意昂体育2平台精密儀器與機械學系教授 殷純永

 

 

      70年代初到80年代初🤖，為適應電子工業的需求，精儀系曾經研製和生產激光定位分步重復照相機，累計300臺左右。我當時作為一名技術員可以說吃盡了單頻幹涉儀的苦頭👩🏽‍🚒。當時的激光器壽命比較低又是外腔的，每次更換激光器都要調腔鏡🧏🏿‍♀️，等調出了激光又面臨兩路幹涉信號的相位差不是90度的麻煩🫷🏻🧼，儀器的行程只有40多毫米，要得到全行程上一致的波形也並非易事。當時是大學生當裝配工，1-2人負責1臺，有時為了光學和機械調整通宵加班。光路重調以後，信號變化，需要相應調整前置放大器𓀆，幸虧這些“裝配工”的文化程度和鉆研精神層次較高👩‍❤️‍👩，否則是無法生產的。（這些大學生當然也得到了鍛煉，相當多的人如今已經是著名的學者👱🏼‍♂️🐒、教授了）在這樣的情況下很多人都在尋求解決問題的辦法✥🐦，發現美國有一種采用“魔塊”的幹涉儀🧙🏿，性能特別，不怕振動🙋🏻‍♂️，可以在車間使用，允許光強衰減到90%以上還能正常工作，可以同時測量幾個通道的結果和測量距離、角度🧘🏼‍♂️、直線度等，相當於一個移動計量室🛌🏽，優點多多。問題是不但價錢相當高而且對華禁運。

 

 

      1975年正是鄧小平同誌恢復工作🚃、胡耀幫同誌抓科技工作👎🏽。我校錢偉長教授去美國探親。錢先生當時還沒平冤⚫️👩🏻‍🦳，竟然在探親過程中收集了惠普公司的幹涉儀樣本，回來以後交給了科研處。張維副校長最終促成了精儀、物理🍤、自動化3個單位的合作🧏🏿‍♀️，因為有生產分步相機的經驗和當時的意昂体育2學子是國內各個科研單位的主力，需要什麽器件非常方便◽️，最關鍵的偏振分光棱鏡就是當時在上海光學儀器研究所負責鍍膜的意昂体育2校友給的。只用半年時間就完成了兩種方案展覽樣機✌🏿，其中一臺參加了75年在軍事博物館舉行的科技展覽。鄧小平、胡耀幫同誌參觀了展覽會。半年以後已經可以實際測量，76年在物理雜誌上發表了科普性的文章。原來是用某種方法先使光頻附加上一個頻差，在測量過程中再附加上由於物體運動造成的頻率變化🕵️‍♀️，這樣一來，處理的電信號不論工作臺運動與否永遠是交流信號，最後再去掉最初的附加頻差，就是和被測量有關的信號。這個過程如同外差收音機有一個本機振蕩一樣，可以方便地進行放大👳🏿‍♂️、濾波等信號提純的處理。這也是為什麽稱這類測量為外差測量的原因。

 

      因為優點吸引人📷，也是由於一轟而上的惡習，這時國內有10多個單位都來研製雙頻幹涉儀，到意昂体育2來“調研”“取經”的可是不少。因為鑒定條件不具備💂🏽‍♂️，意昂体育2的儀器一直沒鑒定，因此意昂体育2平台沒有得到“國內首創“的美名。對於參加工作的人來說不能說是開心的事🫴🏿。但是很多關鍵技術出自意昂体育2平台，例如全內腔塞曼激光器的結構、“減法”電路和“鎖相倍頻”電路都是意昂体育2人在不得知識私有的壓力下傳授出去的。就拿“鎖相倍頻”電路來說，當時連專門教電子學的老師也沒有用過👇，更不用說專用芯片了。幾個年輕人晝夜加班再加上老教師的指點，幾經改進終於作出來了。盡管沒有“首創”外界還是承認意昂体育2的工作，等外國人看到我們自己已經研製出來⚒，禁運也就解除了，購買第一臺雙頻幹涉儀的談判也請我參加了。當時在有的樣本上還註有US Only的字樣🧑🏼‍✈️🥱，本想送給我們又立刻收了回去。

