激光與原子的相干性在計量測試領域中的應用進展

王宇，茹寧，張大治，季俊云

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

20世紀60年代初，梅曼(Maiman)成功研制世界首臺激光器，激光的出現不但引起了光學的革命，沖擊了整個物理學，并且對其他學科如化學、生物學、電子和電機工程學、材料科學、醫學等都產生了巨大的影響，對科學技術的整體發展起到重要的推動作用。如果沒有激光就沒有現代光電子學和現代光科學的發展。激光的發展和應用歸因于它的四大特性:良好的方向性、高相干特性、穩定的單色性和能量集中特性，其中前三個特性是激光測量技術發展的重要基礎。激光良好的方向性與高相干特性是其應用于測量的必要條件，而激光穩定的單色性則為高精度測量提供了重要保證。

本文所述的激光測量技術，其直接應用主要包括位置，形貌，運動(如振動、脈沖等)，形變量等參數的測量;另外，激光作為輔助工具或被測信息的間接載體來完成一些參數的測量，如時間，重力，慣量等的高精度測量。在幾何、運動或形變等參數的直接測量方面，干涉測量原理是激光測量技術的核心或本質，因此，干涉測量原理也可以拓展應用到其它波段，如利用微波甚至聲波可以在一些特定領域開展相關測量工作。在冷原子測量技術領域中，激光既可以作為原子冷卻與拋射的重要操作工具，也可以在時間或重力的測量過程中作為重要中間量，例如拉曼激光的相位信息決定原子布居數，而原子布居數的測量則決定被測對象的測量值。

本文首先將對利用激光直接進行測量的技術進展與發展趨勢進行闡述。闡述主要圍繞高分辨力測振與全場振動測量兩個方面展開;然后，會以重力測量為例對激光在原子冷卻及原子干涉測量中的應用作詳細介紹;最后，還將對微波干涉測量技術的應用以及激光測量技術在特殊領域的應用進行舉例介紹。

1 激光測量的技術進展

按照測量參數分類，激光測量技術可以分為以多普勒測速原理為基礎的振動測量技術(可用于運動參數及動態形變參數測量);以干涉測長原理為基礎的距離測量技術(可用于位置、形貌等參數的測量)。以上兩種測量技術的光路設計與解調方法略有不同，但是其本質完全相同:都需要利用激光良好的相干特性以及光波的相位信息來解調獲得被測參數。而且兩種測量技術的發展趨勢也非常相近，都在向著更高分辨力和全場測量兩個方向努力。例如:納米甚至皮米尺度的幾何量測量技術，微納米表面形貌全場測量技術，精密器件微振動(亞納米)測量技術，全場振動掃描(或瞬態)測量技術。在挑戰更高測量水平并與工程需要相結合的過程中，以上兩種技術也在逐步走向融合，并形成優勢互補。下面則更多地以多普勒測振技術為主線，闡述說明激光測量技術在向著更高分辨力和全場測量兩個方向發展所采用的創新方法與進展情況。

1.1 阿米量級穩定性的激光測振技術

目前廣泛使用的商業激光測振儀器的位移測量分辨力在納米至亞納米量級，某些性能優異的商業多普勒測振儀的分辨力可以達到幾十皮米(10-12m)量級。為了提高測量分辨力與穩定性，激光測量領域圍繞雙光束干涉測量技術展開研究［1-3］，雙光束干涉測量穩定性的理論極限在飛米(10-15m)量級。另外，在引力波探測領域以及超精密光學腔應用中，為了獲得更高的分辨力與穩定性，精密測量專業通常會采用多次反射的干涉測量技術，例如超精密F-P 腔干涉測量與反饋控制技術，這種多次反射的干涉測量方法，其穩定性理論上可以達到阿米(10-18m)量級。但是這種方法通常要求被測表面有非常高的反射率以支持多次反射的完成。這一條件限制了多次反射的干涉測量方法在工程中的應用，目前除了引力波探測，只有在硬盤或硅晶片缺陷檢測等表面反射有保證的環境中可以使用多次反射的干涉測量技術。

為了實現更多任意表面的精細振動位移測量，Rembe 等人［1］提出一種開環反射腔的方法，其主要思想是在傳統的雙光束干涉儀與被測表面之間增加了一個特別設計的光學諧振反射鏡組，這種反射鏡組可以在形成多次反射腔的同時，將一部分光引向被測表面的測量點，使得被測表面的反射光也參與到反射腔的多次反射中(如圖1)，從而在多次反射中解出被測表面位移引起的微小相位差，達到高分辨力測振的目的。這種測量方案可以直接應用于微機電系統(MEMS)乃至納機電系統(NEMS)的振動特性測量與加工質量評價，用量非常大。

