激光与原子的相干性在计量测试领域中的应用进展

王宇，茹宁，张大治，季俊云

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

20世纪60年代初，梅曼(Maiman)成功研制世界首台激光器，激光的出现不但引起了光学的革命，冲击了整个物理学，并且对其他学科如化学、生物学、电子和电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响，对科学技术的整体发展起到重要的推动作用。如果没有激光就没有现代光电子学和现代光科学的发展。激光的发展和应用归因于它的四大特性:良好的方向性、高相干特性、稳定的单色性和能量集中特性，其中前三个特性是激光测量技术发展的重要基础。激光良好的方向性与高相干特性是其应用于测量的必要条件，而激光稳定的单色性则为高精度测量提供了重要保证。

本文所述的激光测量技术，其直接应用主要包括位置，形貌，运动(如振动、脉冲等)，形变量等参数的测量;另外，激光作为辅助工具或被测信息的间接载体来完成一些参数的测量，如时间，重力，惯量等的高精度测量。在几何、运动或形变等参数的直接测量方面，干涉测量原理是激光测量技术的核心或本质，因此，干涉测量原理也可以拓展应用到其它波段，如利用微波甚至声波可以在一些特定领域开展相关测量工作。在冷原子测量技术领域中，激光既可以作为原子冷却与抛射的重要操作工具，也可以在时间或重力的测量过程中作为重要中间量，例如拉曼激光的相位信息决定原子布居数，而原子布居数的测量则决定被测对象的测量值。

本文首先将对利用激光直接进行测量的技术进展与发展趋势进行阐述。阐述主要围绕高分辨力测振与全场振动测量两个方面展开;然后，会以重力测量为例对激光在原子冷却及原子干涉测量中的应用作详细介绍;最后，还将对微波干涉测量技术的应用以及激光测量技术在特殊领域的应用进行举例介绍。

1 激光测量的技术进展

按照测量参数分类，激光测量技术可以分为以多普勒测速原理为基础的振动测量技术(可用于运动参数及动态形变参数测量);以干涉测长原理为基础的距离测量技术(可用于位置、形貌等参数的测量)。以上两种测量技术的光路设计与解调方法略有不同，但是其本质完全相同:都需要利用激光良好的相干特性以及光波的相位信息来解调获得被测参数。而且两种测量技术的发展趋势也非常相近，都在向着更高分辨力和全场测量两个方向努力。例如:纳米甚至皮米尺度的几何量测量技术，微纳米表面形貌全场测量技术，精密器件微振动(亚纳米)测量技术，全场振动扫描(或瞬态)测量技术。在挑战更高测量水平并与工程需要相结合的过程中，以上两种技术也在逐步走向融合，并形成优势互补。下面则更多地以多普勒测振技术为主线，阐述说明激光测量技术在向着更高分辨力和全场测量两个方向发展所采用的创新方法与进展情况。

1.1 阿米量级稳定性的激光测振技术

目前广泛使用的商业激光测振仪器的位移测量分辨力在纳米至亚纳米量级，某些性能优异的商业多普勒测振仪的分辨力可以达到几十皮米(10-12m)量级。为了提高测量分辨力与稳定性，激光测量领域围绕双光束干涉测量技术展开研究［1-3］，双光束干涉测量稳定性的理论极限在飞米(10-15m)量级。另外，在引力波探测领域以及超精密光学腔应用中，为了获得更高的分辨力与稳定性，精密测量专业通常会采用多次反射的干涉测量技术，例如超精密F-P 腔干涉测量与反馈控制技术，这种多次反射的干涉测量方法，其稳定性理论上可以达到阿米(10-18m)量级。但是这种方法通常要求被测表面有非常高的反射率以支持多次反射的完成。这一条件限制了多次反射的干涉测量方法在工程中的应用，目前除了引力波探测，只有在硬盘或硅晶片缺陷检测等表面反射有保证的环境中可以使用多次反射的干涉测量技术。

为了实现更多任意表面的精细振动位移测量，Rembe 等人［1］提出一种开环反射腔的方法，其主要思想是在传统的双光束干涉仪与被测表面之间增加了一个特别设计的光学谐振反射镜组，这种反射镜组可以在形成多次反射腔的同时，将一部分光引向被测表面的测量点，使得被测表面的反射光也参与到反射腔的多次反射中(如图1)，从而在多次反射中解出被测表面位移引起的微小相位差，达到高分辨力测振的目的。这种测量方案可以直接应用于微机电系统(MEMS)乃至纳机电系统(NEMS)的振动特性测量与加工质量评价，用量非常大。

