[发明专利]基于飞秒光频梳的法-珀干涉绝对距离测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于绝对距离测量领域，特别涉及一种基于飞秒光频梳的法-珀干涉绝对距离测量方法及装置。

背景技术

目前，国际单位制七个基本量中，千克是唯一使用实物基准进行定义的单位，由于实物基准随着时间和环境的变化会发生漂移，具有不稳定性和不可复现性，因此用自然基准取代实物基准重新定义千克，已成为计量领域中的一项重要任务。普朗克常数h可以精确定义质量基准，是目前国际上比较通用的一种方法。为此，中国计量科学院NIM提出了在可动线圈的位移模式下测量互感量的能量天平方案，基本原理是，构造一个天平，天平两端分别是质量实物基准和处于固定线圈产生的磁场中的可动线圈。根据天平两端重力及电磁力相等的原理，以及可动线圈运动之后，实物基准的机械能的变化与线圈的互感量的变化守恒的原理，只要测得线圈互感量的变化，就能够获得普朗克常数h。其中整个能量天平的测量的不确定度主要受限于可动线圈在竖直方向上的位移的不确定度。为了实现可动线圈在竖直方向上的位移的高精度测量，并且使其结果具有可溯源性，通常采用激光干涉距离测量方法。

激光干涉距离测量方法通常分为增量式激光干涉距离测量和绝对距离干涉测量两大类。增量式激光干涉距离测量是通过连续测量测量光路相对于参考光路的光程差的变化，来得到测量光路相对于参考光路的距离变化，具有抗干扰性强、测量范围大、测量速度快等优点。但是测量光路的变化依赖于高精度的位移导轨来实现，且在测量过程中光不能被阻隔，测量结果存在周期性误差。而绝对距离干涉测量则可解决上述问题，按其原理及结构，通常采用的方法有基于光波相位测量的合成波长法和基于光波频率测量的法-珀干涉测距法。

合成波长法是利用合成波长的原理，产生逐级扩大的合成波长并测量(计算)其相位，最终精确得到待测距离。产生合成波长的方法有多波长法、相移干涉法、频率扫描法等。但是多波长法需要利用多波长激光器或多台单波长激光器，且很难得到测量时所需要的合成波长；相移干涉法和频率扫描法则在很大程度上受限于相位或频率的控制精度，且测量范围小、测量速度低。

法-珀干涉测距法是根据法-珀腔长与谐振透射峰光频之间的关系，将绝对距离的测量转化为对法-珀腔的相邻谐振峰之间的光频差的测量的方法。该方法详见参考文献：Lawall，J.R.Fabry-Perot metrology for displacements up to 50mm.J.Opt.Soc.Am.A-Opt.Image Sci.Vis.22，2786-2798(2005).该方法测量速度快，精度高，理论上无周期性误差，且可将工作激光器与现行的长度计量标准建立联系，具有可溯源性。但受限于激光移频器的频率调谐范围，该方法测量范围小。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于飞秒光频梳的法-珀干涉绝对距离测量方法及装置，测量范围大、速度快、且可溯源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于飞秒光频梳的法-珀干涉绝对距离测量方法，同时采用两台可调谐激光器发射激光，利用Pound-Drever-Hall方法将所述两台激光器的激光波长分别锁定至待测法-珀腔的两个相隔N个自由光谱范围FSR的透射峰上，然后用波长计和光频梳系统分别测定所述两束激光的绝对频率，从而得到待测法-珀腔的自由光谱范围FSR，由公式获得待测法-珀腔的腔长，其中FSR为自由光谱范围，c为光速，L为待测腔长，N为正整数，取值取决于所述可调谐激光器的调谐范围和被测腔的自由光谱范围，其中所述光频梳系统已将重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准。

所述待测法-珀腔处于真空隔振腔中。

所述可调谐激光器的频率能够在百GHz量级及以上范围内无跳模调谐，再根据待测法-珀腔的腔长，N取1至20之间的整数。

本发明还提供了实现该测量方法的装置，包括：

第一可调谐激光器系统：其中包括第一激光驱动器0-1，第一激光驱动器0-1的输出接第一可调谐激光器1-1，第一可调谐激光器1-1输出单一频率、单一偏振方向的激光，且其频率可以通过第一激光驱动器0-1实现大范围无跳模的调节。第一可调谐激光器1-1的输出的空间激光依次由第一光隔离器2-1和第一保偏光纤准直器耦合进入第一保偏光纤4-1；