圖1 多次反射的腔外振動高分測量原理圖［1］

在以上這種測量方案下，可以對普通反射表面的試件進行更高分辨力的振動測量。目前已有相關產品完成了一些驗證試驗，試驗裝置如圖2。根據試驗測量數據，該裝置測量振動位移的最好穩定性為10-18m/［1］。但是該裝置對被測表面的定位與傾斜角度有比較高的要求，因為偏離過大則會超出諧振腔干涉解調的范圍。同樣的道理，該裝置目前對于振動位移的測量量程只在1 nm 之內，超過該量程，則無法正確解出位移的相位信息。例如圖3 的測量結果，對于峰峰值200 pm 的正弦振動，可以獲得很好的振動位移測量結果，但是對于峰峰值1 nm 的正弦振動，在峰值附近范圍內已經不能正確解出位移信息。

一是天然氣發展形勢比石油好。目前，全球常規、非常規石油資源總量約為1.02萬億噸，可支撐世界按現有消費水平使用150年以上。其中，常規石油可采資源量為6158億噸，采出程度為32%，剩余儲量為39%，待發現儲量為29%；非常規可采資源量為4120億噸，勘探開發程度很低，采出量很少（見圖3）。全球常規、非常規天然氣資源總量約為3850萬億立方米，可支撐開采數百年。其中，常規天然氣資源量為525萬億立方米，采出量比例為20%，剩余儲量、待發現潛力大；非常規天然氣資源量約為3331萬億立方米，是常規天然氣資源的6倍多，采出量很低（見圖4）。相對來說，天然氣儲產量增長較快，發展形勢比石油更好。

圖2 多次反射的腔外振動高分測量裝置圖［1］

圖3 多次反射的腔外振動高分測量結果［1］

1.2 全場振動的激光測量技術

在全場振動激光測量技術中，掃描式激光測振是應用最廣泛也是技術最成熟的一種全場振動測量方法。然而，掃描式激光測振方法只能測量穩態振動信號，即要求被測對象的運動模式要具有一定的規律性或周期性，對于非周期的瞬態運動模式(例如沖擊、隨機振動等)，掃描式激光測振方法不能完整記錄全場各空間位置在每一時刻的運動信息，即無法完成全場運動的瞬態測量。以上問題的原因與掃描測振的測量方式直接相關，在掃描式激光測振方法中，測量激光始終只有一束，它根據設定的空間步長在設定被測表面范圍內按時間順序逐點完全測量，因此，每一個被測位置在大部分時間里都沒有接受到激光測量，大量的瞬態運動信息無法被測量并記錄下來。針對以上問題，激光測量領域提出瞬態圖像相關技術以及多光束激光全場測量技術來解決全場運動的瞬態測量問題。

1.2.1 多光路多普勒測速技術測量瞬態運動

多光路LDV(多普勒測速)技術的核心是將一束高功率激光分成多束激光，讓各自獨立探測與獨立解調，如圖4 是一個12 路多普勒測振儀的光路示意圖及實物照片［4］，多光路LDV 技術的優點在于可以利用多路激光實時測量多個被測位置(或被測目標)，可以用于全場運動的瞬態測量，也可以用于多個目標瞬態運動的同時檢測。

圖4 12 路多普勒測速儀光路示意圖及實物照片

沖擊載荷下的全場瞬態響應測量不可能利用掃描式激光測振技術完成，但是多光路多普勒測速技術可以測量全場的沖擊響應。圖5所示的是一種沖擊驅動器在沖擊載荷下的表面變形瞬態響應的測量實例。另外，多光路測振技術還可以通過靈活設計測量點位置與測量角度，對被測結構的多方位瞬態運動狀態進行實時測量，達到在短時間內全方位測量并記錄結構不同的位置運動信息的目的。圖6所示的是利用多光路測速裝置對發動機噴油閥門在不同沖擊載荷下的結構響應進行瞬態測量的應用實例［4］。

