本發(fā)明涉及空氣折射率測量，尤其是涉及一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、精密及超精密測量技術(shù)在現(xiàn)代加工及制造領(lǐng)域的地位不可忽視，其量程和精度的提升直接影響著制造過程中所得到的產(chǎn)品尺寸和精度。激光干涉儀因其非接觸性測量和大范圍行程測量的特性，在位移測量領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而，激光干涉儀的測量精度基于波長的準(zhǔn)確性，其測量結(jié)果以波長作為基準(zhǔn)。在長距離位移測量中，環(huán)境因素，尤其是溫度、壓力和濕度的變化，對空氣折射率產(chǎn)生顯著影響，從而對波長造成擾動，這種擾動直接影響位移測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，精準(zhǔn)測量空氣折射率對于確保位移測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。通過準(zhǔn)確測定并補(bǔ)償空氣折射率的變化，擴(kuò)展了激光干涉儀在各種環(huán)境條件下的測量范圍和應(yīng)用場景，增強(qiáng)了其在多樣化測量場景中的適用性。

2、現(xiàn)有測量空氣折射率的主要方法是經(jīng)驗(yàn)公式法，該方法依賴于環(huán)境傳感器對環(huán)境參數(shù)(如溫度、壓強(qiáng)、濕度、二氧化碳濃度等)的測量，并通過edlén方程等經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算空氣折射率。然而，該測量方法主要缺陷在于需要對環(huán)境參數(shù)測量精度的高度依賴，存在局部測量無法等效于整個光程的平均值的問題。同時，環(huán)境參數(shù)的確定基于大量環(huán)境傳感器的測量，成本高效率低。

3、光柵干涉儀具有抗環(huán)境干擾、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，具備為激光干涉儀提供現(xiàn)場校準(zhǔn)的基礎(chǔ)條件。由于光柵干涉儀依賴于傳統(tǒng)光柵進(jìn)行測量，傳統(tǒng)光柵抗環(huán)境干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性高，具備現(xiàn)場測量空氣折射率的基本條件，但其光柵周期不確定度包含空氣折射率的成分，不具備溯源性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)及方法，不僅減少了對局域環(huán)境傳感器的依賴，且能夠在復(fù)雜條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了空氣折射率測量結(jié)果的溯源性和可靠性。它為現(xiàn)場空氣折射率測量提供了一種創(chuàng)新且高效的解決方案，更適合企業(yè)里現(xiàn)場測量、在線測量，推動納米計(jì)量的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)，包括自溯源光柵干涉儀，所述自溯源光柵干涉儀上的光源折射到納米位移臺一上的零膨脹玻璃上，再通過反射鏡形成影響激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)波長的測量光路與納米位移臺二連接。

3、一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，包括以下步驟：

4、s1、自溯源光柵周期方向與反射鏡測量軸方向按照阿貝原則對準(zhǔn)后，固定在納米位移臺二上，上位機(jī)控制器發(fā)出測量指令，驅(qū)動承載自溯源光柵和反射鏡的納米位移臺一進(jìn)行精確位移；

5、s2、按照nyquist采樣定理對自溯源光柵干涉儀信號、激光干涉儀信號進(jìn)行采樣，并提取干涉相位；

6、s3、以自溯源光柵干涉儀的位移測量結(jié)果為基準(zhǔn)，計(jì)算激光干涉儀在測量路徑上的等效波長；

7、s4、將激光干涉儀光源的標(biāo)準(zhǔn)波長與等效波長的比值作為激光干涉儀測量路徑上的平均空氣折射率。

8、優(yōu)選的，在步驟s1中，零阿貝原則具體為通過機(jī)械設(shè)計(jì)納米位移臺轉(zhuǎn)接架，使自溯源光柵周期方向和反射鏡測量軸共線。

