激光干涉儀產(chǎn)生

1604年開(kāi)普勒（J．Kepler）寫出光學(xué)著作，指出光的強(qiáng)度和到達(dá)光源距離的平方成反比。并于1611年出版《折射光學(xué)》。

1801年托馬斯?楊（Thomas Young）用雙狹縫實(shí)驗(yàn)演示了光的干涉現(xiàn)象，即著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)。

1881年邁克爾遜（Albert．A．Michelson）設(shè)計(jì)了著名的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量“以太”漂移。當(dāng)然沒(méi)測(cè)到漂移，由此導(dǎo)致“以太”說(shuō)的破滅和相對(duì)論的誕生。它首次用于干涉儀，以鎘紅譜線與國(guó)際米原器作對(duì)比。正是由于他的工作導(dǎo)致后來(lái)用光的波長(zhǎng)定義“米”。由于他在精密光學(xué)儀器、光譜和計(jì)量領(lǐng)域的研究工作于1907年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

1960年Maiman研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器，從此開(kāi)始了光學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的新時(shí)代。從此，激光干涉測(cè)量被廣泛地用于長(zhǎng)度、角度、微觀形貌、轉(zhuǎn)速、光譜等領(lǐng)域，并和微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)集成，成為現(xiàn)代干涉儀。

1982年G．Binning和H．Rohrer研制成功掃描隧道顯微鏡，1986年發(fā)明原子力顯微鏡，1986年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。從此開(kāi)始了干涉儀向納米、亞納米分辨率和精度前進(jìn)的新時(shí)代。

由于激光具有極好的時(shí)間相干性，自問(wèn)世以來(lái)，已研制出多種激光干涉儀：?jiǎn)晤l激光干涉儀、雙頻激光干涉儀、半導(dǎo)體激光干涉儀、法布里-珀羅（F-P）干涉儀、X射線干涉儀等。

激光干涉儀是激光在計(jì)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一。利用光的干涉實(shí)現(xiàn)測(cè)量，具有非接觸、無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，已經(jīng)在各個(gè)不同領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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1、單頻激光干涉儀

從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式式中λ為激光波長(zhǎng)(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。

2、雙頻激光干涉儀

雙頻激光干涉儀是在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種外差式干涉儀。

在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生f1和f2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片 2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/2激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。

國(guó)內(nèi)雙頻激光干涉儀生產(chǎn)企業(yè)主要有北京鐳測(cè)科技有限公司，該公司的產(chǎn)品技術(shù)和工作人員主要來(lái)自于清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品同等水平。

激光干涉儀發(fā)射單一頻率光束射入線性干涉鏡，然后分成兩道光束，一道光束（參考光束）射向連接分光鏡的反射鏡，而第二道透射光束（測(cè)量光束）則通過(guò)分光鏡射入第二個(gè)反射鏡，這兩道光束再反射回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光器，其中會(huì)有一個(gè)探測(cè)器監(jiān)控兩道光束之間的干涉（見(jiàn)圖）。

若光程差沒(méi)有變化時(shí)，探測(cè)器會(huì)在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間找到穩(wěn)定的信號(hào)。若光程差有變化時(shí)，探測(cè)器會(huì)在每一次光程變化時(shí)，在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間找到變化信號(hào)，這些變化會(huì)被計(jì)算并用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光程之間的差異變化。

激光干涉儀是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的儀器。激光干涉儀是20世紀(jì)60年代末期問(wèn)世的一種新型的測(cè)量設(shè)備，由美國(guó)HP公司研制成功并于1970年投入市場(chǎng)，隨即受到了相關(guān)行業(yè)特別是機(jī)床制造業(yè)的重視，其主要在：線形、角度、垂直度、直線度、平面度等方面上應(yīng)用。隨著激光干涉儀測(cè)量技術(shù)的不斷提高，測(cè)量軟件的不斷開(kāi)發(fā)其測(cè)量范圍越來(lái)越廣泛，特別是在測(cè)量數(shù)控機(jī)床位置精度方面用途最為廣泛。

單頻的激光器它的一個(gè)根本弱點(diǎn)就是受環(huán)境影響嚴(yán)重，在測(cè)試環(huán)境惡劣，測(cè)量距離較長(zhǎng)時(shí)，這一缺點(diǎn)十分突出。其原因在于它是一種直流測(cè)量系統(tǒng)，必然具有直流光平和電平零漂的弊端。激光干涉儀可動(dòng)反光鏡移動(dòng)時(shí)，光電接收器會(huì)輸出信號(hào)，如果信號(hào)超過(guò)了計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平則就會(huì)被記錄下來(lái)，而如果激光束強(qiáng)度發(fā)生變化，就有可能使光電信號(hào)低于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平而使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，使激光器強(qiáng)度或干涉信號(hào)強(qiáng)度變化的主要原因是空氣湍流，機(jī)床油霧，切削屑對(duì)光束的影響，結(jié)果光束發(fā)生偏移或波面扭曲。這種無(wú)規(guī)則的變化較難通過(guò)觸發(fā)電平的自動(dòng)調(diào)整來(lái)補(bǔ)償，因而限制了單頻干涉儀的應(yīng)用范圍，只有設(shè)法用交流測(cè)量系統(tǒng)代替直流測(cè)量系統(tǒng)才能從根本上克服單頻激光干涉儀的這一弱點(diǎn)。

