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冯其波 谢 芳 杨 涛 戴瑞辰 杨一帆 颜川力 赵晓军
提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域,利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史.由泰曼干涉仪到莫尔条纹,然后到散斑,再到全息干涉,出现了一个个干涉场,物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量,而是整个物理量场一起进行测量.自从激光出现以后,电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入,使测量灵敏度和测量精度得到大大提高.用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等,可以完成纳米级非接触测量.可以说,超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上,提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向.
Developing Situation of laser detection .In the field of photoelectric detection, there`ve been a long history of making a detection by using the principle of interference, diffraction and scattering of light.Interference field such as Tieman interferometer, Moire fringe, speckle and Holographic interferometry were designed one after another. Form then on, instead of measuring every physical quantity (displacement, temperature, pressure, velocity, refractive index) in turn, people measure the physical field entirely. After the development of laser, a number of detection methods (heterodyne, correlation, sample averaging, photon-counting) were invented, which lead to the improvement of the sensitivity and accuracy of the detection. People use the laser interferometer and Laser Displacement Transducer with key technologies of the laser detection to make nano-scaling non-contact measurement. It is clear that Super Precision Technology will raise to a new level according to the development of the High Precision laser detection; take which as the foundation, we advance the key technologies which belongs to the laser detection field, and also development direction of the field.
关键词：激光测量,扫描隧道显微镜,激光干涉仪,激光共焦测量技术
1 激光测量系统
激光功率和能量是描述激光特性的两个基本参数,激光功率计和能量计是最常用的两类激光测量仪器.随着激光技术的不断发展,对激光测试技术和测量仪器提出了更高要求.由于调Q和锁模激光的出现和应用, 要求测量的激光功率已从毫瓦、瓦、千瓦、兆瓦直到千兆瓦以上.激光能量也从毫焦尔逐渐跨过千焦尔.脉冲激光的持续时间也由毫秒、微秒、毫微秒、而缩短至微微秒量级.光谱范围也从紫外、可见、红外扩展到近毫米波段.激光精密测量和某些生物医学方面的研究和应用(如眼科治疗、细胞手术器等)的发,对激光测量的精度也提出了非常高的要求.
激光检测是一个涉及面广泛,应用又十分活跃的技术领域.它的检测目标包含十分繁多的几何、物理参数.本文只能选择一些代表性的类别,偏重于实用化,尤其是工业应用方面,来介绍分析激光检测的发展与应用概况.选择了激光准直、导向}激光工业检测与控铷j激光测速,激光垒息检测等技术类别以及激光检测在汽乍工业中的应用特侧,着重于近十年的信息,进行概要的现状分析.
1、1激光非球面检测技术
长期以来,非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高,尤其对于高精度非球面的检测.规的非球面检测方法如刀口阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等,对于检测工件表面来说都有一定的局限性.原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上,当针尖很靠近样品时,其顶端的原子与样品表面原子问的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位置.根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像,就能间接获得样品表面的形貌图.AFM突破了扫描隧道显微镜(STM)只能够用于扫描不容易氧化的良导体样品的限制,可以扫描导体和绝缘体.AFM具有多种扫描模式：接触扫描模式是原子力显微镜的基本工作模式；轻敲扫描模式(Tapping Mode)特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品.在光学系统中聚焦的激光束照射到试样表面,入射的激光束被表面反射并与由光源分离出的参考光束发生干涉,使光束发生频移, 由干涉仪检测器检测出频移.从而测量试样振动位移,从检测出的超声波可判断试样内部缺陷和微结构.
Trokel公司几年前生产了一种计算机垒息圈检验非球面的干涉仪,其操作仅比球面检验稍难.国内也开展了相应的研究工作, 也有一些产品.如上海光机所的数字显示激光平面干涉仪“),能自动测量光学平面面形质量,快速,高精度.工作直径 1 50,精度x／70.
1.2激光全息检测
激光全息检铡是垒息领域中很有应用前途的一项技术.早在6O年代后半期就展现了应用的可能性.到8O年代有了突破,垒息检测也和整个垒息技术一起,开始从实验室走向工业.垒息无损检验系统在国外已有成熟产品.如New Port公司的HC·4000垒息系统就是专用于工件的实时无损检验的.