9、優(yōu)選的，在步驟s1中，自溯源光柵為通過原子光刻技術(shù)制備的、具有極高周期準(zhǔn)確性和均勻性的光柵結(jié)構(gòu)，在此過程中過程中，金屬材料在真空環(huán)境下加熱升華至氣體狀態(tài)，并以瀉流方式噴射，其中噴射的原子束通過穩(wěn)頻激光實(shí)現(xiàn)將激光波長鎖定在金屬原子兩個能級的躍遷頻率上，噴射的周期性分布的原子沉積在零膨脹玻璃上，形成的光柵結(jié)構(gòu)使其周期能直接溯源至金屬原子兩個能級的躍遷頻率。

10、優(yōu)選的，在步驟s2中，激光干涉儀用于測量中的波長未經(jīng)對空氣折射率的影響進(jìn)行補(bǔ)償，在使用過程中，激光干涉儀的測量結(jié)果直接反映了空氣折射率對激光波長的影響，而不進(jìn)行任何形式的校準(zhǔn)或調(diào)整。

11、優(yōu)選的，在步驟s2中，上位機(jī)根據(jù)nyquist采樣定理，以特定頻率進(jìn)行信號采樣，并通過信號處理算法將干涉信號轉(zhuǎn)化為位移信號，得出自溯源光柵干涉儀和激光干涉儀的相位與位移之間的關(guān)系如下所示：

12、

13、其中d表示光柵間距，m代表細(xì)分倍數(shù)，n表示空氣折射率，λ表示空氣中的激光波長，而λ0是真空中的激光波長。

14、優(yōu)選的，在步驟s3中，位移測量基準(zhǔn)為自溯源光柵的周期，利用光柵移動的多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的兩束光的頻差，經(jīng)過合束產(chǎn)生干涉測量信號，基于光柵周期量將信號轉(zhuǎn)換為位移量，從而實(shí)現(xiàn)微納尺度測量的干涉儀。自溯源光柵干涉儀使用光柵間距作為測量基準(zhǔn)，其結(jié)果不受空氣環(huán)境變化的影響，而激光干涉儀則使用空氣中的激光波長作為基準(zhǔn)，波長受環(huán)境條件變化的影響。

15、優(yōu)選的，在步驟s4中，激光標(biāo)準(zhǔn)波長為激光干涉儀在真空環(huán)境中具有一個標(biāo)準(zhǔn)波長，在空氣環(huán)境中，激光干涉儀的激光波長會因空氣折射率，其激光的實(shí)際波長小于標(biāo)準(zhǔn)波長，激光干涉儀用于在非真空環(huán)境下測量和計(jì)算空氣折射率的影響。

16、優(yōu)選的，在步驟s4中，平均空氣折射率計(jì)算方法為將激光干涉儀光源的標(biāo)準(zhǔn)波長與以自溯源光柵為基準(zhǔn)測得的激光干涉儀測量路徑上的等效波長進(jìn)行比值，測得測量路徑的平均空氣折射率。

17、因此，本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)及方法，具備以下有益效果：

18、(1)本發(fā)明采用光柵作為位移測量基準(zhǔn)，避免了空氣因素對測量數(shù)據(jù)的干擾，在相同測量環(huán)境下比用激光波長作為基準(zhǔn)的激光干涉儀更穩(wěn)定，測得的數(shù)據(jù)可比性更高，測量重復(fù)穩(wěn)定性更大。

19、(2)本發(fā)明減少對局部環(huán)境傳感器的依賴：避免了傳統(tǒng)依賴于大量環(huán)境傳感器(如溫度、濕度、氣壓傳感器)的校準(zhǔn)方法，簡化校準(zhǔn)過程，提高校準(zhǔn)效率。

20、(3)本發(fā)明具有實(shí)時校準(zhǔn)能力：校準(zhǔn)過程與測量過程并行進(jìn)行，無需中斷測量執(zhí)行獨(dú)立的校準(zhǔn)操作。在動態(tài)變化的測量環(huán)境中，能夠即時調(diào)整校準(zhǔn)參數(shù)以響應(yīng)環(huán)境的波動，確保測量數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。

