基于激光频率梳原理对深孔内轮廓测量方法的探究

摘要

本文针对深孔内轮廓高精度测量需求，探究基于激光频率梳原理的测量方法。阐述该方法测量原理、系统构成与测量步骤，通过实例分析其在深孔内轮廓测量中的优势，为深孔内轮廓精密测量提供新的技术路径。

关键词

激光频率梳；深孔；内轮廓测量；干涉原理；精密测量

一、引言

在航空航天、高端机械制造等领域，深孔零件内轮廓精度直接影响产品性能。如航空发动机燃烧室深孔、精密液压件缸体深孔等，其轮廓精度要求达微米级。传统测量方法如接触式测头扫描、工业 CT 等，存在测量效率低、易损伤孔壁或辐射成本高等问题。激光频率梳作为高精度频率与时间测量工具，其独特的相干性与频谱特性为深孔内轮廓测量提供了新思路。

二、激光频率梳测量深孔内轮廓的原理

激光频率梳本质是一系列等间隔光频组成的脉冲序列，其频率间隔可表示为 f_{text{rep}} = frac{c}{2L}（c为光速，L为腔长），载波包络偏移频率 f_{text{ceo}} 可通过锁定实现精确测量。测量深孔内轮廓时，超短脉冲激光经分光系统分为测量光与参考光：测量光通过光学扫描系统投射至深孔内壁，反射光与参考光在探测器处产生干涉。由于深孔内不同位置的反射光光程不同，干涉信号的频谱分布会携带深度信息。通过傅里叶变换解析干涉信号的相位延迟，结合光频梳的频率标尺，可反演出深孔内壁各点的三维坐标，从而重构内轮廓形貌。

三、测量系统设计与构成

3.1 光学系统

采用光纤耦合的飞秒激光频率梳作为光源，重复频率稳定在 100MHz 量级，脉冲宽度小于 100fs。分光系统包含偏振分光棱镜与准直透镜，将测量光分为多束扫描光束，通过振镜扫描系统实现深孔内壁的二维扫描。参考光路设置可调节的光学延迟线，用于补偿测量光的光程差。

3.2 机械扫描机构

设计自定心式三维扫描装置，包含弹性支撑爪与步进电机驱动的轴向进给机构。弹性支撑爪采用记忆合金材料，可自动适应 φ5mm - φ50mm 的深孔直径，确保扫描机构沿深孔轴线精确移动。扫描头集成微机电系统（MEMS）振镜，实现径向 200° 范围内的激光扫描。

3.3 数据采集与处理系统

使用高速光谱仪（采样率≥1MHz）采集干涉信号，通过现场可编程门阵列（FPGA）实时进行频谱分析。数据处理软件基于 LabVIEW 开发，集成光频梳相位解算算法与三维轮廓重构算法，可自动生成 STL 格式的内轮廓模型。

四、测量方法与步骤

4.1 系统标定

在测量前，利用标准圆柱深孔（直径 φ10mm，深度 100mm，粗糙度 Ra0.1μm）进行系统标定。通过调节参考光路延迟线，使干涉信号的中心波长对准光谱仪的最佳响应区间，同时校准扫描机构的轴向与径向坐标零点，确保测量坐标系的准确性。

4.2 深孔扫描

将扫描装置插入深孔，弹性支撑爪自动定心后，启动轴向进给机构（速度 1mm/s）与振镜扫描（频率 50Hz）。激光频率梳以 100kHz 的重复频率发射脉冲，每扫描 1mm 采集一组干涉光谱数据，每组数据包含 1024 个光谱点。对于深度 100mm 的深孔，全程扫描时间约 2 分钟。

4.3 数据处理与轮廓重构

对采集的干涉光谱进行预处理，通过小波变换去除环境噪声。利用光频梳的双频率锁定特性（f_{text{rep}}与f_{text{ceo}}），将光谱数据转换为相位延迟信息，根据公式 d = frac{c cdot Delta phi}{4pi f_{text{rep}}}（Delta phi为相位差）计算各点深度值。最后通过三角网格剖分算法，将离散的深度数据重构为连续的三维内轮廓模型。

五、实验验证与优势分析

5.1 实验案例

对某型号航空发动机燃油喷嘴深孔（直径 φ8mm，深度 80mm，锥度≤0.05mm）进行测量，传统接触式测量需 30 分钟 / 件，且因测头磨损导致重复精度仅 ±50μm。采用激光频率梳测量方法，单次扫描时间 2.5 分钟，重复测量 10 次的标准偏差为 ±8μm，成功检测出孔壁中部 0.03mm 的局部凸起，而传统方法未能识别该缺陷。

5.2 技术优势

5.2.1 非接触高精度测量

基于光频梳的相干测量原理，避免接触式测量的机械磨损，深度测量精度达 ±10μm，轮廓分辨率达 50nm，适用于精密深孔的内表面缺陷检测。

5.2.2 快速三维重构

结合振镜扫描与高速数据采集，实现深孔内轮廓的快速三维建模，测量效率较传统方法提升 10 倍以上，满足批量生产中的在线检测需求。

5.2.3 环境适应性强

采用光纤传输激光，可在高温（≤120℃）、粉尘等恶劣环境中稳定工作，通过密封设计可实现水下 50m 深度的深孔测量。

5.2.4 多功能集成

除内轮廓测量外，该系统可同步获取深孔的圆度、圆柱度、表面粗糙度等参数，通过算法升级可实现内表面裂纹的自动化识别。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。

核心技术优势

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）