继白光干涉技术后，2005 年激光频率梳作为新的一种光学度量技术出现

一、引言

光学度量技术是精密制造、生物医学等领域的核心支撑，其精度直接决定高端产品的质量控制水平。白光干涉技术曾因非接触测量优势，在微结构形貌表征中广泛应用，但受限于相干长度与频率分辨率，其测量精度多停留在 10nm 量级，且对复杂结构的抗干扰能力不足。2005 年，基于飞秒锁模技术发展的激光频率梳技术正式跻身光学度量领域，凭借 “光频标尺” 特性实现了度量精度与场景适应性的双重突破，成为继白光干涉后的革命性技术。

二、激光频率梳的技术原理

激光频率梳本质是频率与相位稳定的锁模激光脉冲序列，在频率域呈现等间隔分布的 “梳齿” 结构，其第 N 个频率可表示为v_N = Nf_{\text{rep}} + f_{\text{ceo}}，其中f_{\text{rep}}为重复频率，f_{\text{ceo}}为载波包络偏移频率。2000 年美国 J.Hall 教授团队通过自参考 f-2f 技术实现f_{\text{ceo}}稳定，为 2005 年其度量应用奠定基础。

该技术通过飞秒脉冲的时域相干特性，将传统光程测量转化为高精度频率测量：脉冲光经分束形成测量光与参考光，前者照射被测物体后反射，与参考光在探测器产生干涉，相位差直接关联物体几何信息，经傅里叶变换即可重构三维轮廓。其 10⁻¹⁵秒量级的时间分辨率，对应光程分辨率达 0.15μm，为纳米级度量提供可能。

三、相比白光干涉技术的核心优势

（一）测量精度实现数量级跨越

白光干涉技术的高度测量分辨率通常为 10nm，而激光频率梳结合莫尔条纹相位细分技术，可实现 0.1nm 量级精度。在 MEMS 器件测量中，该技术成功分辨 0.8nm 台阶高度，远超白光干涉仪性能。在铣刀刀片钝化值测量中，其 R 值不确定度控制在 ±0.3μm，较传统触针式仪器提升 5 倍。

（二）跨尺度与复杂结构适配性

白光干涉受限于频谱宽度，难以兼顾微纳与宏观测量。激光频率梳的宽频谱特性可覆盖数百纳米至毫米波段，通过切换梳齿波长，可灵活适配光刻胶图案（纳米级）与汽车模具（厘米级）测量，100mm×100mm 范围内不确定度仅 ±0.5μm。其同轴落射测距方式更攻克光学遮挡难题，在 130mm 深孔测量中仍保持 2μm 精度。

（三）强环境抗干扰能力

白光干涉易受振动、温度波动影响，而飞秒脉冲超短脉宽特性使其相干长度仅微米级，有效抑制背景光干扰。在车间振动 ±50μm、温度波动 ±2℃环境中，其测量重复性误差 < 0.3%，显著优于传统激光三角法的 2% 误差。

四、典型应用场景

在微纳制造领域，激光频率梳为 MEMS 器件的微结构台阶测量提供绝对基准；生物医学中，其非接触特性可实现细胞形貌高精度表征。工业检测中，既能完成 TiAlN 涂层铣刀的刃口测量，又可适配航空发动机叶片的复杂轮廓扫描，虽大面积扫描速度仍受限，但在精密检测场景已不可替代。

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.Hänsch（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）