《雙外腔可調諧半導體雷射器Fabry-Perot干涉儀跨尺度納米計量》是依託清華大學，由李岩擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：雙外腔可調諧半導體雷射器Fabry-Perot干涉儀跨尺度納米計量
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：李岩
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
幾十毫米量程亞納米精度並可溯源的跨尺度測長方法是超精密測量中的關鍵技術。雖然傳統雷射干涉儀信號的細分方法可達到至亞納米解析度，但由於半波長內的非線性，缺乏計量學意義。單諧振峰F-P干涉增量式位移測量很難達到毫米級的位移測量範圍，也無法實現跨尺度測量。本申請提出雙可調半導體雷射器FP干涉測量新方法。將兩個頻率可調諧的外腔半導體雷射（ECDL）耦合進F-P干涉儀，利用電子學控制單元將兩雷射器的光頻率分別鎖定至F-P腔的諧振峰上。通過飛秒光頻梳與ECDL拍頻可以精確快速地對半導體雷射的絕對光學頻率進行可溯源的測量，通過同時測量腔鏡發生位移前後兩台ECDL的絕對光學頻率的變化，得到腔鏡的位移，並根據兩個ECDL的頻率差實時得到F-P的絕對腔長。這種方法原理上就不存在非線性，可將被測位移轉化為雷射頻率變化，擁有亞納米的位移解析度，並可將量程擴大至百毫米，測量結果可溯源至頻率基準，實現跨尺度納米計量。
結題摘要
長度是最基本的物理量之一。在基礎計量領域中，為實現量值傳遞和溯源，開展的很多科學研究都與長度測量有關，要求對數十毫米的位移實現亞納米精度的可溯源測量。傳統的雙光束干涉儀由於偏振混疊在半波長記憶體在納米量級的非線性誤差，無法滿足測量需求。因此，研究基於多光束干涉原理的Fabry-Perot（簡稱F-P）干涉測長技術具有重要意義。我們提出了對F-P 干涉儀進行雙諧振峰鎖定，利用有效諧振級次進行整小數結合擴大量程的可溯源位移測量方法，並建立了一套雙諧振峰鎖定F-P 干涉儀系統。系統的測量範圍可達20 mm，位移解析度在 10 pm 量級，測量不確定度達到亞納米量級。與外差干涉儀的比對實驗顯示，在20 mm 的位移範圍內，兩者的位移偏差小於10 nm，主要來源於兩干涉儀間的對準誤差和死程誤差。建立了一套單諧振峰鎖定F-P 干涉儀系統。採用殷鋼結構的共焦F-P 腔作為位移感測器，利用PDH 頻率鎖定技術建立了腔鏡位移與外腔可調諧半導體雷射器（ECDL）頻率的聯繫，通過與參考雷射源拍頻測量諧振峰頻率的變化並轉化為腔鏡的位移。實驗證明，該系統達到了皮米量級的位移解析度，在1 μm 的位移範圍內，位移不確定度達到了1.1 nm。利用該系統測量了壓電陶瓷PZT 在納米位移範圍內的磁滯非線性，及外差干涉儀的周期性非線性誤差。提出基於光梳色散干涉的空氣折射率測量方法。光梳色散干涉法從一次干涉測量中便可以直接得到多個精確頻率處的干涉強度，單次測量只需15 ms。通過對真空管內外部的色散干涉光譜進行傅立葉分析計算得到空氣群折射率，相對合成標準不確定度約為1.2×10-8。為了實際套用，搭建重頻寬範圍可調諧的小型飛秒光纖雷射器。為了提高氣體折射率的測量精度，研究了光梳重頻擴大方法。在光梳重頻擴大的基礎上，結合由虛像相位陣列（VIPA）、光柵和近紅外相機組成的二維光譜探測系統，搭建光梳單縱模分辨的氣體折射率測量裝置。圖像上每一成像點的頻率值等於光梳某一縱模的頻率。此方法的相對合成標準不確定度可達1.4×10-9且單次測量只要10 ms。
