新型激光干涉仪研究进展——北京交通大学谢芳教授

·12·中国高新科技2018年第11期TechnologyFirst科技先锋新型激光干涉仪研究进展谢芳，女，1987年本科毕业于重庆大学机械工程系，1992年硕士毕业于重庆大学光机学院，2002年博士毕业于清华大学精密仪器系；2002～2003年在英国阿斯顿大学做博士后工作，2003年开始在北京交通大学任教，历任讲师、副教授、教授、博士生导师，主要研究方向为光纤传感、微纳米在线测量、精密仪器，教授《光电信息检测原理》《大学物理》《大学物理实验》等课程。随着我国从科技大国迈向科技强国步伐的不断加速，“创新驱动发展，改革驱动创新”已成为全体国民的共识。2018年3月，新一任科学技术部部长王志刚曾在“部长通道”回答记者，科技在当今时代越来越重要，是新时代支撑国家强盛的重要一环。政府创新工作报告指出，我们现在分三步走：到2020年进入创新型国家行列，到2030年跻身创新型国家前列、到2050年建成世界科技创新强国。不可否认，科技将在未来发挥越来越重要的作用。激光干涉测量仪必将很好地验证这一点，它的实践者就是北京交通大学的谢芳教授。凭借着扎实的理论基础和丰富的科研经验，谢芳教授先后主持多项国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金项目。她主持完成的北京市自然科学基金项目“基于波分复用技术的光纤干涉纳米在线测量系统研究”和“基于光纤激光自混合干涉的高精度位移在线测量技术研究”于2016年12月入选《北京市自然科学基金“十二五”期间优秀成果选编》，展现了这些科研成果的先进性和优越性。新型激光干涉仪所谓激光干涉仪，是一种以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具，被广泛应用于精密长度、角度的测量，如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等做线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可进行精密工具机或测量仪器的校正工作。传统的激光干涉仪在测量时对被测物体表面的反射率有一定要求。例如，雷尼绍公司的干涉仪在进行测量时，需要在被测物体上安装合作靶镜（角锥棱镜等），对不能安装合作靶镜的小、轻、薄、软等物体无法进行测量。而且，传统激光干涉仪的测量头与激光干涉仪是一体的，激光干涉仪的安装对环境有一定要求，这使得激光干涉仪■文／高　菲TechnologyFirst科技先锋——北京交通大学谢芳教授·12·中国高新科技2018年第11期·13·中国高新科技2018年第11期TechnologyFirst科技先锋难以对位于狭窄空间等苛刻环境中的物体进行测量。科学技术的成熟、生产工艺的进步、加工精度的细化，均对测量工具提出了更高的要求。激光干涉仪，因其高分辨率、高精度、可溯源到波长基准，在军事、工业等高端领域都有着广泛应用，既可用于精密机床、大规模集成电路加工设备测量，又可用于手表零部件等微小运动的精密测量，具有极高的应用价值。基于此，谢芳教授带领团队研究的单波、双波及三波光纤激光自混合干涉仪，可以完成传统的激光干涉仪能完成的所有工作，而且能够对从低到高各种反射率物体进行测量，不需要合作靶镜。测量头与干涉仪主体以光纤连接，可以安装在任何条件苛刻的环境中，使光纤激光自混合干涉仪有极强的环境适应能力，完成传统的激光干涉仪难以完成的工作，例如绝对距离测量、台阶高度测量等。为精密测试仪器国产化奋斗随着科技的进步，光学产品不断涌现，从航天、军事等高科技产品到数码相机、手机等大众消费产品都与光学相关，这对光学检测手段提出了新的要求，而激光干涉仪正是检测光学产品的主要仪器。可以说，拥有一台激光干涉仪，就拥有了世界一级的检测手段，就能证明可以生产一流产品。军事上，激光干涉仪可用于激光制导、激光检测等，对于我国科学技术推动乃至武器研发都有不可替代的作用，但是当前我国尚无生产和提供激光干涉测量仪产品的厂家。从全球范围来看，目前激光干涉测量仪的生产企业主要有雷尼绍公司、齐戈（Zygo）公司、安捷伦科技有限公司，他们的产品不但价格昂贵，而且涉及军工、国防应用的激光干涉测量仪还对我国实行禁运。面对各行各业对激光干涉测量仪需求的不断增加，以及我国尚不能自主生产激光干涉的现状，谢芳教授团队在北京市自然科学基金“基于光纤激光自混合干涉的高精度位移在线测量技术研究”等项目的支持下，研究了单波光纤激光器、双波光纤激光器以及三波光纤激光器，并在光纤激光器的基础上对单波、双波及三波光纤激光自混合干涉在精密测量中的应用作了深入研究。这三种光纤激光自混合干涉仪具有国外公司生产的激光干涉仪的所有功能，可以对位移、定位、台阶高度、绝对距离、振动、直线度等物理量进行测量，并可以对从低到高各种反射率物体进行测量，满足我国对激光干涉仪的需求，可以完全或者部分取代国外公司的同类产品，实现精密测试仪器国产化。谢芳教授及其团队已经在国内外关领域期刊杂志发表文章70余篇，并被多次下载和引用。同时获得授权发明专利17项，主要包括：利用光纤光栅的光纤干涉型在线微位移测量系统，利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统及方法，利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法和系统，利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法及系统，合成波干涉纳米表面三维在线测量方法及系统，合成波干涉纳米表面三维在线测量系统及方法，利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统等。人类社会的每一次进步，都伴随着科学技术的进步。在2016年召开的全国科技创新大会上，习近平总书记发出了“建设世界科技强国”的号召。党的十九大上，习近平总书记再次明确提出，到2035年基本实现社会主义现代化，到2050年前后基本建成社会主义现代化强国。无疑，在科技飞速发展的今天，谁能真正把握新科技革命的趋势、特征和战略先机，谁就有可能在未来发展中获得领先优势。像谢芳教授这样在求知道路上不懈追求、勇于探索的科学家，是科学技术的拓新者，也是社会发展的推动者。TechnologyFirst科技先锋·13·中国高新科技2018年第11期