高精度热膨胀测量的光学方法及其应用

在对材料长度变化的测量精度提出苛刻要求时，例如标准物质的认证、具有极低热膨胀系数的特种材料（如 Zerodur® 微晶玻璃、Invar 殷钢）的性能表征，或是当样品尺寸极小时，光学方法便成为不二之选。以高纯度合成 Al₂O₃ 为例，在 -180°C 至 +400°C 的宽温区内，采用光学法测定其线胀系数 α_L 的认证值，其相对测量不确定度可达到 0.18% 至 1% 的水平。

光学测量技术庞杂，但其核心原理可大致归为三个主要流派。

第一种是基于样品成像的路径。其根本逻辑是直接观测样品两端或其表面标记点的空间位移。通过背景光照明形成轮廓剪影，或利用样品自身在高温下发出的辐射光来成像，再精确测定标记点的移动距离。这类技术通常被称为光学成像法、光学比较仪法或双联远测显微镜法。其关键特征是，光路方向与样品位移方向是相互垂直的。

第二种则进入了干涉测量的领域。它不再直接“看”位移，而是通过测量从样品两端面反射的光束之间的光程差来反推长度的变化。这种方法的精度极高，但也对环境提出了挑战。由于空气或惰性气体的折射率无法被足够精确地确定，其微小波动会直接影响光程差的测量结果，因此，绝大多数高精度干涉测量实验都需要在真空环境下进行。

第三种方法是散斑干涉法。它利用激光照射在粗糙样品表面时形成的随机散斑场，通过分析温度变化前后散斑干涉图样的变化来确定位移。这种方法对样品表面的光学平整度要求不高，具有独特的应用优势。

当然，除了这三大类，还存在一些更为专门化的光学技术。

在标准物质的认证工作中，基于法布里-珀罗（Fizeau）和迈克尔逊（Michelson）干涉仪的仪器得到了广泛应用。然而，当温度超过 800 K（约 527°C）时，多种因素会导致这类传统干涉法的精度显著下降。为了攻克高温测量的难题，研究人员开发出了基于光学外差干涉原理的绝对测量仪器，分别适用于 300-1300 K 和 1300-2000 K 的温度区间。据报道，使用这些先进仪器进行测量，在 900 K 时，其组合标准不确定度可达 1.1 × 10^-8 K^-1（换算为 100(Δα/α) 的相对不确定度约为 0.26%），而在 1300-2000 K 的高温范围内，不确定度也能控制在 1.3%。

实施这些高精度的光学测量，尤其是在高温或真空等复杂环境下，对设备条件、环境控制和数据解算能力都构成了极大的考验。如果您在实际工作中也面临类似的材料热物理性能精准表征挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

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光学测量法的最高精度通常在室温附近实现。已有公开文献报道，在 -10°C 至 60°C 的温度范围内，对陶瓷和钢制量块的长度进行测量，其不确定度达到了惊人的 1 × 10^-9 K^-1 量级，这充分展示了光学方法在精密计量领域的强大潜力。