科普：激光辅助测量及应用实例

如今激光已被广泛应用于各个领域：无论是光纤网络通信的传输，工业加工中焊接、切割或者标记材料，还是执行复杂的医学程序，甚至拦截无人机和导弹——激光似乎无处不在。

还有另外一个激光已在其中成为主导者的领域——激光辅助测量。那么，究竟什么是激光辅助测量？顾名思义，这些是通过使用激光来实现或者得到改进的物理量测量。有很多种技术都依赖于激光，每种技术都利用一种或者多种激光特性。在本文中，我们将介绍激光辅助测量并给出几个值得注意的应用实例。

让我们首先讨论激光如何改变我们测量距离的方式。有趣的是，使用激光确定物体间距离的方法有很多种，每种方法根据我们需要测量的物体的尺寸、它与测量设备的距离以及所需的分辨率来选择。例如，光探测和测距 （LiDAR） 是指用于生成环境三维地图的一些技术，它是基于发射激光和探测反射信号。LiDAR 广泛用于自主车辆导航等应用，其中运行汽车的计算机需要收集有关其周围环境的实时信息，以确定最佳驾驶策略并避免事故。

最常见的 LiDAR测距是基于飞行时间测量，在这种测量方法中，发射和探测一个激光脉冲之间的时间被记录下来，然后使用已知的光速计算出光源和物体之间的距离。

基于相似工作原理的设备还能够实现物体速度的测量（例如汽车），以已知的时间间隔向移动物体发送多个激光脉冲，根据光完成一次往返行程所需时间之间的差来计算其速度。图 1 显示了执法机构使用的激光测速枪。其他 LiDAR 技术，例如连续波频率调制，依赖于不断改变激光器的频率并通过测量返回光的频率来推导出距离。

回到距离测量——如果我们想以更高的分辨率测量小尺寸物体（比如在工业加工的质量保证中），我们通常会使用其他测量技术，例如三角测量。在这里我们不详细讨论这个话题。

图1 使用激光枪测量路过汽车的速度

现在我们讨论一个已经被证明是对测量有用的不同领域——激光的干涉测量法，这是个用于描述一组测量方法的术语，这些测量方法依赖于将穿过不同路径的电磁辐射叠加，以便从生成的干涉图案中提取信息。

也可以使用非相干光源进行干涉测量，但基于激光的干涉测量技术已成为许多工业和科学应用的常用工具。在这些应用中，激光源通常被分成两束，它们通过不同光路，然后在探测器处重新组合。

通过评估产生的干涉图样，可以计算出两束光之间的光程差。利用这些信息，可以绘制物体的形状，评估材料的折射率值，甚至可以检测到引力波：引力波是爱因斯坦在他的广义相对论中预测的源自加速质量的时空曲率扰动。有史以来最先进的干涉仪是激光干涉仪引力波天文台（LIGO）实验的核心。由于对在干涉仪四公里长的干涉臂中传播的激光束施加了变化，因此能够探测到引力波。这个设备灵敏度非常高，以至于能够探测到比1／10，000质子尺寸还小的光路变化！

干涉测量还可以使用一种叫做光学陀螺仪的设备来实现角速度和方向的测量。经典陀螺仪包含一个旋转圆盘，它能够实现移动物体方向变化的检测：如果放置在运动物体上，由于角动量守恒，陀螺仪的圆盘将继续以相同的方向旋转。光学陀螺仪依赖于萨格纳克效应——当来自同一激光源的两束光以相反方向通过同一光路，然后叠加时，它们形成干涉图样。当设备静止时，两束光完成往返所用的时间相同，产生的干涉图样即为基准信号。

如果设备是旋转的，那么干涉图样会发生变化，这是因为与设备旋转方向反向传播的光束相比于对向传播的光束，会经历更短的延迟。这是因为无论方向如何，光的速度都是相同的，因此根据爱因斯坦的狭义相对论，光束传播的时间和距离会发生变化。因此，与基准信号相比，产生的干涉条纹发生位移，并且图样的相移与设备的角速度成正比。基于这种效应的陀螺仪称为光纤陀螺仪，它们由耦合到一根长光纤中的激光组成。萨格纳克效应在环形腔激光器中也表现出来，它由两个以相反的方向在环形腔激光器的腔中传播的独立共振模式组成。由于两个光束的往返时间不同，并且受到这些往返行程是由每个模式波长的整数倍组成的约束（为了使光在腔内建立），因此设备的旋转会导致这两个对向传播的光波频率不同。环形腔激光陀螺仪的运转依赖于在腔外对两束光的一小部分进行连续采样。当这些光束干涉时，可以观察到与它们的频率差成正比的拍频，并根据旋转速度进行校准。上述类型的光学陀螺仪优于传统机械陀螺仪，因为它们不包含任何移动部件、需要很低的工作电流、抗冲击并且非常精确。它们主要用于飞机和卫星的惯性导航系统。