外差激光干涉测量中高阶与负阶光学非线性误差机理与测量方法研究

Sub-nanometer or picometer heterodyne laser interferometry is a pressing requirement for rapid advancement of scientific research and industrial technology. This study will focus on the critical scientific and technical problems in ultra-precision laser interferometry. Firstly, the mechanism and model for the high-order and negative-order nonlinear harmonics will be resolved, which can lay the theoretical basis for compensation of the periodic error. Secondly, the mechanism that how the high-order and negative-order nonlinear harmonics restrict sub-nanometer or picometer interferometry is intensively investigated, in order to offer necessary theoretical support for optimizing the layout of interferometers. Finally, a measurement method and its device for periodic error with picometer accuracy will be developed to provide a powerful assistive tool for promoting the advancement of sub-nanometer or picometer interferometry. The studies in this project are expected to significantly benefit the development of ultra-precision laser interferometry with own intellectual property rights, the progress of sophisticated manufacture equipment and upgrade of the manufacturing industry, they are also of widely applications in precision metrology and significant scientific research.

科学研究和工业技术的飞速发展对外差激光干涉测量提出了亚纳米/皮米级的测量精度要求，本项目将围绕促进这一目标实现的重要科学和关键技术问题展开。首先，研究高阶和负阶光学非线性误差谐波的机理和模型，为该误差的消除或补偿奠定必需的理论基础；其次，研究高阶和负阶光学非线性误差谐波对亚纳米/皮米级激光干涉测量的制约机制，为干涉仪的优化设计提供必要的理论支持；最后，研究一种兼具皮米级精度和普遍适用性的光学非线性误差测量方法和装置，为亚纳米/皮米级激光干涉测量技术的研究提供不可或缺的辅助手段和设备。本项目研究有助于推动形成自主产权的超精密激光干涉测量技术和设备，对于发展尖端加工装备、促进制造业升级具有重要的战略意义，在精密计量和重大科学研究方面也有广泛的应用前景。

外差激光干涉测量具有测量精度高、测量速度快、抗干扰能力强等优点，在高端制造装备、前沿科学装置以及精密计量等领域具有广泛和重要的应用，而周期性光学非线性误差是其测量精度迈入亚纳米级/皮米级的关键制约因素。本项目围绕激光外差干涉测量中反常光学非线性谐波产生机理、影响机制及其测试方法开展研究，主要研究内容和成果如下：.（1）建立了高阶和负阶反常光学非线性误差的理论模型，揭示了其形成机理。针对实验发现的反常非线性谐波，建立了基于光学频率混叠和多阶虚反射耦合干涉的光学非线性误差模型，从所建立模型出发分析了高阶和负阶光学非线性谐波的变化机理。.（2）研究了反常光学非线性谐波对激光外差干涉测量的影响机制。根据项目研究建立的高阶和负阶光学非线性误差模型，通过分析反常光学非线性谐波对理想测量信号引入的谐波畸变及其作用，阐明了对于实现亚纳米/皮米级干涉测量的制约机制。.（3）提出了基于双通道锁相放大的皮米级光学非线性误差测量方法。在传统的锁相正交解调法基础上，通过采用共同内部参考基准、扩充锁相放大通道数，使之同时适用于匀速和非匀速的工况，并充分利用双通道并行锁相的微弱信号探测能力，结合相位差分解调算法，对干涉信号中包含的皮米量级非线性误差进行提取与评估，从而实现皮米级的检测能力。在此基础上，还建立了相应的实验装置，实验证实所提出测量方法的精度优2pm。.本项目发表SCI研究论文4篇，授权专利6项，培养硕士和博士研究生6人。项目相关成果作为关键支撑材料之一，2020年通过中国仪器仪表学会的成果鉴定，并获中国计量测试学会科学技术进步一等奖。