激光合成波长干涉测量空气折射率的方法研究

For the precision measurement methods which adopt the laser wavelength as the length standard, the measurement and calibration of air refractive index is a fundamental measurement problem. Among the existing air refractive index measurement methods, the Edlén equation method based on pressure, temperature and humidity (PTF) sensing is limited by the accuracy of environmental parameter sensors and the uncertainty of equation itself, whereas the laser interferometry is affected by the effective subdivision of interference fringe and the first-order nonlinearity error, so the measurement accuracy of air refractive index is difficult to improve. In this project, a novel air refractive index measurement method based on the laser synthetic wavelength interferometry is proposed. By innovating the air refractive index sensing principle, a slight air refractive index fluctuation is magnified to a large displacement on the order of millimeter or micrometer. Therefore high precision absolute measurement of air refractive index is realized. Through the theoretical analysis of the measurement method, optimization design of the measurement system, construction of experimental setup and experimental verification, the formation mechanism, influencing factors and compensation method of measurement error of air refractive index will be studied systematically. The effects on the air refractive index measurement accuracy induced by the vacuum cavity deformation or movement will be solved. And a novel air refractive index measurement system with high accuracy will be developed. Through the study of this project, the aim is to provide an accuracy air refractive index measurement method and test or metrology instrument for scientific researches related to precision length measurement.

空气折射率的检测与校准是以激光波长为长度基准的精密测量方法的基础测量问题。现有的空气折射率测量方法中，基于PTF传感的Edlén法受传感器精度和公式本身不确定度的限制，干涉测量法则受条纹有效细分和一阶非线性误差的影响，测量精度都难以提高。本项目拟通过空气折射率传感原理的创新，将难以测量的空气折射率微小变化量转化为易于检测的毫米或微米级位移测量，提出一种激光合成波长干涉测量空气折射率的新方法，可实现高精度的空气折射率绝对测量。通过对该测量方法的理论分析、测量系统的设计与优化、测量装置的构建和实验验证等，研究空气折射率测量误差的形成机理和影响因素及其补偿方法，解决真空腔变形或运动对空气折射率测量精度影响的关键技术，研制一套高精度的新型空气折射率测试计量装置。通过本项目的研究，旨在为精密长度测量领域相关科学研究提供精确的空气折射率测量方法和测试计量仪器，拟实现空气折射率测量不确定度为1E-9。

长度测量采用激光波长作为基准单位，激光在空气中的波长值与空气折射率密切相关，因此空气折射率的精密测量是激光干涉位移测量的关键基础。本项目在资助期内，对激光合成波长干涉测量空气折射率方法进行了详细研究，研究内容包括测量方法设计、理论分析研究、测量系统设计与优化、光电信号处理方法研究、测量系统非线性误差分析研究、测量不确定度分析与评定和实验验证等，提出了补偿真空腔运动误差的激光合成波长干涉测量空气折射率的方法，构建了相关实验装置，进行了验证和应用实验。按计划完成了项目的研究内容，达到了预期研究目标。主要研究工作和创新点如下：.1. 提出了一种激光合成波长干涉测量空气折射率的原理与方法，解决了一般干涉式空气折射率测量精度受限于干涉条纹正弦细分误差或一阶偏振非线性误差的技术问题，实现了高精度空气折射率的绝对测量。.2. 研究了空气折射率测量误差的形成机理和影响因素及其补偿方法，建立了补偿真空腔运动误差的激光合成波长测量空气折射率原理，提出了相位漂移和真空腔残余压强的补偿方法，实现了长时间的空气折射率精确测量。.3. 完成了真空腔运动误差补偿的激光合成波长干涉空气折射率测量系统的设计与优化，设计了软硬件结合干涉条纹计数、差动式相位差检测和正弦相位调制椭圆拟合的PGC干涉信号处理方法，不仅解决了真空腔运动过程中整数干涉条纹的准确计数和小数干涉相位的精确检测问题，而且通过椭圆拟合修正解决了制约测量精度的非线性误差问题。.4. 构建了激光合成波长干涉空气折射率测量系统实验装置，经测量不确定度分析评定，空气折射率绝对测量不确定度达3.7E-9，实验验证了测量原理与方法的可行性和有效性。.5. 取得的主要研究成果如下：.（1）在Opt. Express、Rev. Sci. Instrum.、Meas. Sci. Techn.等知名学术期刊上发表学术论文13篇，其中SCI收录12篇。.（2）申请发明专利5件，授权发明专利3件。.（3）培养博士研究生2名、硕士研究生5名。