专利名称：基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统及其方法
技术领域：
本发明属于精密计量技术领域，具体涉及一种基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统及其方法。
背景技术：
球体直径绝对精密计量在阿伏伽德罗常数精确测量等计量学领域有着广泛的应用需求。利用X射线晶体密度法精确测量阿伏伽德罗常数时，需要对直径约为94mm、质量约为Ikg的单晶硅球直径进行精密测量，从而计算硅球的球体积。由于硅球加工工艺的提高，其圆度已优于lOOnm，表面粗糙度已优于0. 2nm，通过理论分析得到，硅球平均直径计算球体体积时由硅球圆度所引起的误差将远小于平均直径的测量误差，所以提高硅球直径测量准确度是继续提高阿伏伽德罗常数测量准确度的必要途径。为了将阿伏伽德罗常数的相对测量不确定度减小至2 X 10_8，直径的测量不确定度应降低至0. 3nm。目前，尚没有任何一家机构可以实现上述精度的球体直径精密测量，该问题仍为国际多家计量机构的热点研究课题之一，而现有的测量系统通过压电陶瓷用于干涉相位控制时引起的机械振动和非线性现象严重影响了测量的精度。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统及其方法，避免了现有的测量系统通过压电陶瓷用于干涉相位控制时引起的机械振动和非线性现象严重影响了测量的精度的问题，真正实现了球体直径精密测量。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，包括可调谐激光器1，该可调谐激光器1的输出端接入保偏光纤系统2，所述的保偏光纤系统2通过保偏光纤203同激光频率锁定系统3、激光频率溯源系统4以及球体直径干涉仪5分别相连接，所述的激光频率锁定系统3还同可调谐激光器1通信连接，激光频率锁定系统3、激光频率溯源系统4以及球体直径干涉仪5同计算机6通信连接。所述的可调谐激光器1采用基于光栅稳频的外腔半导体激光器。所述的保偏光纤系统2包括其输入端同可调谐激光器1的输出端相连接的光隔离器201，光隔离器201的输出端和第一保偏光纤准直器202的输入头相连接，第一保偏光纤准直器202的输出头通过保偏光纤203同第一保偏光纤耦合器204的入口相连接，第一保偏光纤耦合器204的出口通过保偏光纤203同激光频率锁定系统3、激光频率溯源系统4以及球体直径干涉仪5分别相连接。所述的激光频率锁定系统3包括第二保偏光纤准直器301，该第二保偏光纤准直器301的输出头所出射的激光光线行进方向为横向方向且该激光光线偏振方向为垂直于横向的纵向方向，沿该激光光线行进方向依次间隔布置有电光晶体302、偏振分光棱镜303、1/4波片304以及内含法布里-珀罗腔306的第一恒温真空腔305，第一恒温真空腔 305带有光线入口 312，该光线入口 312和法布里-珀罗腔306的腔口正对该激光光线行进方向，而电光晶体302、电驱动器308、移相器309、混频器310和激光驱动器311依次两两电连接，混频器310也同其探测部分位于偏振分光棱镜303的发射光路上的光电探测器307 相电连接，而激光驱动器311也同计算机6相通信连接，且该激光驱动器311和可调谐激光器1也相电连接。所述的激光频率溯源系统4包括通过保偏光纤203同第一保偏光纤耦合器204的出口相连接的飞秒光频梳系统401和波长计402，而光频梳系统401和波长计402也同计算机6相通信连接。所述的球体直径干涉仪5包括同计算机6相通信连接的第一图像传感器510、第二图像传感器511和数据采集卡514，数据采集卡514也同置于第二恒温真空腔515中的温度传感器512和气压传感器513相通信连接，第二恒温真空腔515上开有第一透射光口 519 和第二透射光口 520，在第二恒温真空腔515中还有同第一保偏光纤耦合器204的出口通过保偏光纤203相连接其入口的第二保偏光纤耦合器501，第二保偏光纤耦合器501的出口通过保偏光纤203同第三保偏光纤准直器502的输入头和第四保偏光纤准直器504的输入头相连接，第三保偏光纤准直器502的输出头和第四保偏光纤准直器504的输出头之所出射的激光光线行进方向上分别设置有第一分光棱镜503和第二分光棱镜505，在第一分光棱镜503的光线透射方向和第二分光棱镜505的光线透射方向设置具有第一参考镜521和第二参考镜522的直径干涉仪标准具506，第一参考镜521和第二参考镜522之间具有预设的平行度，该通过第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面的透射光线能直入直径干涉仪标准具506内，且该第一参考镜521和第二参考镜522分别对向第一分光棱镜503 