原子群的相互竞争,消除闭锁,即可得到小于 40 M Hz的 2个频率。按上述思路,有 2种方案可用。第一种方案是将 o光和 e光在毛细管内空间分离,各走各的路径,各自使用各自行进路径上的放大介质原子。第二种方案是使用外加横向磁场,将放大介质原子分成两类,一类只放大 o光,一类只放大 e光,同样避免了 o光和 e光的模竞争。(1)方案一由 o光、e光在激光毛细管内空间分离且平行传播,消除频差闭锁。在激光谐振腔内放入了 1片双面镀增透膜的方解石和 1片弱双折射元件。在激光器腔内放入方解石晶体的目的是实现o光、e光的空间分离。由于方解石晶体的双折射效应很大(大约是石英晶体的 18倍),当激光腔内的光通过它时,将被分解为 o光和 e光,且由于它们的折射率差别很大,从而导致 e光进入方解石晶体有比 o光大得多的折射角,从方解石晶体出射后比 e光有更大的平移,即与 o光分离且平行地在激光毛细管中传播。由于 HeNe激光器的毛细管内径仅有 1mm左右,o光、e光分离过大将使e光(或 o光)过分接近毛细管内壁,增益下降且引入过大损耗,分离太小又不能避开模的竞争,因此要通过理论和实验得到 o光、e光最佳的空间分离量、相应的方解石晶体的厚度及切割角度等参数。方解石造成了 o光、e光的空间分离,消除了模竞争,但由于它的双折射太强,其晶轴与光线夹角的微小改变会引起频差的较大改变,要通过旋转它得到精度在 1 M Hz之内的频差是不可能的,因此应在 HeNe激光器内再放入一个弱双折射元件细调频差。这一元件可以是应力双折射元件或晶体石英片。(2)方案二方案二是将激光介质分成 o光增益原子群和 e光增益原子群,消除频差闭锁。首先制成人为应力双折射双频激光器(光弹效应,在激光窗片或反射镜上加力),然后在其上加横向磁场。磁场的方向与激光窗片或反射镜上加力的方向平行或垂直。在横向磁场的作用下,增益线将分成 增益线和 增益线(其中使用 增益线的光偏振方向平行于磁场,使用 增益线的光偏振方向垂直于磁场),两曲线中心频差约为267面向 21世纪的双频激光及相关测量科学技术 张书练李岩()m=1.8H(1)式中,H为磁场强度。增益线和 增益线仅对与它们偏振方向相同的光有放大作用,即在激光器内行进的光中,偏振方向与磁场方向相同的光,在 增益线上烧孔被放大,而垂直于磁场方向振动的光在 增益线上烧孔被放大,但平行于磁场方向振动的光不能被 增益线放大。同样,垂直于磁场方向振动的光不能被 增益线放大。当在双折射双频激光器腔内的光学元件上平行或垂直于磁场方向施加外力时,在激光谐振腔内形成偏振方向分别平行或垂直于磁场方向的两正交线偏振光。这两线偏振光各自被对应于 增益线和 增益线的增益原子放大而互不影响。不存在激光模的竞争,两频率不再相互争夺增益原子,也就不存在优胜频率和失败频率,两者都可稳定振荡,即闭锁效应被排除了,激光器可以产生 1至几百兆赫兹的频差。综上所述,两频率的产生及频差是由在腔内双折射元件所加力给定的,而磁场的作用是消除激光器两频率间隔较小时相互之间的强模竞争,使 2个频率都稳定振荡,激光器成为无频差闭锁的双频激光器,产生出从近于零赫兹到几百兆赫兹的频差。在这里,磁场的作用与已有的塞曼双频激光器中的磁场的作用完全不同,后者主要是用于形成几百千赫兹频差的两正交偏振光,而我们主要是将激光增益原子分裂成 2类。在磁场的作用下,一类激活原子发射偏振方向与磁场方向平行的光,另一同等数量的原子发射偏振方向与磁场垂直的光(简称 成分和 成分)。1.2 巨大频差双频激光器当一小石英晶体楔插入外腔的 LD泵浦YAG激光器腔内时,YAG激光的 1个频率会变成 2个,频差随晶体石英在 YAG激光器腔内的微小位移而改变。由于 YAG激光器腔长可以很短且光谱线很宽,改变量可以从数十千赫兹到数十吉赫兹,这使新的高精度、绝对测长成为可能。2 与双频激光相关的面向 21世纪的测量技术和仪器2.1 新一代的测微仪:位移自传感氦氖激光器(系统)现有的电感、电容位移传感器都有原理上的非线性。以电感测微仪为例,由于非线性的影响,分辨率 0.1 m的范围仅几微米。激光干涉仪性能优良,但结构复杂,很昂贵。在激光物理中,有一种现象,称之为“激光腔长改变半个波长,激光频率移动一个纵模间隔”,而腔长的改变可由移动激光器的反射镜来实现。我们也可以说“激光腔镜移动半个波长,激光器频率移动一个纵模间隔”。这一现象可作为位移测量的潜在基础,但自激光出现 30年来却未被成功利用,关键是要找到判定位移方向的方法。通过对“双折射双频激光器功率调谐特性:三稳态”可以使梦成真。以下是我们在实验中观察到的三稳态现象:如果用压电陶瓷移动 1个双折射双频激光腔镜时(腔长调谐),由于模竞争引入的抑制作用,激光出光带宽将被分成 3个部分:o光区、o光+e光区、e光区。如果用 1个渥拉斯顿棱镜(或偏振分光镜)将 o光、e光分开并照射到一个屏上的 2点,在移动 1个激光腔镜时,可顺序看到屏上 1点被照亮、2点同时被照亮、另 1点被照亮,如此反复。进一步实验证明,这 3个区域的宽度可以由激光分裂的大小(两频率之差)控制,可以说激光器输出了 3个稳态。o光区和 e光区的产生是模竞争引起的。在腔调谐时,e光先进入出光带宽,它占据了所有增益。后进入增益带宽的 o光被抑制而不能振荡,直到两光很接近增益线中心频率,总增益变大到足够供给两频率振荡时,o光才开始振荡。而一旦 o光振荡占据了一定增益,e光功率立即下降。抑制宽度可达到几百兆赫兹。(1)位移自传感 HeNe激光器方案在单频 HeNe激光器内加入双折射元件,使激光频率分裂,单频激光变成双频激光;选择激光增益管长 度(控制增益)和激光腔长(控制激光纵模间隔),使出光带宽和纵模间隔之比为 3 4;选择频率分裂大小,使出光带宽分为 3个宽度相等的区域:o光振荡区、o光和 e光共同振荡区、e光振荡区;在一个激光反射镜由被测物推动产生位移时,得到 4个宽度相等的区域:o光振荡区、o光和 e光共同振荡区、e光振荡区、无光区域。每个区域对应反射镜移动 1/8波长的位移,即 0.079 m,从而实现了位移测量;判向可通过判断 4个区间内光的不同偏振状态来实现。