现在还出现了新型的标准化的组件式全息干涉仪,解决了垒息检测设备在结构、元器件方面的复杂性,为这项技术进八生产现场创造条件.如阿络一家全息系统咎司的组炸式~fA／2垒息分析仪“”,可用图象记录妊何物体的变形,精度忧于0．3微繁,采罱了氩离手激光器,用光纤输送激光柬, 用快速照相在热塑材料上记录垒息图,{ j{]CCD摄象机传输到计算机使在线处理井显永.测试过程完全自动.逡一系统可用于汽车工业、航天和机床工业作变形应力和振动分析.在现代各种无损检验方法中,垒息术与一些传统方法,如超声、无线电等相比尚属年轻,但专家们认为螽息捡验很快会成为工业质量保证没施中的一项无损检验措施,因为它有许多优点 ：① 对大面积的缺绉(脱焊,裂缝、位移,不均匀性)可直接而全面的直观体现}② 对受检物不作用；③空间分辨率高,灵敏度高(可探变形小于几个微米),④ 与其他技术相比相当便宜.
现在国外愈来愈乡地在工业上实际使用垒息无损检测技术.应用范围遍及宇航、汽车、造船、机电,化工、电子等工业以及生物,其他.在近期的“垒息无损检验工业应用”国际专题会议中报导了不少成功的重要应用“ ,其中g1人注意的有t检验宇航零部件,可以检验大到32英尺的部件,节省了约80 的检验时间I轮胎激光无损检验,对于飞机 汽车轮胎可以检查出0．3微米的缺陷及变形,英,美等国均有应用j机床立力应变的测定,由于可以得到机床动作时的三维象,上面复盖着千涉条纹,比之于用接触传感器的传统方面优越得多,有人I{j此法研究了一台磨机的设计.还用于检验热交换器的焊接接触质量等.国内在垒息检验方面也作了很多工作.1986年10月已经举行了第三届垒国激光垒息无损检测学术交流会,有35个啦位的63名代表出席了会泌.
据报导,交流的论文数量,质量都比前二次会议有了较大提高.近儿年报导的垒息裣渊开发研究及其应用项目很多例如：西安交大与机床厂协作,用全息检撄I术诊断出车床的薄弱环节,从而设计了动静刚度大大提高的新结构,提高了产品质量.在西安交大“机械结构强度与振动国家重点实验室内,已将激光垒息干涉仪列为主要仪器设备之一.还有长沙铁道学院分析了拉床模型的动静刚度 郑州工学脘测量变形物体的曲率.哈工大研究了印刷线路板焊点缺陷.南昌航院对碳素纤维复合材料的空隙性缺陷做了检验.铁道部科学研究院研究了辙岔在冲击力作用下的中心位移及共振型等.在垒息检测设备的研制方面,国内已早有垒息滴谱仪、激光垒息光弹仪等产品供应,近几年又有数种垒息照相机,包括双脉冲全息照相机、垒息与散斑检测系统以及全息轮胎无损检测仪等产品出现.我国在垒息检测术方面的开发、应与产品设备等方面的进步,已为更大范围的推广应用提供了必要的技术准备.
2 激光测量需解决的关键技术及今后发展方向
比较国内外开展激光检测研究与应用的现状：
(1)技术上—— 在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距.国内开展的工作面不如国外广泛,但所做工作也不少,而且技术上尚比较先进,有些方面还是可比的.
(2)应用上—— 周内应用类别不少.但由于产品化程度不高,影响使用面.
2、1偏心光束对焦系统
近年来,非接触式测量技术在表面测量领域得到比较广泛的应用,其中自动对焦测量已从微米尺度进入纳米尺度,在非球面检测中大大提高了非球面的测量精度,因此具有重大的研究价值和广阔的发展前景.自动对焦是利用物体光反射的原理,将反射光照射在光电探测器上,经过光电转换而带动电动对焦装置进行对焦的方式.偏心光束对焦精度取决于光源的质量、光电探测器对光源的敏感度及电动对焦装置的合理设计等.根据偏心光束对焦系统设计方案进行对焦实验.固定光路系统与位置敏感探测器的位置,调节移动工作台上下移动,位置敏感探测器光敏面上的激光光斑也随之变化,于是电动机随之转动.转动情况决定了偏心光束是否对焦.当电动机停转时,即工件内表面位于物镜平面,对焦成功.
2．2 激光扫描显微镜
激光扫描显微镜是融合光、机、电以及计算机和图像处理等技术的高新技术产品,它广泛应
用于检测领域,已经成为这个领域强有力的研究工具.激光共焦显微镜是利用激光光束经照明针孑L形成点光源,对标本内焦平面的每一点扫描,标本上的被照射点在探测孑L处成像, 由探测孑L后的光电倍增管(PMT)接收,在计算机屏幕上迅速形成荧光图像.由于扫描过程是逐点进行的,因此需要由电动机驱动玻片沿 y平面运动.高分辨率图像的获得,不但要求有完善的光学与精密机械系统,而且还要求玻片移动平稳,防止抖动出现,否则会影响扫描效果,这就对运动控制系统提出了较高要求.采用基于数字信号处理技术的移动控制器很好地解决了共焦扫描显微镜的运动控制问题.