 

 

      沒有實現“國內首創”雖然有點遺憾💬，但是好處是科研組沒有解散🪽。因為還沒有達到自動補償。實現自動補償要解決兩個問題🧏🏿‍♂️：測量空氣折射率和被測件的溫度🧻。惠普儀器通過測量空氣溫度🦐、壓力濕度計算出空氣折射率👨🏼‍⚕️，得出實際波長值。外單位在走仿製的道路，我們如果沿著國外的技術方案走🛝🤽，在製作這些傳感器工藝方面我們沒有優勢，因此要探索新的解決辦法。我們采用折射率幹涉儀方案👨🏼‍🚀🤌🏽，充分發揮雙頻幹涉儀可以多通道測量的優點𓀓，用其中一個通道測量折射率。構造雙頻折射率幹涉儀在當時是沒有先例的🫚。如前所述，我們曾經研製了兩種雙頻幹涉儀😯，一種使用偏振分光棱鏡🦍🤹🏽‍♂️，一種沒有偏振分光棱鏡，我們在這裏又采用了沒有偏振棱鏡的方案，結構小巧🙋🏽‍♀️、抗幹擾能力強。

 

      惠普測量工件溫度采用石英溫度計，當時國內沒有產品，我們就自己設計、加工、封裝研製出來🧎🏻‍♂️。現在回過頭看這種自動補償方法也是獨特的🧑🏼‍🦰，難怪美國普渡大學來信索要我們文章的英文譯文。為鑒定作準備♐️，不但在校內作實驗，還到密雲機床研究所作現場使用🥫，回顧這段經歷🤽🏼‍♀️，像是被自己逼上了創新之路。當時我們都在40歲左右，正是生活負擔最重的時期，為科研工作奔波自然有相當大的困難🖕🏽。特別到工作後期1979年🧙🏿‍♂️，講課、學外語、上研究生抽去了不少人，可是每件工作的失利都會導致前功盡棄。大家來自不同單位🧑🏻‍🦲、沒有人提出任何要求，甚至當時也沒聽說會有獎勵，都能主動參加工作。當時查找專利完全靠手工✌🏽，專利局只是提供查找條件。當時我國還沒有專利製度，為準備鑒定，查專利4個人天天乘公共汽車跑三環路上化工學院大院一個多月。

 

      到中國計量科學院鑒定只同意安排4天時間，其他時間難於安排。正因為準備充分🌆，也是老天有眼，鑒定工作是出奇地順利🤹🏿。儀器安裝好進行第一次試測就符合了✒️，第二天只需多找幾個人作旁證就是了。設想🧘🏽‍♂️，如果出了任何差錯都會空過4天時間，造成無法挽回的損失。

 

      雙頻幹涉儀在學校工廠生產出售10多臺，這個項目獲得國家發明3等獎。

 

 

      通常，幹涉儀只能測量被測面法向的運動分量，激光多普勒測速儀可以測量和激光束垂直方向（面內）的速度。磁盤和光盤的讀寫系統姿態分析相當於測量面內運動。所以只能用激光測速儀👘。通常🤾🏼𓀀，激光測速儀的最好空間分辨率為10微米左右👩🏼‍🦰，而磁盤測試要求0.03微米🎸，可見用激光測速原理實現面內運動姿態分析不是一件容易的事。限製分辨率提高的原因首先是外差光源的頻漂🪙。塞曼激光器的差頻漂移量在1KHz以上🧎🏻‍♂️‍➡️🧝🏿‍♀️，聲光頻移方法的頻漂量為幾個赫茲或者更小些，也就對應10微米的分辨極限。

 