圖5 沖擊驅動器表面形變瞬態響應測量

圖6 發動機噴油閥門在不同沖擊載荷下的結構響應

1.2.2 三維圖像相關技術測量瞬態運動

在全場振動測量的應用中，一方面對瞬態運動的測量有較大的需求，另一方面，被測對象也經常會以空間結構的形式出現，與表面的振動測量不同，三維振動測量需要對結構的空間位置有較好地跟蹤與描述(特別是在運動幅度較大的情況下)。三維圖像相關測量技術以及三維點元跟蹤技術則可以較好地解決以上問題。三維圖像相關測量技術在風電渦輪旋翼動態應變檢測中的應用實例如圖7所示。

圖7 三維圖像相關技術測量風電旋翼動態應變的現場照片［5］

圖8 三維圖像相關技術與應變片動態測量結果比較

2 原子的相干特性在慣性量測量中的應用

激光除了利用自身干涉特性進行測量，還可以作為對原子的操作工具在量子計量及其相關的先進測量技術中扮演重要的角色。1997年，諾貝爾物理學獎授予美國加州斯坦福大學的朱棣文(Stephen，Chu)、法國巴黎的法蘭西學院和高等師范學院的Tannoudji 和美國國家標準技術院的Phillips，以表彰他們在發展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面所作的貢獻。利用激光來冷卻俘獲原子的技術，既可以達到束縛原子運動并操作原子位置的目的，同時也能夠控制原子穩定在一致的原子內態，使得原子團具有相干特性，這就為利用原子內態的干涉進行高精度測量提供了基本條件，目前各國高級計量機構普遍作為時間標準使用的原子噴泉鐘就是一個最典型的應用實例。

另外，在量子計量與高精度測試技術中，激光除了作為有力的原子冷卻與操作工具，還可以直接參與原子干涉過程。例如，在原子干涉原理高精度重力儀中［6］，拉曼激光就可以作為原子內態干涉的操作工具，在原子干涉過程中，將自身的相位信息映射到原子內態上，通過原子內態相位的測量獲得激光相位信息，最后準確還原當地的絕對重力值。目前，原子重力儀的測量精度已經超過現有各種絕對重力儀［7］。

原子干涉原理絕對重力測量技術的基本原理體現在利用拉曼激光對冷原子進行內態干涉操作的過程中。受激拉曼躍遷型原子干涉儀采用π/2-π-π/2 構型，基于雙光子受激拉曼躍遷實現原子內態干涉，其原理如圖9所示。

圖9 受激拉曼躍遷型原子干涉儀實驗原理

考慮具有兩個基態︱a ＞，︱b ＞和一個激發態︱i ＞的原子，用兩束相向傳播的激光作用在冷原子束上，π/2 和π 脈沖分別相當于光學里的分束器和反射鏡，通過控制拉曼激光脈沖序列的時間和強度，形成π/2-π-π/2 序列的拉曼激光脈沖。假設原子最初都處在能態︱a，p ＞上，經過第一個拉曼π/2 脈沖作用后，原子均等分地處于︱a，p ＞態和︱b，p +?keff＞的相干復合態上，由于原子獲得反沖動量，原子被分成兩個波包，分別沿著路徑:︱a ＞—︱b ＞—︱a ＞—︱a ＞和︱a ＞—︱a ＞—︱b ＞—︱a ＞傳輸，經過時間間隔T 后，兩個原子波包分開的距離為?keffT/m;當拉曼π 脈沖作用于原子上時，將處于︱a，p＞態的原子全部轉到︱b，p +?keff＞態，處于︱b，p+?keff＞態的原子全部轉到︱a，p ＞態，即︱a，p ＞態和︱b，p+?keff＞態原子發生互換，同時兩個態的原子都發生?keff的動量改變;再經過時間間隔T，在第二個拉曼π/2 脈沖光作用在原子上，使分開的波包重合，處在︱a，p ＞態的原子再一次分裂成︱a，p ＞態和︱b，p+?keff＞態的相干復合態，同時︱b，p +?keff＞態也分裂為︱a，p ＞態和︱b，p+?keff＞態的相干復合態，意味著此時︱a，p ＞態和︱b，p +?keff＞態上的原子均各有一半是經過不同路徑演化而來，觀察其中任何一個態都能觀察到原子發生內態干涉的條紋。最終原子下落時兩路徑的相位差為

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

式中:φi為第i 束光的相位;|keff| 是拉曼激光的波矢大小(提曼激光由波矢分別為k1和k2兩束激光束組成);T 為激光脈沖時間間隔;g 為重力加速度值;φ0i為第i 束光在t=0 時系統具有的初始相位差。實驗中，掃描最后一個拉曼π/2 脈沖的相位來改變相位差Δψ，用探測光獲得原子處于兩個末態的布居數就可以得到干涉條紋［6］，如圖10所示。