的光线透射方向和第二分光棱镜505的光线透射方向，而第一分光棱镜503的光线反射方向和第二分光棱镜505的光线反射方向上分别设置有第一透镜508和第二透镜509，第一透镜508的光线透射聚焦点和第二透镜509的光线透射聚焦点分别在第一透射光口 519内和第二透射光口 520内，而第一图像传感器510的感应端和第二图像传感器511的感应端分别位于第一透射光口 519的光线出射方向上和第二透射光口 520的光线出射方向上。所述的基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统的方法为首先通过计算机6 启动可调谐激光器1的输出端输出预定的波长、预定的功率和预定的无跳模调谐范围的单一频率和单一线偏振激光，将该单一频率和单一线偏振激光经保偏光纤系统2的光隔离器 201单向传输至第一保偏光纤准直器202，通过保偏光纤203传输至第一保偏光纤耦合器 204，第一保偏光纤耦合器204将该单一频率和单一线偏振激光分为等光强的4路光束，该等光强的4路光束的出射激光偏振方向与其入射激光偏振方向一致，并将该等光强的四路光束由保偏光纤203分别传输至第二保偏光纤准直器301、飞秒光频梳系统401、波长计402 以及第二保偏光纤耦合器501 ；传输至第二保偏光纤耦合器501的一路光束被分为等光强的两路分光束，该两路分光束分别由保偏光纤203输入至第三保偏光纤准直器502和第四保偏光纤准直器504，关闭第四保偏光纤准直器504的出射光束，第三保偏光纤准直器502 的出射光束经第一分光棱镜503进行透射，第一分光棱镜503产生的透射光束入射至直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面，一部分光束反射至第一分光棱镜503，另一部分光束透射至第二参考镜522的参考面并部分被反射，这样被第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面反射形成的反射光束经由第一分光棱镜503反射，经第一透镜 508聚焦后形成的聚焦光束经第二恒温真空腔515入射至第一图像传感器510，并将第一图像传感器510获取的图像发送到计算机6，计算机6改变可调节激光器1的输出激光波长， 利用多波长激光干涉法测得直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面之间的绝对距离；接着将待测球体507置于直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522之间，并通过温度传感器512和气压传感器513实时测量球体直径干涉仪5内部的温度和气压，并将该温度和气压数值通过数据采集卡514 传送到计算机6中，同时第二保偏光纤准直器301将传输来的一路光束出射为偏振方向垂直于横向的纵向方向的激光光束，且电驱动器308输出信号至电光晶体302和移相器309， 而激光光束经电光晶体302调制后再经偏振分光棱镜303透射至所述1/4波片304，这样 1/4波片304将其光束偏振方向旋转45°后经第一恒温真空腔305透射至法布里-珀罗腔 306，经法布里-珀罗腔306反射后的激光光束通过所述第一恒温真空腔305透射至1/4波片304，1/4波片304将该激光光束偏振方向沿原方向旋转45°后，经偏振分光棱镜303反射至光电探测器307将激光光束转化为电信号并发送到混频器310，而移相器309将电驱动器308的输出信号经移相后形成的移相信号输入至混频器310，混频器310将该移相信号和光电探测器307发送来的电信号混频后形成误差信号，并将该误差信号输入至激光驱动器 