而雙頻激光干涉儀正好克服了這一弱點(diǎn)，它是在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種外差式干涉儀。和單頻激光干涉儀一樣，雙頻激光干涉儀也是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器，所不同者，一方面是當(dāng)可動(dòng)棱鏡不動(dòng)時(shí)，前者的干涉信號(hào)是介于最亮和最暗之間的某個(gè)直流光平，而后者的干涉信號(hào)是一個(gè)頻率約為1.5MHz的交流信號(hào)；另一方面，當(dāng)可動(dòng)棱鏡移動(dòng)時(shí)，前者的干涉信號(hào)是在最亮和最暗之間緩慢變化的信號(hào)，而后者的干涉信號(hào)是使原有的交流信號(hào)頻率增加或減少了△f，結(jié)果依然是一個(gè)交流信號(hào)。因而對(duì)于雙頻激光干涉儀來(lái)說(shuō)，可用放大倍數(shù)較大的交流放大器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行放大，這樣，即使光強(qiáng)衰減90%，依然可以得到合適的電信號(hào)。由于這一特點(diǎn)，雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量，也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量，既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量，也可以用于特殊場(chǎng)合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。

總之，雙頻激光干涉儀的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn)：

1. 精度高 雙頻激光干涉儀以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。即使不做細(xì)分也可達(dá)到μm 量級(jí)，細(xì)分后更可達(dá)到n m量級(jí)。(安捷倫5530激光干涉儀線性精度能達(dá)到0.4PPM)

2. 應(yīng)用范圍廣 雙頻激光干涉儀除了可用于長(zhǎng)度的精密測(cè)量外，測(cè)量角度、直線度、平面度、振動(dòng)距離及速度等等，還可以分光進(jìn)行多路測(cè)量。

3. 環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng) 即使光強(qiáng)衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號(hào)。由于這一特點(diǎn)，雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。

隨著20世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn)，幾何量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展步入了嶄新的時(shí)期。雙頻激光干涉儀正是利用激光具有頻率穩(wěn)定、單色性好等優(yōu)點(diǎn)，在幾何量計(jì)量領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。雙頻激光干涉儀具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速高等一系列無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為幾何量計(jì)量活動(dòng)的生力軍。相比于激光干涉儀，現(xiàn)代雙頻激光干涉儀擺脫了計(jì)量室的束縛，在越來(lái)越廣闊的工程測(cè)量領(lǐng)域大顯身手。因此，雙頻激光干涉的發(fā)明對(duì)計(jì)量事業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。本文根據(jù)雙頻激光干涉儀應(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展，對(duì)雙頻激光干涉儀的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。

雙頻激光干涉儀的發(fā)明把幾何量計(jì)量發(fā)展推向了又一個(gè)高峰，雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器，以其良好的性能、在很多場(chǎng)合，特別是在大長(zhǎng)度與大位移的精密測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。就長(zhǎng)度計(jì)量而言，通常將200m以上的測(cè)量稱為距離測(cè)量（Distance Measurement），3m以下的稱為一般長(zhǎng)度測(cè)量，3~200m之間的測(cè)量稱為大尺寸測(cè)量(Large Dimension Measurement)[1]。雙頻激光干涉儀在一般長(zhǎng)度精密測(cè)量中多有使用。雙頻激光干涉儀可以在恒溫，恒濕，防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量，也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測(cè)量，既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量，也可以用于特殊場(chǎng)合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。不僅在單純的長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域，在其他工程技術(shù)領(lǐng)域，雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，不乏一些很有創(chuàng)見(jiàn)的應(yīng)用。關(guān)于雙頻激光干涉儀在解決某個(gè)工程測(cè)量問(wèn)題的研究已經(jīng)有非常多的成功案例，以雙頻激光干涉儀為關(guān)鍵詞的學(xué)術(shù)論文不勝枚舉，對(duì)雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者常常有很獨(dú)到的理解。雙頻激光干涉儀的應(yīng)用也不斷發(fā)展更新，所以，有必要對(duì)它的應(yīng)用做一些有益的總結(jié)，使人們更好的理解雙頻激光干涉儀的應(yīng)用，為推動(dòng)生產(chǎn)發(fā)展提供一些理論依據(jù)。