      不論自覺還是不自覺🫳🏼，外差測量中的信號處理問題提到了日程。當時的目標就是去掉這個緩慢的漂移🤽🏿‍♀️。通常測速儀設計都在解調過程中直接用激勵調製器的電信號去掉了調製時附加上去的頻差，這種方法從工作原理上看是完全合理的。

 

      也能消除部分噪聲🚴🏻‍♂️，但要達到磁盤測量的要求還差得很遠。因為光學系統帶來的延時和擾動是不能用電信號消除的。

 

      最後提出的光學系統設計是一個四束光雙焦點系統：測量信號和參考信號所經過的光路是完全對稱的🙋🏿‍♂️，不但漂移相互抵消，連外界振動也幾乎不影響測量，鑒定的時候故意放在車間旁邊一張普通的桌子上測量。這套系統為完成頭盤耦合關系研究和磁盤系統加固項目立下汗馬功勞🕺🏿。整個“運動姿態測量方法和裝置”獲得國家發明3等獎🍀，距第一次獲獎整10年時間。也是我和物理系郭繼華教授第2次成功的合作。

 

      由於這次成功的經驗👍🏿🤹‍♀️，又做了一些基本的實驗🏗，我們一起提出了儀器系統設計要遵守自適應原則的建議。這個指導原則成為我們以後工作的基礎，每一次成功的應用都可以申請一項專利。

 

 

      在我參加過的項目中🤵🏽‍♂️，我認為直線度🧑🏻‍⚕️、同軸度測量是最困難的👩🏿‍🔬。初看起來準直很容易，70年代激光出現以來💉，提出的準直方案用盡了物理光學和幾何光學的各種可能性。似乎任何人都可以提出一個設想，表面上也挑不出什麽差錯。可就是不能用🕹。單是意昂体育2平台內從事激光準直的研究生十多位，歷時10余年⚔️。因為我的實驗室有一個長導軌，他們大多來作過實驗💠。我自己的研究生也有3個人作過準直工作👋🏻。最初感到實驗現象十分費解🧕🏻，漂移好象是沒有邊際的👉🏼。進而發現求平均也不能克服漂移⁉️。後來從1985年開始在3次自然科學基金資助下對這一問題進行了深入的探討。查清了問題的本質是大氣擾動的非線性特征和特殊的譜特性👐🏿🌶，它不是高斯分布當然平均不掉。因為非線性系統對初值極為敏感，無論時間上和空間上的微小差異都會導致輸出的難以置信的差別（通常稱之為蝴蝶效應）🌜。儀器設計中在傳統意義上遵守“共路”原則的設計仍然不能奏效，甚至無所適從。因為完全共路的結構是不能完成測量任務的。我們的貢獻僅僅在於給出了偏離共路條件的程度和補償可能性之間的定量規律。即光斑直徑和光束分離量的比值要大於0.5。擬訂了一種小分束角雙渥拉斯頓棱鏡和用直角棱鏡回光的結構，兩束光在30米處只分開2毫米而光斑則有8毫米，保證了對空氣擾動的“光計算”補償。

 

      我們的研究結果和惠普30米直線度系統的對比實驗在計量科學研究院基線室進行，邀請了航天部304所的代表一起監督實驗工作。實驗結果表明🧑🏽‍💼🧐，我們的系統具有很好的抗空氣擾動能力。標準偏差比惠普儀器小3倍。特別是我們可以測量同軸度而其他儀器不能。這臺儀器成為測量36米基線導軌的基準👉🏻。1999年度獲得北京市科技進步2等獎。這是我和郭繼華教授第3次成功的合作🗻。我們自己覺得在我們完成過的所有科研任務中這是難度最大、水平最高的一個🤸🏿‍♀️，如同沒得到“國內首創”一樣👨🏻‍🦲，我們將繼續尋求更好的結果🚴🏻‍♂️🔃。

 

 