311，并由激光驱动器311将误差信号输入至计算机6，计算机6通过该误差信号发送控制指令到激光驱动器311中，再由激光驱动器311形成反馈控制信号可调谐激光器1的输出激光频率锁定至法布里-珀罗腔306上预定的四个透射峰上，该四个透射峰之间预设的频率间隔也逐次一致，而对每个透射峰下的可调谐激光器1的输出激光，经保偏光纤系统2的光隔离器201单向传输至第一保偏光纤准直器202，通过保偏光纤203传输至第一保偏光纤耦合器204，第一保偏光纤耦合器204将该单一频率和单一线偏振激光分为等光强的4路光束，该等光强的4路光束的出射激光偏振方向与其入射激光偏振方向一致，并将该等光强的四路光束由保偏光纤203分别传输至第二保偏光纤准直器301、飞秒光频梳系统401、波长计402以及第二保偏光纤耦合器501，该等光强的四路光束中传输到飞秒光频梳系统401 和波长计402的两路光束，经过飞秒光频梳系统401和波长计402测量可调谐激光器1的输出激光频率，并溯源至微波频率基准，并将输出激光频率和微波频率基准的值发送到计算机6中，而传输至第二保偏光纤耦合器501的一路光束被分为等光强的两路分光束，该两路分光束分别由保偏光纤203输入至第三保偏光纤准直器502和第四保偏光纤准直器504， 第三保偏光纤准直器502的出射光束和第四保偏光纤准直器504的出射光束分别经第一分光棱镜503和第二分光棱镜505进行透射，第一分光棱镜503和第二分光棱镜505产生的透射光束分别入射直径干涉仪标准具506的待测球体507的对应表面并被反射，这样被待测球体507的对应表面反射形成的反射光束和由直径干涉仪标准具506的第一参考镜521 的参考面和第二参考镜522的参考面反射形成的反射光束分别经由第一分光棱镜503和第二分光棱镜505反射，而被第一分光棱镜503和第二分光棱镜505反射形成的反射光束分别经第一透镜508和第二透镜509聚焦后，经第一透镜508和第二透镜509聚焦后形成的聚焦光束经第二恒温真空腔515分别入射至第一图像传感器510和第二图像传感器511，并将第一图像传感器510和第二图像传感器511获取的图样发送到计算机6，计算机6根据获取的图样数据、输出激光频率和微波频率基准的值通过异步采样相移算法计算待测球体507同第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面形成的两个间隙绝对距离和，然后用所述的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面之间的绝对距离减去该两个间隙绝对距离和即得到待测球体507的直径值，并根据当前通过数据采集卡514传送到计算机6中的温度和气压数值进行误差校正该直径值。该基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统采用基于可调谐激光器1的频率扫描而进行干涉相位控制的方法，避免了压电陶瓷用于干涉相位控制时引起的机械振动和非线性现象，提高了相移控制的精确度；加上采用基于法布里-珀罗腔306的激光频率锁定系统3，将可调谐激光器1的输出激光频率锁定至法布里-珀罗腔306的透射峰上，严格保证了异步采样相移算法要求的等步长相移假设，提高了相移算法的计算精确度；另外还采用基于飞秒光频梳系统的激光频率溯源系统4，将可调谐激光器1的输出激光频率溯源至微波频率基准，从而使得待测球体的直径测量结果具有计量学意义。
图1是本发明的基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统结构示意图。图2是本发明的工作原理结构示意图，其中箭头或虚线表示激光光束。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更详细的说明。如图1所示，基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，包括可调谐激光器1， 该可调谐激光器1的输出端接入保偏光纤系统2，所述的保偏光纤系统2通过保偏光纤203 同激光频率锁定系统3、激光频率溯源系统4以及球体直径干涉仪5分别相连接，所述的激光频率锁定系统3还同可调谐激光器1通信连接，激光频率锁定系统3、激光频率溯源系统 4以及球体直径干涉仪5同计算机6通信连接。所述的可调谐激光器1采用基于光栅稳频的外腔半导体激光器。