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1、报告人：张骏 学号：20155208004 在距离测量时空气折射率的实时补偿 Real-time compensation of the refractive index of air in distance measurement 研究背景&现状 实验原理 实验结果 总结 实现纳米尺度的光学和电子器件的大规模商品生产（如集成 电路和平面显示器）需要配备具备几米范围内进行亚微米定 位能力的精密机械。如此长范围控制的精密运动的最好尝试 是激光干涉仪。然而，当激光干涉仪在空气中被用来测量数 米长的距离时，可达到的测量不确定最终由周围空气的折射 率的不稳定性限制。受温度，压力，湿度和CO2浓度这些环
2、 境参数的影响，空气折射率本质上不是静态的，因为它与时 间以及位置有关。因此，严格的环境控制同空气折射率的准 确识别是必要，以达到在几米测量中的不确定度低于百万分 之一。空气折射率的补偿是激光干涉测距中的重要环节。 u背景 u现状 目前减小环境因素对长距离测量的影响的方法主要有： 空气折射率的实时测量与补偿 a.间接测量 b.直接测量 共光路干涉设计 间接测量：以计算公式为主，在测量空气的各项参数后根据 公式求得相应的空气折射率。1966年Edlen在大量实验结果的 基础上建立了空气折射率的经验公式，也就是著名的Edlen公 式（空气的折射率和空气的大气压力，温度，湿度，二氧化 碳含量等有关）
3、。 直接测量：由仪器直接测出，具有实时性，从而也更具有实 用价值。目前的测量方法主要以干涉测量为基础。 目前直接测量的方法有：抽气法多波长法梯形真空腔 法瑞利干涉仪测量法F-P干涉仪拍频测量法波纹管双干 涉测量法全反射相位跳变法等 上述几种测量方法存在着结构复杂体积大（如抽气法，瑞利 干涉法， F-P拍频法），实验条件要求苛刻（如波纹管双干 涉测量法），装置难以标定（如梯形真空腔法），精度不够 （如全反射相位跳变法）等缺点。 共光路干涉：共光路动态干涉仪是干涉测量里应用最为广泛 的光学结构，它的优点是采用共光路系统，也就是测量臂和 标准臂重合，可大大提高测量精度和应用范围。共光路动态 干涉仪可
4、在某一时刻一次获得相位分别相差 90的四幅干 涉图，通过这种方式可以消除气流和环境振动对测量的影 响。 u 实验原理 激光干涉仪在空气中测得的几何距离 L 可以用激光源的波长 表示为 L =（m + e），其中m表示干涉级次整数部分（m = 0，1，2.），e表示小数部分（0e1）。 L的一阶测量误差推导公式为： 波长用真空中的光束表示为=c0/nf 公式（1）可算得：L=e-（n/n）L-（f/f）L L的测量不确定度u（L）可以作为三个主要贡献总和获得 激光干涉测量的不确定度由三个限制因子控制：相位测量误 差（e），空气折射率（n）,光源频率（f） 双色干涉的概念是同时使用两种不同波长作为
5、光源，以便补偿 因为空气的折射率所导致的距离误差。这里我们使用的是飞秒 激光的光频梳产生的两种波长的双色干涉方法。两种波长1和 2决定测定的几何距离 L 为 其中D1和D2表示使用1和2分别测的光程，D1 = n1L ，D 2 = n2 L 。由于空气的折射率实际上是从点变化到点的，n1和n2可 以视为沿光程的平均积分指数。由Edlen方程的既定经验色散公 式表明在方程（3）中定义为n1和n2组合的系数A在干燥空气中是 恒定的，与温度和压力无关。在潮湿的空气，湿度影响系数A， 但是在通常测量条件下这个影响在精确的不确定性分析下并不 显著。这意味着，系数A可以假设为仅由1和2的选择所单独 给出的
6、常数。 实施两色方法需要非常谨慎的选取1，2。当1和2在可 见或红外范围内被选择太靠近时，系数A变得过大。这是不可 取的，因为在测量D1或D2时遇到的小错误会因为系数A被放大 ，并被反映在由公式（3）所决定的L的不确定性中。这方面 要求1和2相差很大以减小系数A，同时具有高度稳定性以 减小测量D1和D2的动态误差。 基波波长的1由锁相一个分布反馈（DFB）激光器到掺铒光 纤飞秒激光器的光频梳内1555nm波长的一种特定模式所产生 的。第二波长2可以通过二次谐波产生（SHG）的DFB激光器 的光学倍频产生，2=1/ 2。所产生的1和2被同时传递 到迈克尔逊型距离干涉仪，其中D1和D2都采用外差相
7、位测量技 术测定的。 OC：光耦合器，PLL：锁相环，C：准直仪，DFB：分布反馈，FL：聚焦透镜，PPLN：周期性 极化LiNbO3LiNbO3，SOA：半导体光放大器，DM：分色镜，BS：分束器，AOM：声光调制器， M：镜子，PD：光电探测器，CC：直角，LPF：低通滤波器，T：温度，P：压力，H：湿度， CO2：二氧化碳浓度，PD：光电探测器，Meas：测量，Ref：参考，Rb：铷 u实验结果 在具有良好控制的环境下 对于给定的2.5米的距离L的双色测定，D1和D2的最大漂移为 70nm，这相当于2.810-8的不确定度。相比较而言，D2 - D 1 的差值被发现比D1或D2的变化小约
8、两个数量级，不确定度为 5.3310-10。该方法与使用Edlen方程计算出的n相吻合。 实验结果表明，在没有环境参数的实际值时，该双色干涉仪 能够实时补偿空气折射率，且具有10-8水平的不确定度。 在不受控制的恶劣环境下 此时干涉系统的屏蔽室是部分敞开的，从而使测量光线由于 空气喷射而被干扰。测得的D1和D2上升为10-6的不确定度。而 D2 - D 1的差是10-9级别。尽管有动态干扰，但通过300秒的完 整测量，该双色补偿能够将空气折射率值的不确定度减小到 4.5310-8。 u总结 结论：目前的激光干涉仪在测量长距离时受到周围空气折射率 的不确定性限制，需要进行补偿。本文通过飞秒激光器产生双 色方法进行设计与实验，在良好控制的环境下能够实现10-8级 别的距离测量，而且在不受控制的恶劣环境下也是有用的。 创新点：本实验巧妙的通过锁相一个分布反馈（DFB）激光器到 掺铒光纤飞秒激光器的光频梳内而产生1555nm的基波波长1， 并通过DFB激光器的光学倍频产生的二次谐波2来产生双色干 涉。然后通过多波长的小数重合法来补偿空气折射率，以减小 环境因素对长距离测量的不确定度的影响。 THANKS
