基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法研究

The laser wavelength is the standard value in the length metrology, so the measurement and calibration of the laser wavelength is crucial to guarantee the accuracy of length measurements. For most present wavelength measurement methods based on laser interferometry, the wavelength measurement is realized by calculating the ratio of the interference fringe counts of a reference wavelength and an unknown wavelength. The wavelength measurement accuracy is limited by the total number of fringes and the subdivision factor of fringe. According to the one-to-one relation that the synthetic wavelength corresponds to 2π variation of the phase difference between the interference signals of the unknown and reference wavelengths, a new wavelength measurement method based on the principle of the laser synthetic wavelength interferometry is proposed. This new method will solve the limitation of fringe number existed in present wavelength measurement methods based on laser interferometry and realize high precision measurement and calibration of the laser wavelength. And after theoretical analysis of the measurement method, optimization design of the measurement system, study of the photoelectric signal processing method, analysis of the nonlinearity error and experiments testing, a wavelength measurement principle based on the laser synthetic wavlength interferometry will be established, and a laser wavelength measurement device with measurement uncertainty of 0.001pm will be developed. Through the study of this project, the aim is to solve a key technique of the precision measurement and calibration of the laser wavelength which acts as the length "ruler" in measuring and testing field.

激光波长是长度测试计量领域中的基准量值，激光波长的检测与校准是保证长度测量结果准确性的关键和基础。现有的干涉式波长测量方法主要是通过计算待测激光波长与参考激光波长的干涉条纹数之比来实现，受条纹个数及条纹细分数的限制，测量精度已很难提高。本项目依据"待测激光波长和参考激光波长的干涉信号相位差变化2π与其合成波长之间的一一对应关系"，提出一种基于激光合成波长干涉原理的激光波长测量新方法，解决现有干涉法波长测量存在的条纹数受限技术问题，可实现激光波长的高精度测量与校准。本项目拟通过对该测量方法的理论分析、测量系统优化设计、光电信号处理方法研究、非线性误差分析和实验验证，构建基于激光合成波长干涉的激光波长测量原理，研制一套高精度的激光波长测试计量装置。通过本项目的研究，旨在解决测试计量技术领域中作为长度"尺子"的激光波长的精确测量与校准这一关键技术，拟实现波长测量不确定度优于0.001ppm。

激光波长是长度测试计量领域中的基准量值。现有的干涉式波长测量方法受条纹个数及条纹细分数的限制，测量精度已很难提高。本项目依据“待测激光波长和参考激光波长的干涉信号相位差变化2π与其合成波长之间的一一对应关系”，提出了一种基于激光合成波长干涉原理的激光波长测量新方法，解决了现有干涉法波长测量存在的条纹数受限技术问题，完成了该测量方法的理论分析、系统优化设计、信号处理方法、非线性分析和实验等内容的研究，建立了一种可实现大范围高精度的激光波长测量原理，研制了一套高精度激光波长测试计量的实验装置。按计划进行了项目研究内容的研究，达到了预期研究目标。主要研究工作及创新点如下：.1. 提出了一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量新方法. 利用两单波长干涉信号相位差变化量与其合成波长之间的一一对应关系，检测两路干涉信号两次同时过零位置实现合成波长的测量，并利用“参考镜与测量镜的运动位移之间存在的线性关系”，扩大了待测激光波长的测量范围，实现了高精度激光波长的检测与校准。.2. 提出了待测激光和参考激光成正交线偏振光形成合成波长的新思路. 无论两单波长干涉信号的光强是否一致，当两干涉信号相位差变化2π时，其合成波长有唯一的对应零点，解决了两干涉信号光强不相等会产生合成波长零点盲区而导致合成波长检测误差的关键技术问题，从而实现了高精度的合成波长值的检测。.3. 完成了基于激光合成波长干涉原理的波长测量系统的优化设计，建立了基于激光合成波长干涉原理的波长测量原理。. 对构建的基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法进行了详细的理论分析，非线性误差分析和环境扰动误差分析，系统化的建立了基于激光合成波长干涉原理的波长测量理论，完成了测量系统的优化设计。.4. 构建了基于激光合成波长干涉原理的波长测量系统实验装置，进行了实验验证. 通过不同类型激光器的波长测量实验等测试表明，已实现波长测量精度为10-9，测量范围可扩大到400nm-700nm，验证了测量方法的可行性和有效性。.5. 取得主要研究成果如下：. （1）在Rev. Sci. Instrum.、Meas. Sci. Techn.、Opt. Express等知名学术期刊上发表论文7篇，其中SCI收录5篇。. （2）授权发明专利3项（其中美国发明专利1项），申请发明专利2项。. （3）培养毕业研究生4名。