所述的保偏光纤系统2包括其输入端同可调谐激光器1的输出端相连接的光隔离器201，光隔离器201的输出端和第一保偏光纤准直器202的输入头相连接， 第一保偏光纤准直器202的输出头通过保偏光纤203同第一保偏光纤耦合器204的入口相连接，第一保偏光纤耦合器204的出口通过保偏光纤203同激光频率锁定系统3、激光频率溯源系统4以及球体直径干涉仪5分别相连接。所述的激光频率锁定系统3包括第二保偏光纤准直器301，该第二保偏光纤准直器301的输出头所出射的激光光线行进方向为横向方向且该激光光线偏振方向为垂直于横向的纵向方向，沿该激光光线行进方向依次间隔布置有电光晶体302、偏振分光棱镜303、1/4波片304以及内含法布里-珀罗腔306的第一恒温真空腔305，第一恒温真空腔305带有光线入口 312，该光线入口 312和法布里-珀罗腔306的腔口正对该激光光线行进方向，而电光晶体302、电驱动器308、移相器309、混频器310和激光驱动器311依次两两电连接，混频器310也同其探测部分位于偏振分光棱镜 303的发射光路上的光电探测器307相电连接，而激光驱动器311也同计算机6相通信连接，且该激光驱动器311和可调谐激光器1也相电连接。所述的激光频率溯源系统4包括通过保偏光纤203同第一保偏光纤耦合器204的出口相连接的飞秒光频梳系统401和波长计402，而光频梳系统401和波长计402也同计算机6相通信连接。所述的球体直径干涉仪5包括同计算机6相通信连接的第一图像传感器510、第二图像传感器511和数据采集卡514，数据采集卡514也同置于第二恒温真空腔515中的温度传感器512和气压传感器513 相通信连接，第二恒温真空腔515上开有第一透射光口 519和第二透射光口 520，在第二恒温真空腔515中还有同第一保偏光纤耦合器204的出口通过保偏光纤203相连接其入口的第二保偏光纤耦合器501，第二保偏光纤耦合器501的出口通过保偏光纤203同第三保偏光纤准直器502的输入头和第四保偏光纤准直器504的输入头相连接，第三保偏光纤准直器 502的输出头和第四保偏光纤准直器504的输出头之所出射的激光光线行进方向上分别设置有第一分光棱镜503和第二分光棱镜505，在第一分光棱镜503的光线透射方向和第二分光棱镜505的光线透射方向设置具有第一参考镜521和第二参考镜522的直径干涉仪标准具506，第一参考镜521和第二参考镜522的平行度优于1角秒，该通过第一参考镜521 的参考面和第二参考镜522的参考面的透射光线能直入直径干涉仪标准具506内，且该第一参考镜521和第二参考镜522分别对向第一分光棱镜503的光线透射方向和第二分光棱镜505的光线透射方向，而第一分光棱镜503的光线反射方向和第二分光棱镜505的光线反射方向上分别设置有第一透镜508和第二透镜509，第一透镜508的光线透射聚焦点和第二透镜509的光线透射聚焦点分别在第一透射光口 519内和第二透射光口 520内，而第一图像传感器510的感应端和第二图像传感器511的感应端分别位于第一透射光口 519的光线出射方向上和第二透射光口 520的光线出射方向上。 如图2所示，所述的基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统的方法为首先通过计算机6启动可调谐激光器1的输出端输出激光波长为632. 991nm，激光功率为SmW以及无跳模调谐范围20GHz的单一频率和单一线偏振激光，将该单一频率和单一线偏振激光经保偏光纤系统2的光隔离器201单向传输至第一保偏光纤准直器202，通过保偏光纤203 传输至第一保偏光纤耦合器204，第一保偏光纤耦合器204将该单一频率和单一线偏振激光分为等光强的4路光束，该等光强的4路光束的出射激光偏振方向与其入射激光偏振方向一致，并将该等光强的四路光束由保偏光纤203分别传输至第二保偏光纤准直器301、飞秒光频梳系统401、波长计402以及第二保偏光纤耦合器501 ；传输至第二保偏光纤耦合器 501的一路光束被分为等光强的两路分光束，该两路分光束分别由保偏光纤203输入至第三保偏光纤准直器502和第四保偏光纤准直器504，关闭第四保偏光纤准直器504的出射光束，第三保偏光纤准直器502的出射光束经第一分光棱镜503进行透射，第一分光棱镜503 