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新启航技术白皮书：激光频率梳如何实现 130mm 深孔 2μm 级无遮挡 3D 轮廓测量

news 2025/9/2 5:52:40

摘要：本白皮书聚焦新启航激光频率梳技术在深孔测量领域的应用，详细阐述其如何突破技术瓶颈，实现对 130mm 深孔的 2μm 级无遮挡 3D 轮廓测量，为相关行业提供技术参考，推动深孔测量技术的应用与发展。

关键词：新启航；技术白皮书；激光频率梳；深孔 3D 轮廓测量；无遮挡

一、技术背景与需求

在航空航天、精密制造等高端产业中，深孔零部件的 3D 轮廓精度直接影响产品的性能、安全性和使用寿命。随着制造技术的发展，对 130mm 深度深孔的测量要求愈发严苛，不仅需要 2μm 级的高精度，还需实现无遮挡的全面测量。传统测量技术难以同时满足这些要求，存在精度不足、遮挡区域无法测量等问题，亟需一种创新技术来填补空白。新启航激光频率梳技术应运而生，为解决这一难题提供了可行方案。

二、技术原理：从光频梳到 3D 轮廓重建

新启航激光频率梳技术的核心是基于飞秒激光锁模产生的稳定光频梳。飞秒激光经锁模后，形成一系列频率间隔均匀且稳定的光频梳齿，如同测量的 “精准标尺”。在深孔 3D 轮廓测量时，激光被分为测量光和参考光，测量光进入深孔后，与孔壁发生多次反射，反射光携带深孔轮廓信息返回，与参考光产生干涉，形成包含光程差信息的干涉光谱。

通过对干涉光谱中光频梳齿的频率和相位进行高精度分析，利用光频梳的频率稳定性，可精确计算出测量光的光程差。再结合扫描路径信息，将光程差转化为深孔各点的三维坐标，最终通过算法重建出深孔的 3D 轮廓，实现从光信号到三维形态的精准转化。

三、系统构成：核心组件与协同工作

该测量系统由四大核心组件协同构成，确保测量的高精度与无遮挡。高稳定性飞秒激光频率梳光源是系统的 “心脏”，提供稳定的光频梳输出，其频率稳定性可达 10⁻⁹量级，为测量提供基准。精密光学扫描模块负责控制测量光的路径，通过多维度扫描覆盖深孔全域，确保无死角测量。

高速干涉信号采集模块能够快速捕捉微弱的干涉信号，即使在深孔内部光线较弱的环境下，也能有效采集数据，采样频率高达 1MHz。智能数据处理系统则是 “大脑”，集成了先进的降噪算法和 3D 重建算法，可快速处理海量数据，剔除干扰信息，精准重建深孔 3D 轮廓，处理时间较传统方法缩短 50% 以上。

四、技术优势：高精度与无遮挡的双重突破

4.1 2μm 级测量精度

凭借光频梳的高精度频率基准和先进的信号处理算法，系统的测量精度达到 2μm 级。在对深孔孔径、圆度、直线度等参数的测量中，重复测量误差不超过 2μm，能够精准识别深孔表面的微小凸起、凹陷等缺陷，满足高端制造对精度的严苛要求。

4.2 130mm 深度无遮挡测量

针对深孔内部的遮挡问题，系统利用激光的高相干性和多路径反射特性，通过优化扫描角度和路径，使测量光能够绕过遮挡结构，到达深孔各个区域。即使在 130mm 深度的复杂深孔中，也能实现无遮挡测量，获取完整的 3D 轮廓信息，解决了传统技术的测量盲区问题。

五、应用场景与实践验证

在航空发动机深孔测量中，采用该技术对 130mm 深的涡轮叶片冷却孔进行 3D 轮廓测量，成功识别出传统方法未发现的、深度 80mm 处的一处 1.8μm 尺寸偏差，为叶片加工工艺优化提供了精准数据，使叶片冷却效率提升 12%。在精密模具深孔测量中，完整重建出深孔的 3D 轮廓，帮助企业将模具合格率从 88% 提高到 96%，充分验证了该技术在实际应用中的可靠性和有效性。

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。