基于多频激光碘分子频标偏频锁定的超外差与外差结合式激光测距方法研究

A high relative measurement precision up to 10^(-8) order will be urgent needed in future large scientific facilities and equipment manufacturing industry, in order to meet this demand, a laser range finding based on super-heterodyne and heterodyne detection method is put forward to solve the problems that limiting the measurement precision. Firstly, high stability multi-frequency generating method is proposed to trace the synthetic wavelength to iodine molecular optical frequency standard, and obtain the anti-vibration ability, modulation free capability and high frequency stability up to 10^(-8) order. Secondly, a laser range finding based on mixing heterodyne and super-heterodyne interferometry is proposed to combine the advantage of large measurement range and high measurement precision together. Thirdly, an interferometer with frequency aliasing is designed to eliminate the light leakage and aliasing caused by non-ideal characteristics of optical devices and laser polarization state, and then eliminated the nonlinear error. At last, synthesize the methods above and realize a new measurement method and equipment with the characteristics of large scale and ultra-precision.

本课题针对未来重大科学装置，航空航天装备等在几十米测量范围内高达10^(-8)量级的相对测量精度需求，研究基于多频激光碘分子频标偏频锁定的超外差与外差结合式激光测距方法，解决影响测量精度的关键问题。首先，提出一种基于碘分子频标锁定的多频激光产生方法，将测距等效合成波长溯源到碘分子光频标，打破现有稳频方法在激光输出频率稳定度和功率上的壁垒，得到无频率调制、抗振动能力强的多频激光，其等效合成波长的长期频率稳定度稳定在10^(-8)以上；其次，提出外差与超外差结合式激光测距方法，将外差干涉测量模型和超外差探测模型相结合，解决超短等效合成波长的超高频率探测固有缺点，将超外差测量精度高与外差测量范围大的优点完美结合，然后，提出基于光束空间分离的绝对距离干涉方法，建立空间分离型多频激光干涉误差模型，从原理和技术上消除多频激光混叠误差；最后，有机融合上述方法，形成几十米范围内的高精度激光测距装置。

本课题针对未来重大科学装置，航空航天装备等在几十米测量范围内高达0.01ppm量级的相对测量精度需求，研究基于多频激光碘分子频标偏频锁定的超外差与外差结合式激光测距方法，解决影响测量精度的关键问题。主要完成工作如下：.(1) 提出一种基于碘分子频标偏频锁定的多频激光产生方法，建立了新的高频率稳定度等效合成波长产生模型，研制成功基于弱耦合水冷的稳频激光器，经中国计量院测试，激光频率不确定度达到0.11ppb(k=2)，超过Zygo等国际顶级干涉仪一个数量级（频率不确定度0.01ppm）。.(2) 提出一种基于外差与超外差结合式激光测距方法，建立了超外差与外差多合成波长结合式绝对距离测量模型，揭示了相位测距误差影响因素及影响机理，研制成功大尺度高精度激光测距装置，其100m之内测量精度优于U99=0.06μm +0.03μm/m×L（k=2）。.(3) 提出一种基于光束空间分离的多频抗混叠干涉方法，建立适应于多频率混合的绝对距离测量抗混叠干涉理论，设计多频率干涉参考光和测量光的空间分离光路和高精度干涉信号相差测量技术，从原理和技术上消除激光混叠、泄露等造成的非线性周期误差和相位漂移误差，实验证明所设计的干涉镜租非线性误差抑制在0.0018o以内；.本项目所研制的稳频激光器与干涉信号处理卡用于中国计量科学研究院建立的我国首套量子化质量基准装置，支撑普朗克常数的精确测量和质量单位的量子化（2012年Nature期刊列举的世界六大科学难题之一），该装置中应用和集成了6台套稳频激光器。解决了质量基准装置的亚纳米级线圈位移测量的难题，在量子化质量基准中国方案的实施中起到了关键作用，推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一。