产生的透射光束入射至直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面，一部分光束反射至第一分光棱镜503，另一部分光束透射至第二参考镜522的参考面并部分被反射，这样被第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面反射形成的反射光束经由第一分光棱镜503反射，经第一透镜508聚焦后形成的聚焦光束经第二恒温真空腔515入射至第一图像传感器510，并将第一图像传感器510获取的图像发送到计算机6，计算机6改变可调节激光器1的输出激光波长，利用多波长激光干涉法测得直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面之间的绝对距离；接着将待测球体507置于直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522之间，并通过温度传感器512和气压传感器513实时测量球体直径干涉仪5内部的温度和气压，并将该温度和气压数值通过数据采集卡514传送到计算机6中，同时第二保偏光纤准直器301将传输来的一路光束出射为偏振方向垂直于横向的纵向方向的激光光束，且电驱动器308输出信号至电光晶体302和移相器309，而激光光束经电光晶体302调制后再经偏振分光棱镜303透射至所述1/4波片304，这样1/4波片304将其光束偏振方向旋转45°后经第一恒温真空腔 305透射至法布里-珀罗腔306，经法布里-珀罗腔306反射后的激光光束通过所述第一恒温真空腔305透射至1/4波片304，1/4波片304将该激光光束偏振方向沿原方向旋转45° 后，经偏振分光棱镜303反射至光电探测器307将激光光束转化为电信号并发送到混频器 310，而移相器309将电驱动器308的输出信号经移相后形成的移相信号输入至混频器310， 混频器310将该移相信号和光电探测器307发送来的电信号混频后形成误差信号，并将该误差信号输入至激光驱动器311，并由激光驱动器311将误差信号输入至计算机6，计算机6 通过该误差信号发送控制指令到激光驱动器311中，由激光驱动器311形成反馈控制信号控制可调谐激光器1的输出激光频率锁定至法布里-珀罗腔306上预定的四个透射峰上， 该四个透射峰之间预设的频率间隔也逐次一致，而对每个透射峰下的可调谐激光器1的输出激光，经保偏光纤系统2的光隔离器201单向传输至第一保偏光纤准直器202，通过保偏光纤203传输至第一保偏光纤耦合器204，第一保偏光纤耦合器204将该单一频率和单一线偏振激光分为等光强的4路光束，该等光强的4路光束的出射激光偏振方向与其入射激光偏振方向一致，并将该等光强的四路光束由保偏光纤203分别传输至第二保偏光纤准直器301、飞秒光频梳系统401、波长计402以及第二保偏光纤耦合器501，该等光强的四路光束中传输到飞秒光频梳系统401和波长计402的两路光束，经过飞秒光频梳系统401和波长计402测量可调谐激光器1的输出激光频率，并溯源至微波频率基准，并将输出激光频率和微波频率基准的值发送到计算机6中，而传输至第二保偏光纤耦合器501的一路光束被分为等光强的两路分光束，该两路分光束分别由保偏光纤203输入至第三保偏光纤准直器 502和第四保偏光纤准直器504，第三保偏光纤准直器502的出射光束和第四保偏光纤准直器504的出射光束分别经第一分光棱镜503和第二分光棱镜505进行透射，第一分光棱镜 503和第二分光棱镜505产生的透射光束分别入射直径干涉仪标准具506的待测球体507 的对应表面并被反射，这样被待测球体507的对应表面反射形成的反射光束和由直径干涉仪标准具506的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面反射形成的反射光束分别经由第一分光棱镜503和第二分光棱镜505反射，而被第一分光棱镜503和第二分光棱镜505反射形成的反射光束分别经第一透镜508和第二透镜509聚焦后，经第一透镜508 和第二透镜509聚焦后形成的聚焦光束经第二恒温真空腔515分别入射至第一图像传感器 510和第二图像传感器511，并将第一图像传感器510和第二图像传感器511获取的图样发送到计算机6，计算机6根据获取的图样数据、输出激光频率和微波频率基准的值通过异步采样相移算法计算待测球体507同第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面形成的两个间隙绝对距离和，然后用所述的第一参考镜521的参考面和第二参考镜522的参考面之间的绝对距离减去该两个间隙绝对距离和即得到待测球体507的直径值，并根据当前通过数据采集卡514传送到计算机6中的温度和气压数值进行误差校正该直径值。
