在距离测量时空气折射率实时补偿

1、报告人：张骏报告人：张骏 学号：学号：2015520800420155208004在距离测量时空气折射率的实时补偿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

2、稳定性限制。受温度，压力，湿度和CO2浓度这些环境参数的影响，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背景背景u现状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：空气空气折射率折射率的的实时实时测量测量与与补偿补偿 a.间接测量 b.直接测量共共光路光路干涉设计干涉设计间接测量间接测量：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E

3、dlen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）。直接测量直接测量：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

4、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）LL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）

5、,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

6、以假设为仅由1和2的选择所单独给出的常数。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D

7、2都采用外差相位测量技术测定的。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实验结果实验结果在在具有良好控制的环境下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

8、现比D1或D2的变化小约两个数量级，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总结总结结论结论：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。创新点创新点