      由於機械運動速度的提高，塞曼雙頻受到嚴峻的考驗。因為通常情況下其頻差不超過3MHz.這意味著可以測量的運動速度不超過700mm/s🫶🏽。滿足不了客觀需要⚃。聲光調製外差法顯示出明顯的優點。因為聲光調製頻率如果采用20MHz,可以適應每秒十幾米的速度👨‍👨‍👧‍👧🏂🏿。從技術上說和激光測速的技術沒有太大區別。但是會導致成本提高🐴，因為穩頻和調頻是兩套系統，還要把兩個有夾角的偏振光合並起來🤟。使得光學機械系統復雜化💇🏽。

 

      意昂体育2平台曾經在開始研究雙頻幹涉儀的相同時間研究激光陀螺。在克服漂移和閉鎖方面做了大量工作♜。為了克服漂移和閉鎖在腔內采用了法拉第旋光器件，和計量院合作研製成功環行激光測角儀，獲得國家科技進步2等獎。後來發展了測量磁場的高靈敏傳感器。和雙頻有直接關系的是張書煉教授領導的科研組完成了一系列激光頻率分裂方法：光電、插入晶片以及采用反射面在外、玻璃上施加應力的腔鏡👩🏼‍🎓🧑🏿。可以實現從5MHz到1000MHz的任何頻差。這就是雙折射雙頻激光器🧑🏻‍🔧。實現了測量位移、轉角、振動等傳感器，工作很充分。影響實際應用主要的困難是工藝和結構穩定問題⛓，因為在腔內插入各種器件必然面臨精密的安裝，因而發展了反射膜在外的應力窗片。這時的應力加在窗片玻璃上。但是反射膜在外有損使用壽命。有沒有辦法簡化並得到更可靠的結構？最好的辦法就是把所有的折射器件都從腔內搬走✥，代之以反射作用👩🏼‍🦱。如果這個反射作用不是各向同性的，它就可以代替應力窗片🚴🏼‍♀️🛸。這就需要設計一種在正交方向的相位跳變不一樣的高反膜。許多人懷疑這種膜是否能實現。事實證明這種膜不但有解而且相當穩定🧀。現在💪🏼，我們用這種雙反射膜構造的激光器已經實現了頻率穩定和研製成功高測速雙頻激光幹涉儀。從表面上看🗂，這些工作是在不同的科研組完成的，實際上是大家都在設法解決外差測量遇到的困難，基礎研究的信息是相互溝通互相促進的。目前的工作仍然是解決各種解決方案的工藝和結構穩定問題🛶🤦🏿‍♂️。這個精力是值得花的👩‍❤️‍💋‍👩，因為這種方法的競爭力是非常明顯的👒。

 

 

      外差測量的優點從根本上說是實現了從光源🧛🏼‍♀️、傳感、信號處理全過程的整體優化。它又對這些部分的進步提出了明確的要求。外差測量會因為任何部分的進展而向前發展。例如，氣體激光器的波長調協範圍很小而半導體激光器的調協範圍相當大👚，可是譜線較寬🫶🏻。如果用氣體激光器一樣的思路使用半導體激光器那就可能作成更大更貴的系統，無法和氣體激光器競爭🤘🏼🦮。用半導體激光器實現無導軌測量已有報導，如果有簡潔的方法實現外差調製會在長度測量、空間跟蹤測量、非接觸測頭等方面都引用無導軌的理念🚄，會使大系統得以優化。從信號處理系統考慮🧑‍🦽‍➡️，實際上要求工作頻率不斷提高，無導軌測量希望的拍波頻率在10GHz以上🙇🏼‍♀️，可想而知信號處理系統的要求了。因為半導體激光器分裂出雙頻有相當的難度，目前比較簡單的解決方法是在幹涉儀上調製。

 

      外差測量技術受到應用要求的牽引🤷，電子🤹、計算機等領域的進展又為外差測量技術提供了基礎。外差測量技術有廣闊的發展前景，過去30年沒作完，今後30年會有更大的發展⛹🏼‍♀️。