权利要求
1.一种基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，其特征在于包括可调谐激光器 (1)，该可调谐激光器(1)的输出端接入保偏光纤系统O)，所述的保偏光纤系统( 通过保偏光纤(20 同激光频率锁定系统(3)、激光频率溯源系统以及球体直径干涉仪(5) 分别相连接，所述的激光频率锁定系统C3)还同可调谐激光器(1)通信连接，激光频率锁定系统(3)、激光频率溯源系统以及球体直径干涉仪(5)同计算机(6)通信连接。
2.根据权利要求1所述基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，其特征在于所述的可调谐激光器(1)采用基于光栅稳频的外腔半导体激光器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，其特征在于所述的保偏光纤系统( 包括其输入端同可调谐激光器(1)的输出端相连接的光隔离器001)，光隔离器O01)的输出端和第一保偏光纤准直器O02)的输入头相连接， 第一保偏光纤准直器(20 的输出头通过保偏光纤(20 同第一保偏光纤耦合器(204)的入口相连接，第一保偏光纤耦合器(204)的出口通过保偏光纤O03)同激光频率锁定系统 (3)、激光频率溯源系统以及球体直径干涉仪( 分别相连接。
4.根据权利要求3所述基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，其特征在于所述的激光频率锁定系统C3)包括第二保偏光纤准直器(301)，该第二保偏光纤准直器(301) 的输出头所出射的激光光线行进方向为横向方向且该激光光线偏振方向为垂直于横向的纵向方向，沿该激光光线行进方向依次间隔布置有电光晶体(302)、偏振分光棱镜(303)、 1/4波片(304)以及内含法布里-珀罗腔(306)的第一恒温真空腔(305)，第一恒温真空腔 (305)带有光线入口(312)，该光线入口(312)和法布里-珀罗腔(306)的腔口正对该激光光线行进方向，而电光晶体(302)、电驱动器(308)、移相器(309)、混频器(310)和激光驱动器(311)依次两两电连接，混频器(310)也同其探测部分位于偏振分光棱镜(303)的发射光路上的光电探测器(307)相电连接，而激光驱动器(311)也同计算机(6)相通信连接，且该激光驱动器(311)和可调谐激光器(1)也相电连接。
5.根据权利要求4所述基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，其特征在于所述的激光频率溯源系统(4)包括通过保偏光纤(20 同第一保偏光纤耦合器(204)的出口相连接的飞秒光频梳系统(401)和波长计002)，而光频梳系统(401)和波长计(40 也同计算机(6)相通信连接。
6.根据权利要求5所述基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统，其特征在于所述的球体直径干涉仪( 包括同计算机(6)相通信连接的第一图像传感器(510)、第二图像传感器(511)和数据采集卡(514)，数据采集卡(514)也同置于第二恒温真空腔(515)中的温度传感器(51 和气压传感器(51 相通信连接，第二恒温真空腔(51 上开有第一透射光口(519)和第二透射光口(520)，在第二恒温真空腔(515)中还有同第一保偏光纤耦合器O04)的出口通过保偏光纤(20 相连接其入口的第二保偏光纤耦合器(501)，第二保偏光纤耦合器(501)的出口通过保偏光纤(20 同第三保偏光纤准直器(50 的输入头和第四保偏光纤准直器(504)的输入头相连接，第三保偏光纤准直器(502)的输出头和第四保偏光纤准直器(504)的输出头之所出射的激光光线行进方向上分别设置有第一分光棱镜(50 和第二分光棱镜(505)，在第一分光棱镜(503)的光线透射方向和第二分光棱镜(50 