(2)位移自传感 HeNe激光器特点由于位移自传感 HeNe激光器的突出优点,它很可能在相当程度上取代电感测微移。位移自传感 HeNe激光器特点如下:激光干涉仪利用干涉现象,以波长作为位移测量的单位基准。而位移自传感268中国机械工程第 11卷第 3期 2000年 3月HeNe激光器系统不使用干涉现象,是以“激光腔镜移动半波长,激光频率移动一个纵模间隔”为工作原理的。这类似于激光干涉仪中的“半波长位移出现一个干涉条纹”。因此,激光位移自传感器也可作为计量标准使用。激光器自身变成了位移传感器(由此我们叫它位移自传感 HeNe激光器),不利用干涉现象,但以波长做尺子,比激光干涉仪简单得多,造价低得多。有较高的分辨率和精度。线性度好。因为“激光腔镜移动半波长,频率移动一个纵模间隔”的规律在任何激光腔长下都成立,在任何测量范围内都成立,它没有原理上的非线性。它不经 A/D转换即是数字输出,易于和被测物体的加工控制机构结合。2.2 氦氖激光纳米位移自传感器(系统)更进一步,将一支频率分裂亚微米精度的位移传感激光器变成一支自传感的纳米精度的位移测量激光器,但仍保有微米测量时的几毫米乃至十几毫米的线性测量范围。2.3 频率分裂光学波片测量和溯源激光系统使用双频激光技术,可制成具有自然属性的波片计量基准。目前,长度已有波长做基准,时间有原子钟做基准等,使用激光频率分裂技术,可以证明,半波片分裂 1个纵模间隔,1/4波片分裂半个纵模间隔(400 M Hz)。读出时以赫兹为单位。激光在光学谐振腔内振荡,放大输出。当在光学谐振腔内放入双折射元件(即位相板或波片)后,激光器内的振荡光束将包含 e光和 o光两种成分,且两种光有不同的频率,频差可表示为=(/L)W(2)式中,为激光中心频率;L 为激光谐振腔长;W 为放入激光器内双折射元件的光程差。我们称激光频率随光程差改变而改变的现象为激光频率分裂。当光程差由零变到非零的过程中,1个纵模频率变成了 2个,而 2个频率的间隔因光程差改变而改变。波片即为一双折射元件,其光程差可从比例关系,由频率分裂的频差求得。将镀增透膜的待测波片放在 HeNe激光谐振腔内,则激光的 1个频率分裂成 2个,两频率具有互相正交的偏振态,两频率之差由式(2)给出。激光纵模间隔为=C/(2L)(3)将式(2)与式(3)相除,得波片光程差为W=/(2)(4)式(4)即作为波片测量的基本公式。由式(4)知,要测 W,必须先测出 和 。这里,在实际测量中式(4)的/应理解为频率分裂量被除后的小数部分。实际上,我们对波片的测量也仅需要这一小数部分。如一个 1/4波片厚度数毫米,但真正有效的部分(1/4波片造成的光程差)仅是一个波片光程差被 1/4波片厚度除后的余数。如果使用标准 1/4波片,即 W=/4,代入式(4),有/=/2即波片频率分裂造成的间隔是激光纵模间隔的一半。当 1/4波片有误差时,即W /4,波片频率分裂造成的间隔为偏离激光纵模间隔的一半,通过测量 及,可得 W 值。用这样的仪器,我们可以标定双折射片(包括波片),再以这种双折射片作为传递标准,去标定现有波片测量仪器。2.4 激光频率分裂纳米分辨率振动测量把惯性系统与激光频率分裂技术结合在一起,实现惯性系统纳米分辨率振动测量,主要思路是在惯性系统上加一个双折射元件,使激光频率分裂,分裂的大小正比于振幅瞬时值。3 结束语由于我国科学技术相对落后,留给我们从提出原理、发展成实用技术并享有完全独立的知识产权的研究并不多。本文所讨论的课题则具有这样的性质。希望国家自然科学基金委员会能够列入新的计划,为我国的学术地位提高和科学技术进步作出新贡献。参考文献:1 ZHAND Shulian,WU Minxian,JIN Guofan.Bire-fringence Tuning Double Frequency HeNe Laser.Applied Optics,1990,29(9):1265 12672ZHAN G Shuliang,LU Min,JIN Guofan et al.LaserFrequency Split by An Electron-optical Elementin Its Cavity.Optical Communications,1993,96:245 2483HAN Yanmei,ZHANG Shuliang,LI Yan et al.StudyofHard-sealedTunablePhotoelasticBirefringenceDual-frequencyLasers.ChineseJournal of Lasers,1998,B7(3):193 198(编辑周佑启)作者简介:张书练,男,1945年生。清华大学(北京市 100084)光电工程研究所所长、教授、博士研究生导师。多年来一直从事激光及计量技术研究。获部省级科技进步一等奖 1项、二等奖 1项。发表论文 70余篇。李岩,男,1963年生。清华大学光电工程研究所副教授、博士。269面向 21世纪的双频激光及相关测量科学技术 张书练李岩Key word:accuracy evaluation the technology oferror separation and correctionanalysis of total errorsource the theory of dynamic accuracySome Major Concern Questions in the Research of SuperPrecisionMeasuringTechniqueandInstrumentEngineering TANJiubin(HarbinInstituteofTechnology,Harbin,China)p 257-261Abstract:It is introduced briefly that some majorconcern questions in the research ofsuper precisionmeasuringtechniqueand instrumentengineering.Itincludes