图1 多次反射的腔外振动高分测量原理图［1］

在以上这种测量方案下，可以对普通反射表面的试件进行更高分辨力的振动测量。目前已有相关产品完成了一些验证试验，试验装置如图2。根据试验测量数据，该装置测量振动位移的最好稳定性为10-18m/［1］。但是该装置对被测表面的定位与倾斜角度有比较高的要求，因为偏离过大则会超出谐振腔干涉解调的范围。同样的道理，该装置目前对于振动位移的测量量程只在1 nm 之内，超过该量程，则无法正确解出位移的相位信息。例如图3 的测量结果，对于峰峰值200 pm 的正弦振动，可以获得很好的振动位移测量结果，但是对于峰峰值1 nm 的正弦振动，在峰值附近范围内已经不能正确解出位移信息。

一是天然气发展形势比石油好。目前，全球常规、非常规石油资源总量约为1.02万亿吨，可支撑世界按现有消费水平使用150年以上。其中，常规石油可采资源量为6158亿吨，采出程度为32%，剩余储量为39%，待发现储量为29%；非常规可采资源量为4120亿吨，勘探开发程度很低，采出量很少（见图3）。全球常规、非常规天然气资源总量约为3850万亿立方米，可支撑开采数百年。其中，常规天然气资源量为525万亿立方米，采出量比例为20%，剩余储量、待发现潜力大；非常规天然气资源量约为3331万亿立方米，是常规天然气资源的6倍多，采出量很低（见图4）。相对来说，天然气储产量增长较快，发展形势比石油更好。

图2 多次反射的腔外振动高分测量装置图［1］

图3 多次反射的腔外振动高分测量结果［1］

1.2 全场振动的激光测量技术

在全场振动激光测量技术中，扫描式激光测振是应用最广泛也是技术最成熟的一种全场振动测量方法。然而，扫描式激光测振方法只能测量稳态振动信号，即要求被测对象的运动模式要具有一定的规律性或周期性，对于非周期的瞬态运动模式(例如冲击、随机振动等)，扫描式激光测振方法不能完整记录全场各空间位置在每一时刻的运动信息，即无法完成全场运动的瞬态测量。以上问题的原因与扫描测振的测量方式直接相关，在扫描式激光测振方法中，测量激光始终只有一束，它根据设定的空间步长在设定被测表面范围内按时间顺序逐点完全测量，因此，每一个被测位置在大部分时间里都没有接受到激光测量，大量的瞬态运动信息无法被测量并记录下来。针对以上问题，激光测量领域提出瞬态图像相关技术以及多光束激光全场测量技术来解决全场运动的瞬态测量问题。

1.2.1 多光路多普勒测速技术测量瞬态运动

多光路LDV(多普勒测速)技术的核心是将一束高功率激光分成多束激光，让各自独立探测与独立解调，如图4 是一个12 路多普勒测振仪的光路示意图及实物照片［4］，多光路LDV 技术的优点在于可以利用多路激光实时测量多个被测位置(或被测目标)，可以用于全场运动的瞬态测量，也可以用于多个目标瞬态运动的同时检测。

图4 12 路多普勒测速仪光路示意图及实物照片

冲击载荷下的全场瞬态响应测量不可能利用扫描式激光测振技术完成，但是多光路多普勒测速技术可以测量全场的冲击响应。图5所示的是一种冲击驱动器在冲击载荷下的表面变形瞬态响应的测量实例。另外，多光路测振技术还可以通过灵活设计测量点位置与测量角度，对被测结构的多方位瞬态运动状态进行实时测量，达到在短时间内全方位测量并记录结构不同的位置运动信息的目的。图6所示的是利用多光路测速装置对发动机喷油阀门在不同冲击载荷下的结构响应进行瞬态测量的应用实例［4］。

图5 冲击驱动器表面形变瞬态响应测量

图6 发动机喷油阀门在不同冲击载荷下的结构响应

1.2.2 三维图像相关技术测量瞬态运动

在全场振动测量的应用中，一方面对瞬态运动的测量有较大的需求，另一方面，被测对象也经常会以空间结构的形式出现，与表面的振动测量不同，三维振动测量需要对结构的空间位置有较好地跟踪与描述(特别是在运动幅度较大的情况下)。三维图像相关测量技术以及三维点元跟踪技术则可以较好地解决以上问题。三维图像相关测量技术在风电涡轮旋翼动态应变检测中的应用实例如图7所示。

