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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