the technique of minute inner scale precision andsuper precision measurement of two dimensions and threedimensions,thetechniqueofsuperprecisionthreedimensionprofileandcoordinatemeasurememt,thetechniqueofthreedimensionprofilemeasurementwithoutreference,thetechniqueofsuperprecisionrotation reference and linear reference,the technique ofsuper micro-actuating with large output power and highstability and so on.In according to this paper,researchon these major concern questions reveals the developmenttrendofsuperprecisionmeasuringtechniqueandinstrument engineering.Its the keyto improve theprecision level of instrument engineeringrapidlythatdeveloping the instrument unit technique and solving theGordian knot.Key words:superprecision measure instrument inner scale three dimension profile reference micro-actuatingReview and Prospect of Precision Inspection YEShenghua(Tianjin University,Tianjin,China)W ANGZhong QU Xinghua p 262-263Abstract:Someprospectiveprecisioninspectiontechniquesforadvancedmanufacturetechnologyarediscussed in this paper.They include:the measuring andcontrollinginthezerodefectproduction,visioninspectiontechnology,avarietyofmeasurementmethods,the measuring for the large size or small size-nanometer,thetracingtothesourceforthemeasurement datum.Key words:precision inspection zero defectcontrol vision inspection nanometertracingabilityProposal of the Development of Instrumentation scienceandTechnology YINChunyong(TsinghuaUniversity,Beijing,China)p 264266Abstract:Instrumentation science and technology hascontributedmarvelouslytotheprocessofhumancognizingtheworld and engaging in production andconstruction.It is the foundation of progress in modernscience and technology.This paper,byanalyzingtheproblems and challenges that faced the subject,presentedthat high precision,high velocity,high resolution and highintegration are still focuses of competition.Exploring inthese researchingareas and breakingthrough in theessentialpointswillbringtheopportunityofdevelopment.According to the evolution of research anddevelopment,this paper proposed 8 developing trendsworthyofpayingattention:nanometermeasurementtechnologyandsystems,non-guide-railcoordinatestracking systems,super-precision non-touch probe,giga-hertz samplingrate virtual instrument with universalinterface,innovationequipmentofnumericalcontrolmachine tools,innovated devices and newmaterials,instruments innovation of significantengineeringandscientificproblems,on-linemeasurementinstrument,bionic measurement method and instruments.Key words:nanometer measurement