激光共焦扫描显微镜系统由光学扫描单元、数据传输及图像处理、运动控制单元和主机组成.光学扫描单元负责对数据进行采集；数据传输及图像处理单元接收扫描数据,并对数据进行视频处理后传输给主机和显示器；运动控制单元驱动载物玻片沿预定轨迹运动,实现逐点扫描；主控制机实现对下位机的控制及数据的后处理
3 激光检测的前景与设想
检测整机销售额统计缺乏连续数据,因为国际上统计方法在变、现在的方法是统计包括电源在内的“激光器”,田为包括太多的整机部分“会使激光工业和汽车工业一样庞大”.因此在此讨论检测州激光器的销售额.其实,激光器价值常占整机微小一部分,所以实际上的经济效益变化幅度大于这里钓统计值.这里取用的检测庄用范围系国外激光市场评述中的“检测”、“条码扫描器”及“农业与建筑”三项之和.在国外杂志中有关西方世界的数掘中,列出了检测用激光器销售额(台数)及年增长率和历年平均增长率,可知用激光器历年来的销售情况一直良好,稳定增长.
3、1 转换元件
随着激光功率能量水平的不断提高．光热型转换元件逐渐由过去的
面吸收(吸收黑层)向津吸收(半透明吸收体)发展, 以避免强光辐射引起的破坏.逐渐采用真空蒸键的热电堆和电校准加热器代替过去常用的金属丝热电堆和电阻丝． 缩小了体积,使仪器更如稳定可靠.光电元件在扩展波段方面已取得了～ 定成效, 蓝光增强型光电二极管可响应到0．3微米,0．5微米处的响应比过去提高了一倍多0 .MOS光电二极管短波响应到0．17微米“ .长波方面, 用锗光电二极管可扩展到1．7微米.一般热释电探冽器已比较成熟,国内外都有定型产品.为消除环境变化和振动干扰的影响,国外已研制出几种补偿型元件.为满足短脉冲高强度激光测量的需要,减少响应时间,提高耐辐射强度是十分必要的.透明电扳和边电板结构的热释电元钟有许多优点,应充分重视.常用的热释电元件都有吸收黑层,不太适于高强度激光测量.利用热释电材料的体吸收效应是可取的．但现有热释电晶体宽波段内的吸收很不均匀．光谱响应受到限制． 因此在热释电材料中加入适当的吸收物质,作成类似于中性吸收玻璃的半遥明热释电材料和元件将是最好的技术途径.
随着电子技术和电声技术的发展,利用光一压一电效应作强激光转换元件也许是可能的.脉冲激光柬的光压比普通党强得多.现代电子技术有了很大的发展,高阻抗、低噪声电子器件已普遍采用．压电效应和鹾电材料研究已比较成熟.利用适当的压电材料将光压和压一电效应联系起来,作成新型的光(压)电器件对强激光测量也许是有用的.这种器件将涂上全反射膜县,只反射光而并不吸收,这就避免了强光破坏,而且对波长无选择性,紫外波段较灵敏.
3、2 仪器整机结构
近几年国外发腥了一批单元组台式多功能的高精度仪器.这种较先进的仪器有几种可互换的探头,以满足不同．冽量对象的需要 电表指示、数字显示或自动记录都作成独立单元,便于自由选择.实际工作中希疆测量不影响使用,而且最好能同时测出几个参数, 因此通过式分光路接收头值得推广.电路集成化、显示数字化是近代仪器的发展趋势,这洋不仅提高了测量精度,而且使仪器性能耍加稳定可靠,使寸二维修.
3、3 电校准技术和徽处理机应用使激光功率能量计大大改观
电量计量比光度计量有更高的精度.近几年来电子技术不断发展,激光铡量仪器广泛采用电枝准技术,例如电校准热释电功率计,测量误差小于l+O．5 ,比过去有很大提高.特别是微处理机用于激光测量仪器的运算和控制,扩大了仪器的功能, 简化了仪器的结构,提高了仪器的精度.这类仪器不仅可以完成多个参外,这次会议也反映了我国激光科学技术近几年内的显著进展.一些国外学者对我国能够吸引如此众多的学者参加会议,并且会议组织得如此好,也表示赞尝.参考文献
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