圖10 由原子布居數得到的干涉條紋

實驗中，受激拉曼躍遷型原子干涉重力儀通常采取的實施步驟可以描述為:用磁光阱技術冷卻和囚禁氣體原子;通過改變囚禁光的功率使冷原子團豎直上拋，形成冷原子噴泉;將原子制備在磁量子數為零的某個內態上，以減小外磁場的影響;將相位相干的拉曼光作用在原子束上，使原子波包發生分束、反射、重合，完成一次干涉;最后用一束探測光對處在末態原子進行探測，用收集到的信號算出原子處于某個狀態的布居數或概率，得到干涉條紋，并以此擬合出由重力加速度引起的相移，最終計算出重力加速度g的值。

上述內容以重力測量為例，對原子干涉技術原理作簡單介紹。同樣的原理，還可以應用于轉動量的測量，形成原子陀螺儀，利用原子的干涉特性完成對運動量的高精度動態測量。

圖11 268 m 高通訊塔及微波干涉測振設備照片

3 干涉原理在微波段的擴展應用及激光測量技術的特殊應用

激光干涉測量技術還有許多擴展應用，主要表現在兩個方面:一是干涉原理在不同波段的應用，例如微波干涉測量技術;二是激光振動測量技術在工程領域之外的擴展應用，例如激光多普勒測振技術在醫學研究與診斷中的應用。

3.1 微波干涉測量技術

激光測量的干涉原理同樣適用于微波波段，相對激光來說，微波具有一定的遠距離傳輸優勢，適用于遠距離或大型結構(如建筑物，橋梁等)的振動情況監測，微波干涉測振技術由于這一特點在大型工程實施與健康監測中具有較好的應用前景。目前，利用雷達發出微波信號對被測物進行整體照射，可以通過接收天線設計，完成對被測物不同部位運動信息的同時監測。利用這項功能，人們可以利用非接觸的方式全面實時監測大型建筑結構的運動或振動情況，與傳統的建筑結構振動監測相比，可以省去大量傳感器和傳感器的布置安裝以及布線工作，為設計、施工以及維護使用中的測量節省大量的經費與時間。

微波干涉測量技術已經應用于各種大型建筑結構的振動測量。有研究者［8］利用17.2 GHz 中心頻率的微波干涉測振裝置完成了對268 m 高的通訊塔各階振動模態的測量與提取，證明了將微波干涉測量技術應用于大型建筑結構的振動監測是完全可行的。被測通訊高塔以及微波干涉測量設備的實物照片如圖11所示，圖12 是測量結果，測量曲線能夠正確地反應出高塔的各階振動模態及相應的頻率。

微波干涉測量對被測物體的表面形式有一定的適應能力，有研究者［9］利用微波干涉測量設備對斜拉式鋼索大橋的振動情況進行監測，試驗證明微波干涉測量設備既可以測量橋板的振動，也可以對鋼索的振動進行測量，圖13 就是在兩種測量對象中獲得的被測部位的微波返回信號。測量所用微波干涉測量設備的基本指標是:測量距離500 m，位移分辨力0.02 mm，測量頻率在200 Hz 以內。

圖12 利用微波干涉測振裝置對通訊塔各階振動模態的測量結果

3.2 激光多普勒測振技術在醫學研究與診斷中的應用

除了工程應用領域，激光多普勒測振技術在醫學領域也逐步展現出其功能的優勢。例如激光多普勒測速技術利用其非接觸以及靈活準確選擇測量點的優勢，可以配合傳統心臟及壓力檢測儀器對人體體表微弱振動進行全方位選點監測［10］如圖14所示，由此達到了高效率健康檢查以及針對特殊病癥早期診斷的目的。

