双外腔可调谐半导体激光器Fabry-Perot干涉仪跨尺度纳米计量

Length metrology with several tens of milimeters range and sub-nanometer accuracy is an important technique in super-precision measurement. Traditional laser interferometer tend to have sub-nanometer resolution by fringe interpolation. However, the intrinsic nonlinearity error makes the measurement not traceable to standard. Single frequency tracking F-P interferometer has no nonlinearity but limited to micrometer range. We propose a new F-P interferometry technique utilizing two External Cavity Diode Lasers (ECDL). Two laser beams from the two ECDLs are coupled to a F-P cavity simultaneously, thereafter, the reflected light is demodulated to lock the laser frequency to the F-P resonances with high speed electronics. The frequency of the locked ECDLs can be measured accurately and rapidly by use of an optical frequency comb. The frequency spectral range is derived and thus the cavity length and mirror displacement. In this technique, no periodic nonlinearity exists and displacements are converted into laser frequency change. The interferometer is promised to have sub-nanometer displacement resolution and potentially several hundred milimeter range. Combined with all measurement results traceable to radio frequency standards, this kind of Fabry-Perot interferometer makes trans-scale nanometer metrology possible.

几十毫米量程亚纳米精度并可溯源的跨尺度测长方法是超精密测量中的关键技术。虽然传统激光干涉仪信号的细分方法可达到至亚纳米分辨率，但由于半波长内的非线性，缺乏计量学意义。单谐振峰F-P干涉增量式位移测量很难达到毫米级的位移测量范围，也无法实现跨尺度测量。本申请提出双可调半导体激光器FP干涉测量新方法。将两个频率可调谐的外腔半导体激光（ECDL）耦合进F-P干涉仪，利用电子学控制单元将两激光器的光频率分别锁定至F-P腔的谐振峰上。通过飞秒光频梳与ECDL拍频可以精确快速地对半导体激光的绝对光学频率进行可溯源的测量，通过同时测量腔镜发生位移前后两台ECDL的绝对光学频率的变化，得到腔镜的位移，并根据两个ECDL的频率差实时得到F-P的绝对腔长。这种方法原理上就不存在非线性，可将被测位移转化为激光频率变化，拥有亚纳米的位移分辨率，并可将量程扩大至百毫米，测量结果可溯源至频率基准，实现跨尺度纳米计量。

长度是最基本的物理量之一。在基础计量领域中，为实现量值传递和溯源，开展的很多科学研究都与长度测量有关，要求对数十毫米的位移实现亚纳米精度的可溯源测量。传统的双光束干涉仪由于偏振混叠在半波长内存在纳米量级的非线性误差，无法满足测量需求。因此，研究基于多光束干涉原理的Fabry-Perot（简称F-P）干涉测长技术具有重要意义。.我们提出了对F-P 干涉仪进行双谐振峰锁定，利用有效谐振级次进行整小数结合扩大量程的可溯源位移测量方法，并建立了一套双谐振峰锁定F-P 干涉仪系统。系统的测量范围可达20 mm，位移分辨率在 10 pm 量级，测量不确定度达到亚纳米量级。与外差干涉仪的比对实验显示，在20 mm 的位移范围内，两者的位移偏差小于10 nm，主要来源于两干涉仪间的对准误差和死程误差。.建立了一套单谐振峰锁定F-P 干涉仪系统。采用殷钢结构的共焦F-P 腔作为位移传感器，利用PDH 频率锁定技术建立了腔镜位移与外腔可调谐半导体激光器（ECDL）频率的联系，通过与参考激光源拍频测量谐振峰频率的变化并转化为腔镜的位移。实验证明，该系统达到了皮米量级的位移分辨率，在1 μm 的位移范围内，位移不确定度达到了1.1 nm。利用该系统测量了压电陶瓷PZT 在纳米位移范围内的磁滞非线性，及外差干涉仪的周期性非线性误差。.提出基于光梳色散干涉的空气折射率测量方法。光梳色散干涉法从一次干涉测量中便可以直接得到多个精确频率处的干涉强度，单次测量只需15 ms。通过对真空管内外部的色散干涉光谱进行傅里叶分析计算得到空气群折射率，相对合成标准不确定度约为1.2×10-8。为了实际应用，搭建重频宽范围可调谐的小型飞秒光纤激光器。为了提高气体折射率的测量精度，研究了光梳重频扩大方法。在光梳重频扩大的基础上，结合由虚像相位阵列（VIPA）、光栅和近红外相机组成的二维光谱探测系统，搭建光梳单纵模分辨的气体折射率测量装置。图像上每一成像点的频率值等于光梳某一纵模的频率。此方法的相对合成标准不确定度可达1.4×10-9且单次测量只要10 ms。