基于激光频率梳原理对深凹槽内轮廓测量方法的探究

引言

深凹槽内轮廓的精确测量是机械制造、航空航天等领域的关键技术难题。传统测量方法在面对深径比大、结构复杂的深凹槽时，常面临定位误差大、测量效率低等问题。激光频率梳作为一种高精度的频率和时间测量工具，其独特的相干特性为深凹槽内轮廓测量提供了新的技术路径，有望实现深凹槽内轮廓的高精度、高效率测量。

激光频率梳原理概述

激光频率梳是基于飞秒激光锁模技术产生的一种特殊光源，其光谱在频域上表现为一系列等间隔的梳状谱线。这些谱线的频率间隔（重复频率）和载波包络偏移频率具有极高的稳定性，可通过电子学方法精确锁定，从而实现频率和时间的高精度测量。激光频率梳的相干长度极长，且具有极高的时间分辨率，这使其在距离测量和轮廓扫描等领域具有独特优势。

深凹槽内轮廓测量系统构建

系统总体架构

基于激光频率梳的深凹槽内轮廓测量系统主要由激光频率梳光源模块、扫描光学模块、信号采集与处理模块以及机械支撑与定位模块组成。激光频率梳光源产生超短脉冲激光，经扫描光学模块反射后照射到深凹槽内壁，反射光返回后与参考光发生干涉，干涉信号由信号采集模块记录，最后通过数据处理模块解算出深凹槽内轮廓信息。

关键模块设计

激光频率梳光源模块选用中心波长为 1550nm 的飞秒激光频率梳，其重复频率稳定度优于 1×10??，载波包络偏移频率锁定精度达 0.1Hz，确保了测距的高精度。扫描光学模块采用二维振镜扫描结构，配合长焦深光学系统，可实现深凹槽内壁的螺旋扫描，扫描角度范围 ±45°，满足深径比 20:1 以上的深凹槽测量需求。

深凹槽内轮廓测量方法

测量原理

利用激光频率梳的飞秒脉冲干涉测距原理，通过测量激光脉冲从发射到接收的时间差来计算深凹槽内壁各点到测量系统的距离。对于深凹槽内轮廓测量，系统以一定的扫描轨迹对凹槽内壁进行扫描，获取内壁各点的三维坐标，进而重构出深凹槽的内轮廓形状。

扫描策略

为实现深凹槽内轮廓的完整测量，采用螺旋扫描策略。扫描时，激光束在振镜的作用下沿深凹槽轴向和周向同时运动，形成螺旋形扫描轨迹。轴向扫描速度根据深凹槽深度和测量精度要求确定，通常为 0.1 - 1mm/s；周向扫描频率为 1000Hz，确保在深凹槽周向获得足够的采样点密度，一般每毫米周向采样点不少于 200 个。

数据处理方法

采集到的干涉信号经光谱仪分析后，得到各扫描点的距离信息。采用最小二乘法对深凹槽内轮廓点云数据进行拟合，得到深凹槽的中心轴线。以该轴线为基准，计算各点的径向距离，从而获得深凹槽的直径分布、圆度误差等参数。对于深凹槽的深度测量，通过拟合凹槽底部平面，计算该平面到基准面的垂直距离。

误差分析与抑制措施

主要误差来源

测量过程中的主要误差来源包括激光频率梳的频率稳定性误差、扫描光学系统的畸变误差、环境振动引起的测量误差以及深凹槽内表面反射率不均匀导致的信号误差等。其中，激光频率梳的频率稳定性误差会导致测距基准不准确，影响测量精度；扫描光学系统的畸变会使扫描点的空间位置发生偏移；环境振动会导致测量光路的相位发生变化，引入测量误差。

误差抑制措施

为抑制激光频率梳的频率稳定性误差，采用高精度频率锁定技术，对重复频率和载波包络偏移频率进行实时监测和补偿，确保频率稳定性优于 1×10??。针对扫描光学系统的畸变误差，通过预先标定扫描光学系统的畸变参数，在数据处理阶段进行校正，使畸变误差小于 0.01mm。为减少环境振动的影响，测量系统采用隔振pt，并在光路中引入振动补偿模块，通过实时监测振动信号并进行相位补偿，将振动引起的误差控制在 ±0.5μm 以内。

测量精度验证

通过对标准深凹槽样件进行测量，验证该测量方法的精度。测量结果表明，对于深 100mm、直径 50mm 的标准深凹槽，深度测量不确定度为 ±0.3μm，直径测量误差≤0.5μm，圆度测量误差≤0.8μm，满足高精度深凹槽内轮廓测量需求。

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）