圖13 利用微波干涉測量設備對斜拉式大橋的橋板底面和斜拉鋼索進行振動測量時各監測點的返回信號

圖14 激光多普勒測量儀配合傳統監測系統組成人體健康監測與診斷系統

另外，激光多普勒測速技術在人體特殊功能器官微弱振動的非接觸監測中發揮重要作用。例如，激光多普勒測振技術可以對中耳結構與工作狀態進行監測。研究表明，通常情況下傳入耳朵的聲壓都在96 dB 以下，中耳振動結構對聲音的傳輸性能都具有較好的線性關系，然而當傳入耳朵聲壓大于96 dB 的時候，中耳振動結構對聲音的傳輸過程中會出現較嚴重的非線性表現［11］。通常情況下，助聽器傳入耳朵的聲壓有可能會超過這一量級，造成使用者對聲音辨識的障礙;因此非常有必要在大聲壓下對中耳聽骨振動結構的非線性表現作細致的測量研究。激光多普勒測振技術屬于非接觸測量技術，不會對中耳結構造成任何干擾與損害，而且可以對微弱振動給出精確的測量結果，所以非常適于應用于此類測量工作［11］。通過大量細致的中耳聽骨振動測量研究，可以為助聽器的設計改進提供重要的參考依據［11］。

4 結論

世界第一臺激光器被研制出來不久，激光在測量領域中的應用就很快從實驗室研究走向成熟技術，除了相關輔助技術條件的完備與工程需求的極速帶動，激光本身優異的單色性與相干特性應該是激光測量技術快速走向成熟的本質原因。本文也主要以激光的單色性與相干性為基礎，對激光測速技術在高精度與瞬態全場測量兩個方向的進展情況進行了詳細描述;另外還說明了激光單色性與相干性在量子計量中對原子操作技術的重要貢獻;最后還對相干測量技術在不同領域的應用作了簡單介紹。激光測量技術在各個領域的廣泛應用，既說明激光測量技術具有強大而優異的基礎特性，也說明激光測量技術具有寬廣而持久的技術輻射性。作為測量專業的技術工作者，需要認清并牢牢掌握激光的本質特性，同時積極創新開拓前沿方向，讓激光的優異特性在計量測試領域發揮更多更重要的作用。

［1］Christian Rembe，Lisa Kadner，Moritz Giesen.Approaching Attometer Laser Vibrometry［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，143:doi:10.1063/1.4879576.［2014-08-20］.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600?ver=pdfcov.

［2］Rembe C，Siegmund G，Steger H，et al.Measuring MEMS in Motion by Laser-Doppler Vibrometry［M］// Optical Inspection of Microsystems，Optical Science and Engineering Series 109.Wolfgang Osten.Boca Raton:Taylor and Francis Books，2006:245-292.

［3］Edelstein W A，Hough J，Pugh J R，et al.Limits to the measurement of displacement in an interferometric gravitational radiation detector［J］.J.Phys E:Sci.Instrum.，1978，11(7):710.

［4］Karl Bendel.Application of a multi-beam vibrometer on industrial components［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，251:doi:10.1063/1.4879590.［2014-08-18］.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600? ver=pdfcov.

［5］Peter Avitabile，Javad Baqersad，Christopher Niezrecki.Using digital image correlation and three dimensional point tracking in conjunction with real time operating data expansion techniques to predict full field dynamic strain.［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，3:doi:10.1063/1.4879564.［2014-08-20］.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600? ver=pdfcov.

［6］Peters A.，Chung K Y，Chu S.High-precision gravity measurements using atom interferometry［J］.Metrologia，2001，25:38.

［7］Susannah M Dickerson，Jason M Hogan，Alex Sugarbaker，et al.Multi-axis inertial sensing with long-time point source atom interferometry［J］.Phys.Rev.Lett.，2013，111:.083001.

［8］Guido Luzi，Michele Crosetto，Oriol Monserrat.Monitoring a tall tower through radar interferometry:The case of the Collserola tower in Barcelona［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，171:doi:10.1063/1.4879579.［2014-08-10］.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600? ver=pdfcov.

［9］Carmelo Gentile and Guido Luzi，Radar-based dynamic testing of the cable-suspended bridge crossing the Ebro River at Amposta，Spain［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，180:［2014-08-10］.doi:10.1063/1.4879580.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600? ver=pdfcov.

［10］Laura Mignanelli，Christian Rembe，Kristian Kroschel，et al.Medical diagnosis of the cardiovascular system on the carotid artery with IR laser Doppler vibrometer［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，313:doi:10.1063/1.4879597.［2014- 08- 10］.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600? ver=pdfcov.

［11］John Peacock，Joris Dirckx.Laser Doppler velocimetry for measurement of nonlinearity in the vibrations of the middle ear［J/OL］.AIP Conference Proceedings 1600，2014，342:doi:10.1063/1.4879601.［2014-08-20］.http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/1600? ver=pdfcov.