图7 三维图像相关技术测量风电旋翼动态应变的现场照片［5］

图8 三维图像相关技术与应变片动态测量结果比较

2 原子的相干特性在惯性量测量中的应用

激光除了利用自身干涉特性进行测量，还可以作为对原子的操作工具在量子计量及其相关的先进测量技术中扮演重要的角色。1997年，诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的朱棣文(Stephen，Chu)、法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院的Tannoudji 和美国国家标准技术院的Phillips，以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献。利用激光来冷却俘获原子的技术，既可以达到束缚原子运动并操作原子位置的目的，同时也能够控制原子稳定在一致的原子内态，使得原子团具有相干特性，这就为利用原子内态的干涉进行高精度测量提供了基本条件，目前各国高级计量机构普遍作为时间标准使用的原子喷泉钟就是一个最典型的应用实例。

另外，在量子计量与高精度测试技术中，激光除了作为有力的原子冷却与操作工具，还可以直接参与原子干涉过程。例如，在原子干涉原理高精度重力仪中［6］，拉曼激光就可以作为原子内态干涉的操作工具，在原子干涉过程中，将自身的相位信息映射到原子内态上，通过原子内态相位的测量获得激光相位信息，最后准确还原当地的绝对重力值。目前，原子重力仪的测量精度已经超过现有各种绝对重力仪［7］。

原子干涉原理绝对重力测量技术的基本原理体现在利用拉曼激光对冷原子进行内态干涉操作的过程中。受激拉曼跃迁型原子干涉仪采用π/2-π-π/2 构型，基于双光子受激拉曼跃迁实现原子内态干涉，其原理如图9所示。

图9 受激拉曼跃迁型原子干涉仪实验原理

考虑具有两个基态︱a ＞，︱b ＞和一个激发态︱i ＞的原子，用两束相向传播的激光作用在冷原子束上，π/2 和π 脉冲分别相当于光学里的分束器和反射镜，通过控制拉曼激光脉冲序列的时间和强度，形成π/2-π-π/2 序列的拉曼激光脉冲。假设原子最初都处在能态︱a，p ＞上，经过第一个拉曼π/2 脉冲作用后，原子均等分地处于︱a，p ＞态和︱b，p +ħkeff＞的相干复合态上，由于原子获得反冲动量，原子被分成两个波包，分别沿着路径:︱a ＞—︱b ＞—︱a ＞—︱a ＞和︱a ＞—︱a ＞—︱b ＞—︱a ＞传输，经过时间间隔T 后，两个原子波包分开的距离为ħkeffT/m;当拉曼π 脉冲作用于原子上时，将处于︱a，p＞态的原子全部转到︱b，p +ħkeff＞态，处于︱b，p+ħkeff＞态的原子全部转到︱a，p ＞态，即︱a，p ＞态和︱b，p+ħkeff＞态原子发生互换，同时两个态的原子都发生ħkeff的动量改变;再经过时间间隔T，在第二个拉曼π/2 脉冲光作用在原子上，使分开的波包重合，处在︱a，p ＞态的原子再一次分裂成︱a，p ＞态和︱b，p+ħkeff＞态的相干复合态，同时︱b，p +ħkeff＞态也分裂为︱a，p ＞态和︱b，p+ħkeff＞态的相干复合态，意味着此时︱a，p ＞态和︱b，p +ħkeff＞态上的原子均各有一半是经过不同路径演化而来，观察其中任何一个态都能观察到原子发生内态干涉的条纹。最终原子下落时两路径的相位差为

Δ ψ=φ1-2φ2+ φ3=|keff| gT2+ φ01-2φ02+ φ03

式中:φi为第i 束光的相位;|keff| 是拉曼激光的波矢大小(提曼激光由波矢分别为k1和k2两束激光束组成);T 为激光脉冲时间间隔;g 为重力加速度值;φ0i为第i 束光在t=0 时系统具有的初始相位差。实验中，扫描最后一个拉曼π/2 脉冲的相位来改变相位差Δψ，用探测光获得原子处于两个末态的布居数就可以得到干涉条纹［6］，如图10所示。

图10 由原子布居数得到的干涉条纹

实验中，受激拉曼跃迁型原子干涉重力仪通常采取的实施步骤可以描述为:用磁光阱技术冷却和囚禁气体原子;通过改变囚禁光的功率使冷原子团竖直上抛，形成冷原子喷泉;将原子制备在磁量子数为零的某个内态上，以减小外磁场的影响;将相位相干的拉曼光作用在原子束上，使原子波包发生分束、反射、重合，完成一次干涉;最后用一束探测光对处在末态原子进行探测，用收集到的信号算出原子处于某个状态的布居数或概率，得到干涉条纹，并以此拟合出由重力加速度引起的相移，最终计算出重力加速度g的值。

