在距離測(cè)量時(shí)空氣折射率的實(shí)時(shí)補(bǔ)償

1、報(bào)告人：張駿報(bào)告人：張駿 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：2015520800420155208004在距離測(cè)量時(shí)空氣折射率的實(shí)時(shí)補(bǔ)償在距離測(cè)量時(shí)空氣折射率的實(shí)時(shí)補(bǔ)償Real-time compensation of the refractive index of air in distance measurement研究背景&現(xiàn)狀實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)實(shí)現(xiàn)納米尺度的光學(xué)和電子器件的大規(guī)模商品生產(chǎn)（如集成電路和平面顯示器）需要配備具備幾米范圍內(nèi)進(jìn)行亞微米定位能力的精密機(jī)械。如此長(zhǎng)范圍控制的精密運(yùn)動(dòng)的最好嘗試是激光干涉儀。然而，當(dāng)激光干涉儀在空氣中被用來測(cè)量數(shù)米長(zhǎng)的距離時(shí)，可達(dá)到的測(cè)量不確定最終由周圍空氣的折

2、射率的不穩(wěn)定性限制。受溫度，壓力，濕度和CO2濃度這些環(huán)境參數(shù)的影響，空氣折射率本質(zhì)上不是靜態(tài)的，因?yàn)樗c時(shí)間以及位置有關(guān)。因此，嚴(yán)格的環(huán)境控制同空氣折射率的準(zhǔn)確識(shí)別是必要，以達(dá)到在幾米測(cè)量中的不確定度低于百萬分之一。空氣折射率的補(bǔ)償是激光干涉測(cè)距中的重要環(huán)節(jié)。u背景背景u現(xiàn)狀現(xiàn)狀目前減小環(huán)境因素對(duì)長(zhǎng)距離測(cè)量的影響的方法主要有：空氣空氣折射率折射率的的實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)量與與補(bǔ)償補(bǔ)償 a.間接測(cè)量 b.直接測(cè)量共共光路光路干涉設(shè)計(jì)干涉設(shè)計(jì)間接測(cè)量間接測(cè)量：以計(jì)算公式為主，在測(cè)量空氣的各項(xiàng)參數(shù)后根據(jù)公式求得相應(yīng)的空氣折射率。1966年Edlen在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了空氣折射率的經(jīng)驗(yàn)公式，也就是

3、著名的Edlen公式（空氣的折射率和空氣的大氣壓力，溫度，濕度，二氧化碳含量等有關(guān)）。直接測(cè)量直接測(cè)量：由儀器直接測(cè)出，具有實(shí)時(shí)性，從而也更具有實(shí)用價(jià)值。目前的測(cè)量方法主要以干涉測(cè)量為基礎(chǔ)。目前直接測(cè)量的方法有：抽氣法多波長(zhǎng)法梯形真空腔法瑞利干涉儀測(cè)量法F-P干涉儀拍頻測(cè)量法波紋管雙干涉測(cè)量法全反射相位跳變法等上述幾種測(cè)量方法存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積大（如抽氣法，瑞利干涉法， F-P拍頻法），實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻（如波紋管雙干涉測(cè)量法），裝置難以標(biāo)定（如梯形真空腔法），精度不夠（如全反射相位跳變法）等缺點(diǎn)。共光路干涉：共光路干涉：共光路動(dòng)態(tài)干涉儀是干涉測(cè)量里應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是采用共光路系

4、統(tǒng)，也就是測(cè)量臂和標(biāo)準(zhǔn)臂重合，可大大提高測(cè)量精度和應(yīng)用范圍。共光路動(dòng)態(tài)干涉儀可在某一時(shí)刻一次獲得相位分別相差 90的四幅干涉圖，通過這種方式可以消除氣流和環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。u 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理激光干涉儀在空氣中測(cè)得的幾何距離 L 可以用激光源的波長(zhǎng)表示為 L =（m + e），其中m表示干涉級(jí)次整數(shù)部分（m = 0，1，2.），e表示小數(shù)部分（0e1）。L的一階測(cè)量誤差推導(dǎo)公式為：波長(zhǎng)用真空中的光束表示為=c0/nf 公式（1）可算得：L=e-（n/n）L-（f/f）LL的測(cè)量不確定度u（L）可以作為三個(gè)主要貢獻(xiàn)總和獲得激光干涉測(cè)量的不確定度由三個(gè)限制因子控制：相位測(cè)量誤差（e），空氣折射