的光线透射方向设置具有第一参考镜(521)和第二参考镜(52 的直径干涉仪标准具(506)，第一参考镜(521)和第二参考镜(52 之间具有预设的平行度，该通过第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(52 的参考面的透射光线能直入直径干涉仪标准具 (506)内，且该第一参考镜(521)和第二参考镜(52 分别对向第一分光棱镜(50 的光线透射方向和第二分光棱镜(505)的光线透射方向，而第一分光棱镜(503)的光线反射方向和第二分光棱镜(505)的光线反射方向上分别设置有第一透镜(508)和第二透镜(509)， 第一透镜(508)的光线透射聚焦点和第二透镜(509)的光线透射聚焦点分别在第一透射光口(519)内和第二透射光口(520)内，而第一图像传感器(510)的感应端和第二图像传感器(511)的感应端分别位于第一透射光口(519)的光线出射方向上和第二透射光口(520) 的光线出射方向上。
7.根据权利要求6所述基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统的方法，其特征在于所述的基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统的方法为首先通过计算机(6)启动可调谐激光器(1)的输出端输出预定的波长、预定的功率和预定的无跳模调谐范围的单一频率和单一线偏振激光，将该单一频率和单一线偏振激光经保偏光纤系统O)的光隔离器 (201)单向传输至第一保偏光纤准直器002)，通过保偏光纤(20 传输至第一保偏光纤耦合器O04)，第一保偏光纤耦合器(204)将该单一频率和单一线偏振激光分为等光强的4路光束，该等光强的4路光束的出射激光偏振方向与其入射激光偏振方向一致，并将该等光强的四路光束由保偏光纤(20 分别传输至第二保偏光纤准直器(301)、飞秒光频梳系统 001)、波长计002)以及第二保偏光纤耦合器(501)；传输至第二保偏光纤耦合器(501) 的一路光束被分为等光强的两路分光束，该两路分光束分别由保偏光纤(20 输入至第三保偏光纤准直器(50 和第四保偏光纤准直器(504)，关闭第四保偏光纤准直器(504)的出射光束，第三保偏光纤准直器(50 的出射光束经第一分光棱镜(50 进行透射，第一分光棱镜(50 产生的透射光束入射至直径干涉仪标准具(506)的第一参考镜(521)的参考面，一部分光束反射至第一分光棱镜(503)，另一部分光束透射至第二参考镜(522)的参考面并部分被反射，这样被第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(522)的参考面反射形成的反射光束经由第一分光棱镜(50 反射，经第一透镜(508)聚焦后形成的聚焦光束经第二恒温真空腔(515)入射至第一图像传感器(510)，并将第一图像传感器(510)获取的图像发送到计算机(6)，计算机(6)改变可调节激光器1的输出激光波长，利用多波长激光干涉法测得直径干涉仪标准具(506)的第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(522)的参考面之间的绝对距离；接着将待测球体(507)置于直径干涉仪标准具(506)的第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(52 之间，并通过温度传感器(51 和气压传感器(513) 实时测量球体直径干涉仪(5)内部的温度和气压，并将该温度和气压数值通过数据采集卡 (514)传送到计算机(6)中，同时第二保偏光纤准直器(301)将传输来的一路光束出射为偏振方向垂直于横向的纵向方向的激光光束，且电驱动器(308)输出信号至电光晶体(302) 和移相器(309)，而激光光束经电光晶体(30 调制后再经偏振分光棱镜(30 透射至所述1/4波片(304)，这样1/4波片(304)将其光束偏振方向旋转45°后经第一恒温真空腔 (305)透射至法布里-珀罗腔(306)，经法布里-珀罗腔(306)反射后的激光光束通过所述第一恒温真空腔(30 透射至1/4波片(304)，1/4波片(304)将该激光光束偏振方向沿原方向旋转45°后，经偏振分光棱镜(30 