激光是怎样在计量上应用的？

在科研活动过程中，始终离不开计量工作。计量的手段、精度如何，将直接影响着试验的结果。所以各国科学家都在不遗余力地发展超精细计量技术。近30年来，由于激光技术的引进，计量技术取得了突飞猛进的发展。

长度和时间是最基本的物理量。如何确定它们的基本单位是计量学的重要任务，国际计量大会的任务之一就是统一世界各国的计量标准。激光器的问世，给新的计量标准带来了活力。原子气体激光器是以原子能级之间的受激发射为基础的，因此，从原理上讲，能够提供长度和时间的计量标准。激光器的输出波长λ可以设法稳定在原子跃迁的中心波长λ↓0附近。在真空中，光速的定义值C=299792458米／秒，长度l(或波长)的定义可以由时间t(或频率)通过公式l=ct(或λ=c／υ)导出。用光波频率确定的波长不受光学元件的影响，使波长测量精度大大提高。近年来，世界各先进国家都在努力建立光频标和发展激光原子钟，我国在这方面也有不少投入。1983年10月第17届国际计量大会通过决议：(1)米是光在真空中于1／299792458秒时间内的行程的长度。(2)废除1960年以来使用的建立在氪↑86原子在2P↓10和5d↓5能级之间跃迁的米的定义；并推荐了五种激光辐射作为波长标准。

为了满足导航、大地测量和外交、军事保密通信的要求，需要进一步提高原子钟的频率稳定度。为了提高导航精度和可靠性，需要将导航卫星上的原子钟的长期稳定度提高到小于或等于10↑-14量级。在外文保密通信中，为了把隐藏于虚假随机噪声中的信号提取出来，需要使发射与接收台之间建立同步关系，也要求原子钟的频率稳定度小于或等于10↑-14量级。要把原子钟的准确度和稳定度提高到10↑-15量级的水平上，可能的途径之一就是把激光技术引进原子钟去。目前各国都在开发这项有重大意义而又极为尖端的技术，而且主要工作集中在半导体激光抽运原子钟、离子储存型原子钟和激光冷却原子束原子钟等的研制上。

1．发展方向与学科前沿

(1)配合数控设备的技术创新(如主轴速度，精度创成)

数控设备的主要误差来源可分为几何误差（共有21项）和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。中国机床行业市场萎缩同时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：其测量速度达60m/min以上，采样速度达5000次/sec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达到2×10的-7次方水平，其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。

(2)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、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。

(3)配合信息产业和生产科学的技术创新

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。根据当前发展现状，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。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。

2．优先领域

在基础研究的初期，对于能否有突破性进展是很难预测的。但是，当已经取得突破性进展时，则需要有一个转化机制以进入市场。

（1）纳米溯源技术和系统。

(2)介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。

关键理论和技术：超半球反射器(n=2或在机构上创新)，快速、多路干涉仪(频差3～5兆)，二维精密跟踪测角系统(0.2″～0.5″)，通用信号处理系统(工作频率5兆)，无导轨半导体激光测量系统(分辨率1μm)，热变形仿真，力变形仿真。

这些内容不局限于一种技术方案，而是几种不同技术方案中概括出来的共同点。如采用无导轨干涉仪，对跟踪系统的要求可以降低；采用二维精密跟踪测角系统在1M3测量范围内可以得到高精度；有了超半球反射镜可以提高4路跟踪方案的精度。在现场进行介入制造和装配不能等待很长时间，力和热变形的补偿是必须的而且需要足够快，现在的技术还有相当大的差距，所以这些进展是关键性的。

应用范围：新型并行机构机床的鉴定，飞机装配型架的鉴定，大型设备安装，用于生物芯片精密机器人校准等。

(3)非接触测头以及各种扫描探针显微镜。

航空航天行业对此已经提出迫切要求，这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断，非接触测头还没有发展成熟，我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制，难以有突破性进展，但可在原理创新上下功夫。应该突破0.1～0.5μm分辨率。

(4)计算机辅助测量理论。

信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如，目前多数采用ISA总线、IEEE488口，今后计算机可能取消ISA总线，用于笔记本电脑的USB接口将广泛应用。过去，中国生产的仪器满足于数字显示，没有数据交换接口，难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备IEEE488(GPIB)口。RS232：目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级，对于干涉信号处理显得太低，可以采取联合互补的方法形成模块系列，同时降低成本，从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础，发展特长，有利于克服重复研究。

(5)新器件，新材料。

过去，科研评价体系存在偏重于整机和系统，忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前探测器的响应频率只有10的9次方，而光频高达10的14次方，目前干涉仪实际上是起着混频器的作用，适应探测器的不足(如果探测器的响应果真能超过光频，干涉仪也就没有用了)。如果探测器的性能得到显著提高，对于通讯也是很大的突破。

(6)半导体激光器计量特性的研究和创新。

半导体激光器用于计量需要解决很多问题(如线宽、定标、变频等)。但如果解决了诸多问题以后，半导体激光系统比气体激光系统更复杂，就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频，无疑是一种十分重要的特性，如果既能扫频又有两个相近的频率扫描，就会成为一种新的无导轨测量工具。

ZLDS200轮廓测量仪工作原理是基于光学三角测量原理。半导体激光发生器发出的光，经透镜形成X平面光幕，并在物体上形成一条轮廓线，镜片收集被物体反射回来的光并将其投影到一个二维CMOS阵列,这样形成的目标物体剖面图形被信号处理器分析处理，轮廓线的长度用X轴计量，轮廓线的高低用Z轴计量。

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