5、率（n）,光源頻率（f）雙色干涉的概念是同時(shí)使用兩種不同波長(zhǎng)作為光源，以便補(bǔ)償因?yàn)榭諝獾恼凵渎仕鶎?dǎo)致的距離誤差。這里我們使用的是飛秒激光的光頻梳產(chǎn)生的兩種波長(zhǎng)的雙色干涉方法。兩種波長(zhǎng)1和2決定測(cè)定的幾何距離 L 為其中D1和D2表示使用1和2分別測(cè)的光程，D1 = n1L ，D 2 = n2 L 。由于空氣的折射率實(shí)際上是從點(diǎn)變化到點(diǎn)的，n1和n2可以視為沿光程的平均積分指數(shù)。由Edlen方程的既定經(jīng)驗(yàn)色散公式表明在方程（3）中定義為n1和n2組合的系數(shù)A在干燥空氣中是恒定的，與溫度和壓力無關(guān)。在潮濕的空氣，濕度影響系數(shù)A，但是在通常測(cè)量條件下這個(gè)影響在精確的不確定性分析下并不顯著。這意味著，

6、系數(shù)A可以假設(shè)為僅由1和2的選擇所單獨(dú)給出的常數(shù)。實(shí)施兩色方法需要非常謹(jǐn)慎的選取1，2。當(dāng)1和2在可見或紅外范圍內(nèi)被選擇太靠近時(shí)，系數(shù)A變得過大。這是不可取的，因?yàn)樵跍y(cè)量D1或D2時(shí)遇到的小錯(cuò)誤會(huì)因?yàn)橄禂?shù)A被放大，并被反映在由公式（3）所決定的L的不確定性中。這方面要求1和2相差很大以減小系數(shù)A，同時(shí)具有高度穩(wěn)定性以減小測(cè)量D1和D2的動(dòng)態(tài)誤差?；úㄩL(zhǎng)的1由鎖相一個(gè)分布反饋（DFB）激光器到摻鉺光纖飛秒激光器的光頻梳內(nèi)1555nm波長(zhǎng)的一種特定模式所產(chǎn)生的。第二波長(zhǎng)2可以通過二次諧波產(chǎn)生（SHG）的DFB激光器的光學(xué)倍頻產(chǎn)生，2=1/ 2。所產(chǎn)生的1和2被同時(shí)傳遞到邁克爾遜型距離干涉儀，其中

7、D1和D2都采用外差相位測(cè)量技術(shù)測(cè)定的。OC：光耦合器，PLL：鎖相環(huán)，C：準(zhǔn)直儀，DFB：分布反饋，F(xiàn)L：聚焦透鏡，PPLN：周期性極化LiNbO3LiNbO3，SOA：半導(dǎo)體光放大器，DM：分色鏡，BS：分束器，AOM：聲光調(diào)制器，M：鏡子，PD：光電探測(cè)器，CC：直角，LPF：低通濾波器，T：溫度，P：壓力，H：濕度，CO2：二氧化碳濃度，PD：光電探測(cè)器，Meas：測(cè)量，Ref：參考，Rb：銣u實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果在在具有良好控制的環(huán)境下具有良好控制的環(huán)境下對(duì)于給定的2.5米的距離L的雙色測(cè)定，D1和D2的最大漂移為70nm，這相當(dāng)于2.810-8的不確定度。相比較而言，D2 - D 1的

8、差值被發(fā)現(xiàn)比D1或D2的變化小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不確定度為5.3310-10。該方法與使用Edlen方程計(jì)算出的n相吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒有環(huán)境參數(shù)的實(shí)際值時(shí)，該雙色干涉儀能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償空氣折射率，且具有10-8水平的不確定度。在不受控制的惡劣環(huán)境下在不受控制的惡劣環(huán)境下此時(shí)干涉系統(tǒng)的屏蔽室是部分敞開的，從而使測(cè)量光線由于空氣噴射而被干擾。測(cè)得的D1和D2上升為10-6的不確定度。而D2 - D 1的差是10-9級(jí)別。盡管有動(dòng)態(tài)干擾，但通過300秒的完整測(cè)量，該雙色補(bǔ)償能夠?qū)⒖諝庹凵渎手档牟淮_定度減小到4.5310-8。u總結(jié)總結(jié)結(jié)論結(jié)論：目前的激光干涉儀在測(cè)量長(zhǎng)距離時(shí)受到周圍空氣折射率的不確定性限制，需要進(jìn)行補(bǔ)償。本文通過飛秒激光器產(chǎn)生雙色方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，在良好控制的環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)10-8級(jí)別的距離測(cè)量，而且在不受控制的惡劣環(huán)境下也是有用的。創(chuàng)新點(diǎn)創(chuàng)新點(diǎn)