反射至光电探测器(307)将激光光束转化为电信号并发送到混频器(310)，而移相器(309)将电驱动器(308)的输出信号经移相后形成的移相信号输入至混频器(310)，混频器(310)将该移相信号和光电探测器(307)发送来的电信号混频后形成误差信号，并将该误差信号输入至激光驱动器(311)，由激光驱动器(311)将误差信号输入至计算机(6)，计算机(6)通过该误差信号发送控制指令到激光驱动器(311) 中，由激光驱动器(311)形成反馈控制信号控制可调谐激光器(1)的输出激光频率锁定至法布里-珀罗腔(306)上预定的四个透射峰上，该四个透射峰之间预设的频率间隔也逐次一致，而对每个透射峰下的可调谐激光器(1)的输出激光，经保偏光纤系统O)的光隔离器O01)单向传输至第一保偏光纤准直器002)，通过保偏光纤(20 传输至第一保偏光纤耦合器004)，第一保偏光纤耦合器(204)将该单一频率和单一线偏振激光分为等光强的4路光束，该等光强的4路光束的出射激光偏振方向与其入射激光偏振方向一致，并将该等光强的四路光束由保偏光纤(20 分别传输至第二保偏光纤准直器(301)、飞秒光频梳系统G01)、波长计002)以及第二保偏光纤耦合器(501)，该等光强的四路光束中传输到飞秒光频梳系统(401)和波长计002)的两路光束，经过飞秒光频梳系统(401)和波长计 (402)测量可调谐激光器(1)的输出激光频率，并溯源至微波频率基准，并将输出激光频率和微波频率基准的值发送到计算机(6)中，而传输至第二保偏光纤耦合器(501)的一路光束被分为等光强的两路分光束，该两路分光束分别由保偏光纤(20 输入至第三保偏光纤准直器(50 和第四保偏光纤准直器(504)，第三保偏光纤准直器(502)的出射光束和第四保偏光纤准直器(504)的出射光束分别经第一分光棱镜(50 和第二分光棱镜(505)进行透射，第一分光棱镜(50 和第二分光棱镜(50 产生的透射光束分别入射直径干涉仪标准具(506)的待测球体(507)的对应表面并被反射，这样被待测球体(507)的对应表面反射形成的反射光束和由直径干涉仪标准具(506)的第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(522)的参考面反射形成的反射光束分别经由第一分光棱镜(50 和第二分光棱镜 (505)反射，而被第一分光棱镜(50 和第二分光棱镜(505)反射形成的反射光束分别经第一透镜(508)和第二透镜(509)聚焦后，经第一透镜(508)和第二透镜(509)聚焦后形成的聚焦光束经第二恒温真空腔(51 分别入射至第一图像传感器(510)和第二图像传感器(511)，并将第一图像传感器(510)和第二图像传感器(511)获取的图样发送到计算机 (6)，计算机(6)根据获取的图样数据、输出激光频率和微波频率基准的值通过异步采样相移算法计算待测球体(507)同第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(52 的参考面形成的两个间隙绝对距离和，然后用所述的第一参考镜(521)的参考面和第二参考镜(522) 的参考面之间的绝对距离减去该两个间隙绝对距离和即得到待测球体(507)的直径值，并根据当前通过数据采集卡(514)传送到计算机(6)中的温度和气压数值进行误差校正该直径值。
全文摘要
一种基于相移干涉的球体直径绝对精密计量系统及其方法，包括相互连接的可调谐激光器、保偏光纤系统、激光频率锁定系统、激光频率溯源系统以及球体直径干涉仪；该发明采用基于可调谐激光器的频率扫描而进行干涉相位控制的方法，避免了压电陶瓷用于干涉相位控制时引起的机械振动和非线性现象，提高了相移控制的精确度；加上采用法布里-珀罗腔，将输出激光频率锁定至法布里-珀罗腔的透射峰上，严格保证了异步采样相移算法要求的等步长相移假设，提高了相移算法的计算精确度；另外还采用基于飞秒光频梳系统的激光频率溯源系统，将可调谐激光器的输出激光频率溯源至微波频率基准，从而使得待测球体的直径测量结果具有计量学意义。
文档编号G01B11/08GK102288120SQ20111012120
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者吴学健, 尉昊赟, 张继涛, 李岩 申请人:清华大学