non-guide-railtracking superprecisionprobe highperformance virtual instruments on-line measurement bionic measurementinstruments innovationDualFrequencyLaserandRelativeMeasurementTechnology in the21st Century ZHANG Shulian(Tsinghua University,Beijing,China)LI yanp266-269Abstract:In the next century,dual frequency He-Ne laser can output the frequency difference close to0M Hz and a few hundred GHz.The stability of frequencydifferencewillreachto10-7.Therefore,theinterferometers will be of higher measurement speed,higher accuracy and larger measurement range.A type ofdisplacementsensinglaserswillbeproducedwithadvantages of self-calibration,which will be strongcompetitorofinductancemicrometers.Newanglemeasurement instrument will be developed with 0.01second resolution in tens of degrees measurement range.Key words:dual frequency laserdisplacementsensing laserangle measurementInstrumentation and Measurement Science in the21stCentury-AnOverview LIZhu(HuazhongUniversity of Science and Technology,Wuhan,China)GAO Yongsheng p 270-272Abstract:Thecharacteristicsandtherolesofinstrumentation and measurement science are discussed.It has two major functions:as tools to pursue research ofthe physical world and as tools to serve the industries andso as to our daily life.The areas of further developmentin the21century in the field of nano-metrology,micro-instrumentation,surfacemetrology,and tolerancetechnologyareexaminedandtheirapplicationsarediscussed.Keywords:nano-metrology micro-instrumentation surface metrology tolerancetechnologyMicro-Michinary and Nanometrology XUYi(National Institute of Metrology,Beijing,China)GAOSitianW ANG Chunyan YE Xiaoyou p 272-274Abstact:Thispaperhasintroducedthenanometrology techniques applied in the area of MENsand microelectronics as metrological standards.Somesuggestions for the development are also given.Key words:micro-michinarymicroelectronicsnanometrologyprecision instramentationThe Green Instrument System facing the 21th Century QIN Shuren(Chongqing University,Chongqing,China)TAN G Baoping p 275-278,324Abstract:This article puts forward a new conceptcalled Intelligent virtual controls(IVC),which can beactivated by measuring functions.This small“Intelligentmeasurement instrument unit(IM IU)”,carrying withfunctions of instrument,can be formed as different kindsof Intelligent Virtual Instrument(IV I)Through piecetogether as building blocks and sequentially be displayeddirectly on the computer screen.This is a new concept ofmeasuringinstrument,andalsoanimportant4CHIN A M ECHANICAL ENGIN EERING Vol.11,No.3,2000