上述内容以重力测量为例，对原子干涉技术原理作简单介绍。同样的原理，还可以应用于转动量的测量，形成原子陀螺仪，利用原子的干涉特性完成对运动量的高精度动态测量。

图11 268 m 高通讯塔及微波干涉测振设备照片

3 干涉原理在微波段的扩展应用及激光测量技术的特殊应用

激光干涉测量技术还有许多扩展应用，主要表现在两个方面:一是干涉原理在不同波段的应用，例如微波干涉测量技术;二是激光振动测量技术在工程领域之外的扩展应用，例如激光多普勒测振技术在医学研究与诊断中的应用。

3.1 微波干涉测量技术

激光测量的干涉原理同样适用于微波波段，相对激光来说，微波具有一定的远距离传输优势，适用于远距离或大型结构(如建筑物，桥梁等)的振动情况监测，微波干涉测振技术由于这一特点在大型工程实施与健康监测中具有较好的应用前景。目前，利用雷达发出微波信号对被测物进行整体照射，可以通过接收天线设计，完成对被测物不同部位运动信息的同时监测。利用这项功能，人们可以利用非接触的方式全面实时监测大型建筑结构的运动或振动情况，与传统的建筑结构振动监测相比，可以省去大量传感器和传感器的布置安装以及布线工作，为设计、施工以及维护使用中的测量节省大量的经费与时间。

微波干涉测量技术已经应用于各种大型建筑结构的振动测量。有研究者［8］利用17.2 GHz 中心频率的微波干涉测振装置完成了对268 m 高的通讯塔各阶振动模态的测量与提取，证明了将微波干涉测量技术应用于大型建筑结构的振动监测是完全可行的。被测通讯高塔以及微波干涉测量设备的实物照片如图11所示，图12 是测量结果，测量曲线能够正确地反应出高塔的各阶振动模态及相应的频率。

微波干涉测量对被测物体的表面形式有一定的适应能力，有研究者［9］利用微波干涉测量设备对斜拉式钢索大桥的振动情况进行监测，试验证明微波干涉测量设备既可以测量桥板的振动，也可以对钢索的振动进行测量，图13 就是在两种测量对象中获得的被测部位的微波返回信号。测量所用微波干涉测量设备的基本指标是:测量距离500 m，位移分辨力0.02 mm，测量频率在200 Hz 以内。

图12 利用微波干涉测振装置对通讯塔各阶振动模态的测量结果

3.2 激光多普勒测振技术在医学研究与诊断中的应用

除了工程应用领域，激光多普勒测振技术在医学领域也逐步展现出其功能的优势。例如激光多普勒测速技术利用其非接触以及灵活准确选择测量点的优势，可以配合传统心脏及压力检测仪器对人体体表微弱振动进行全方位选点监测［10］如图14所示，由此达到了高效率健康检查以及针对特殊病症早期诊断的目的。

图13 利用微波干涉测量设备对斜拉式大桥的桥板底面和斜拉钢索进行振动测量时各监测点的返回信号

图14 激光多普勒测量仪配合传统监测系统组成人体健康监测与诊断系统

另外，激光多普勒测速技术在人体特殊功能器官微弱振动的非接触监测中发挥重要作用。例如，激光多普勒测振技术可以对中耳结构与工作状态进行监测。研究表明，通常情况下传入耳朵的声压都在96 dB 以下，中耳振动结构对声音的传输性能都具有较好的线性关系，然而当传入耳朵声压大于96 dB 的时候，中耳振动结构对声音的传输过程中会出现较严重的非线性表现［11］。通常情况下，助听器传入耳朵的声压有可能会超过这一量级，造成使用者对声音辨识的障碍;因此非常有必要在大声压下对中耳听骨振动结构的非线性表现作细致的测量研究。激光多普勒测振技术属于非接触测量技术，不会对中耳结构造成任何干扰与损害，而且可以对微弱振动给出精确的测量结果，所以非常适于应用于此类测量工作［11］。通过大量细致的中耳听骨振动测量研究，可以为助听器的设计改进提供重要的参考依据［11］。

4 结论

世界第一台激光器被研制出来不久，激光在测量领域中的应用就很快从实验室研究走向成熟技术，除了相关辅助技术条件的完备与工程需求的极速带动，激光本身优异的单色性与相干特性应该是激光测量技术快速走向成熟的本质原因。本文也主要以激光的单色性与相干性为基础，对激光测速技术在高精度与瞬态全场测量两个方向的进展情况进行了详细描述;另外还说明了激光单色性与相干性在量子计量中对原子操作技术的重要贡献;最后还对相干测量技术在不同领域的应用作了简单介绍。激光测量技术在各个领域的广泛应用，既说明激光测量技术具有强大而优异的基础特性，也说明激光测量技术具有宽广而持久的技术辐射性。作为测量专业的技术工作者，需要认清并牢牢掌握激光的本质特性，同时积极创新开拓前沿方向，让激光的优异特性在计量测试领域发挥更多更重要的作用。

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