21、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)，其特征在于：包括自溯源光柵干涉儀，所述自溯源光柵干涉儀上的光源折射到納米位移臺一上的零膨脹玻璃上，再通過反射鏡形成影響激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)波長的測量光路與納米位移臺二連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，其特征在于：包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，其特征在于：在步驟s1中，零阿貝原則具體為通過機(jī)械設(shè)計(jì)納米位移臺轉(zhuǎn)接架，使自溯源光柵周期方向和反射鏡測量軸共線。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，其特征在于：在步驟s1中，自溯源光柵為通過原子光刻技術(shù)制備的、具有極高周期準(zhǔn)確性和均勻性的光柵結(jié)構(gòu)，在此過程中過程中，金屬材料在真空環(huán)境下加熱升華至氣體狀態(tài)，并以瀉流方式噴射，其中噴射的原子束通過穩(wěn)頻激光實(shí)現(xiàn)將激光波長鎖定在金屬原子兩個能級的躍遷頻率上，噴射的周期性分布的原子沉積在零膨脹玻璃上，形成的光柵結(jié)構(gòu)使其周期能直接溯源至金屬原子兩個能級的躍遷頻率。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，其特征在于：在步驟s2中，激光干涉儀用于測量中的波長未經(jīng)對空氣折射率的影響進(jìn)行補(bǔ)償，在使用過程中，激光干涉儀的測量結(jié)果直接反映了空氣折射率對激光波長的影響，而不進(jìn)行任何形式的校準(zhǔn)或調(diào)整。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，其特征在于：在步驟s2中，上位機(jī)根據(jù)nyquist采樣定理，以特定頻率進(jìn)行信號采樣，并通過信號處理算法將干涉信號轉(zhuǎn)化為位移信號，得出自溯源光柵干涉儀和激光干涉儀的相位與位移之間的關(guān)系如下所示：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的方法，其特征在于：在步驟s3中，位移測量基準(zhǔn)為自溯源光柵的周期，利用光柵移動的多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的兩束光的頻差，經(jīng)過合束產(chǎn)生干涉測量信號，基于光柵周期量將信號轉(zhuǎn)換為位移量，從而實(shí)現(xiàn)微納尺度測量的干涉儀。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的的方法，其特征在于：在步驟s4中，激光標(biāo)準(zhǔn)波長為激光干涉儀在真空環(huán)境中具有一個標(biāo)準(zhǔn)波長，在空氣環(huán)境中，激光干涉儀的激光波長會因空氣折射率，其激光的實(shí)際波長小于標(biāo)準(zhǔn)波長，激光干涉儀用于在非真空環(huán)境下測量和計(jì)算空氣折射率的影響。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的的方法，其特征在于：在步驟s4中，平均空氣折射率計(jì)算方法為將激光干涉儀光源的標(biāo)準(zhǔn)波長與以自溯源光柵為基準(zhǔn)測得的激光干涉儀測量路徑上的等效波長進(jìn)行比值，測得測量路徑的平均空氣折射率。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)及方法，屬于空氣折射率測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用上述的一種基于自溯源光柵干涉儀校準(zhǔn)空氣折射率的系統(tǒng)及方法，采用光柵作為位移測量基準(zhǔn)，避免了空氣因素對測量數(shù)據(jù)的干擾，在相同測量環(huán)境下比用激光波長作為基準(zhǔn)的激光干涉儀更穩(wěn)定，測得的數(shù)據(jù)可比性更高，測量重復(fù)穩(wěn)定性更大。避免了傳統(tǒng)依賴于大量環(huán)境傳感器(如溫度、濕度、氣壓傳感器)的校準(zhǔn)方法，簡化校準(zhǔn)過程，提高校準(zhǔn)效率，校準(zhǔn)過程與測量過程并行進(jìn)行，無需中斷測量執(zhí)行獨(dú)立的校準(zhǔn)操作。在動態(tài)變化的測量環(huán)境中，能夠即時調(diào)整校準(zhǔn)參數(shù)以響應(yīng)環(huán)境的波動，確保測量數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：程鑫彬,鄧曉,林子超,薛棟柏,馮婧桐,頓雄,何春伶,解鈺瑩,李同保
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6