1、 雙頻激光干涉儀原理

雙頻激光干涉儀的原理是建立在塞曼效應(yīng)、牽引效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的。其原理如圖2所示，在全內(nèi)腔He-Ne激光器上加約0.03T的軸向磁場(chǎng)，由于塞曼效應(yīng)和牽引效應(yīng)，發(fā)出一束含有兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們的頻率差大約是1.5MHz左右。這束光經(jīng)1/4波片之后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)平行光管準(zhǔn)直和擴(kuò)束。從平行光管出來(lái)的這束光經(jīng)過(guò)析光鏡反射出一小部分作為參考光束通過(guò)45°放置的檢偏器。并由馬呂斯定律可知，兩個(gè)垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光并產(chǎn)生拍頻。這個(gè)拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個(gè)光頻的差值即（f1-f2），約為1.5MHz。經(jīng)光電元件接受進(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。另一部分透過(guò)析光鏡沿院方向射向偏振分光棱鏡?；ハ啻怪钡木€偏振光f1和f2被分開(kāi)。f2射向參考立體直角錐棱鏡后返回，f1透過(guò)偏振分光棱鏡到立體直角錐棱鏡——測(cè)量棱鏡，這時(shí)如果它以速度v運(yùn)動(dòng)，那么f1的返回光便有了變化成為（f1±Δf）。這束光返回后重新通過(guò)偏振分光棱鏡并與f2的返回光會(huì)合，然后到45°放置的檢偏器上產(chǎn)生拍頻被光電元件接收，進(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算它們之間的差值±Δf（即多普勒頻差）。進(jìn)而可以根據(jù)立體直角棱鏡移動(dòng)度數(shù)和時(shí)間求得被測(cè)長(zhǎng)度。

雙頻激光干涉儀中，雙頻起到了調(diào)頻的作用，被測(cè)信號(hào)只是疊加在這一調(diào)頻副載波上，這副載波與被測(cè)信號(hào)一起均被接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

2、雙頻激光干涉儀在大尺寸測(cè)量中的應(yīng)用

雙頻激光干涉儀是精度最高、可靠性非常好的儀器，是高精度大尺寸測(cè)量中優(yōu)先考慮的測(cè)量手段。

（1）雙頻激光干涉儀測(cè)量大尺寸軸徑

雙頻激光干涉儀是一種增量式測(cè)長(zhǎng)儀。在時(shí)間t內(nèi)，被測(cè)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的多普勒頻差為計(jì)數(shù)器記得的脈沖數(shù)K。計(jì)數(shù)器計(jì)脈沖數(shù)時(shí)，需要有信號(hào)控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)，此信號(hào)由準(zhǔn)直系統(tǒng)提供。當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)軸徑的測(cè)量起點(diǎn)時(shí)，發(fā)出一個(gè)開(kāi)始計(jì)數(shù)信號(hào)；當(dāng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)的測(cè)量終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出一個(gè)停止計(jì)數(shù)信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。所以準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的精度直接影響測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度。激光準(zhǔn)直的工作原理為，由氦氖激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過(guò)前端望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，發(fā)射是出一束激光束作為系統(tǒng)準(zhǔn)直的基準(zhǔn)，光電目標(biāo)靶為準(zhǔn)直系統(tǒng)的接收裝置，常用的是硅光電探測(cè)器。

3、雙頻激光干涉儀在數(shù)控車床檢定中的應(yīng)用

雙頻激光干涉儀與不同光學(xué)附件結(jié)合,可以測(cè)量距離、直線度、垂直度、平行度、平面度。由于儀器為模塊化結(jié)構(gòu),安裝位置靈活,便于分析機(jī)床誤差來(lái)源;而且測(cè)量時(shí)可以在工作部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù),更接近機(jī)床的實(shí)際使用狀態(tài)。與傳統(tǒng)的檢定方法相比,激光干涉儀具有較高的精度和效率,并能及時(shí)處理數(shù)據(jù),為機(jī)床誤差修正提供依據(jù)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床各項(xiàng)誤差是一種用傳統(tǒng)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)的的技術(shù)。位置精度是機(jī)床的重要指標(biāo),目前世界各國(guó)機(jī)床檢定標(biāo)準(zhǔn)中都推薦使用激光干涉儀進(jìn)行該項(xiàng)精度的檢定。用雙頻激光干涉儀檢定位置精度使用長(zhǎng)度干涉儀和測(cè)量反射鏡,測(cè)量時(shí)將長(zhǎng)度干涉儀置于不動(dòng)位置,反射器安裝在運(yùn)動(dòng)部件上(也可相反) 。雙頻激光干涉儀在數(shù)控機(jī)床檢定上的應(yīng)用，即是對(duì)其各項(xiàng)形位誤差的檢定，在此不予贅述。

雙頻激光干涉儀以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。即使不做細(xì)分也可達(dá)到μm 量級(jí)，細(xì)分后更可達(dá)到n m量級(jí)。

雙頻激光干涉儀除了可用于長(zhǎng)度的精密測(cè)量外，配上適當(dāng)?shù)母郊€可測(cè)量角度、直線度、平面度、振動(dòng)距離及速度等等。

即使光強(qiáng)衰減 90%，仍然可以得到有效的干涉信號(hào)。由于這一特點(diǎn)，雙頻激光干涉儀既可在恒溫、恒濕、防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。

現(xiàn)代的雙頻激光干涉儀測(cè)速普遍達(dá)到1 m/s，有的甚至于十幾m/s，適于高速動(dòng)態(tài)測(cè)量。

雙頻激光干涉儀的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計(jì)量室的束縛，更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。

因此，對(duì)于雙頻激光干涉儀的研究有利于提高對(duì)該儀器的了解，以致于改進(jìn)其性能，使其在計(jì)量方面有著更加廣泛的應(yīng)用，具有重大意義。