《Optics & Laser Technology》：Design of dual-frequency laser synthetic-wave absolute-distance interferometric system using quadrature phase-shifting method
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双频激光合成波绝对距离干涉系统采用四分之一相位移调制，通过稳定27 GHz频差的TCDFL激光器实现高精度测量，实验测得合成波长11.1094 mm（标准差0.11 μm），在350 mm量程下重复性达0.65 μm，为大型机械制造等领域提供新方法。
李光涛|焦明星|王雪玲|刘驰|刘龙|朱浩|刘云|邢俊宏
西安理工大学光电科学与智能仪器学院，中国陕西省西安市710048
摘要
为了实现高精度的绝对距离测量，设计了一种采用正交相移方法的双频激光合成波绝对距离干涉测量系统。该系统使用由正交解调数字Pound-Drever-Hall方法稳定的双腔双频Nd:YAG激光器（TCDFL）作为光源。通过移动参考反射镜可以调整干涉仪的臂长差，使得两个同频的异频干涉信号处于正交状态，正交相位点作为直接测量合成波干涉条纹分数部分的参考。同时，通过初始估计测量的绝对距离，可以唯一确定合成波干涉条纹的整数阶数，从而实现绝对距离的测量。使用频率差约为27 GHz的TCDFL光源，建立了一个用于合成波波长校准和绝对距离干涉测量的实验系统。实验结果表明，空气中的合成波波长被校准为11.1094 mm，标准偏差为0.11 μm；当测量的绝对距离为350 mm时，重复测量的平均值和标准偏差分别为349.9998 mm和0.65 μm。这种采用正交相移方法的双频激光合成波绝对距离干涉测量系统将在大型机械工件制造、航空装配、精密机床校准等工程领域得到广泛应用。
引言
在航空装配、造船、精密机床校准、水电工程、大地测量等工程领域，经常需要测量精度达到10^-6到10^-8量级的几米到几十米甚至几百米的大型和超大型工件，这对精密测量技术来说是一个巨大的挑战[1]、[2]、[3]、[4]。合成波干涉测量技术因其能够扩展测量范围而在绝对距离干涉测量[5]和自混频干涉测量[6]、[7]中得到广泛应用。合成波绝对距离干涉测量被认为是解决大型和超大型工件精密测量问题的有效方法，因此受到了专家学者的广泛关注和研究。然而，由于激光光源技术的限制，这类干涉仪的发展相对较慢。自20世纪70年代以来，国内外许多研究人员在合成波绝对距离干涉测量领域进行了系统的深入研究，取得了一系列重要的研究成果[8]、[9]、[10]、[11]。主要研究内容包括激光光源技术[12]、[13]、合成波干涉条纹的相位测量技术[14]、[15]以及测量环境中的空气折射率校正技术[16]、[17]，其中激光光源技术是最具挑战性的。
自2005年以来，光频梳尤其是飞秒激光频率梳发展迅速，为合成波绝对距离干涉测量系统提供了理想的光源[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。中国浙江科技大学的陈教授的研究小组报道了一种利用激光干涉波长杠杆（LIWL）的绝对距离干涉测量系统[23]，该系统使用两个可调谐外腔二极管激光器（ECDL）作为光源灵活生成可变的合成波长。其中一个ECDL与光频梳频率锁定，另一个ECDL与电光调制的动态边带锁定，实验结果表明，在100米的测量距离内，LIWL系统的残差误差小于15 μm。此外，韩国标准科学研究院的Jang研究小组报道了一种用于绝对距离测量的宽带电光频率梳[24]，该系统使用中心波长为1561.42 nm的连续波激光作为种子源，并通过多个电光调制器生成宽带光频梳。通过梳模式分辨光谱干涉测量技术实现了100毫米测量距离内优于100 nm的重复性。然而，基于光频梳的合成波绝对距离干涉测量系统结构复杂且成本较高，限制了其实际应用。相比之下，双频激光器设计更简单，成本更低[25]。目前最常用的双频激光器是双纵模He-Ne激光器[26]、[27]，其频率差通常不超过1.2 GHz，这是由于Ne原子的荧光线宽约为1.5 GHz。由于双频He-Ne激光器的频率差较小，合成波长相应较长，在相位测量精度有限的情况下难以提高绝对距离测量的精度。相比之下，由于固态激光增益介质的荧光线宽比气体激光增益介质宽得多，双频固态激光器可以产生频率差较大的双频激光输出，范围从几GHz到几百GHz甚至几THz，这将成为合成波绝对距离干涉测量系统的理想光源。
我们研究小组设计并实验研究了具有较大频率差的双端泵浦双腔双频Nd:YAG激光器（TCDFL）[28]，并利用正交解调数字Pound-Drever-Hall（QDD-PDH）方法开发了TCDFL的频率差稳定系统[29]。成功将TCDFL的两个腔体的共振频率同时锁定到两个不同的Fabry-Pérot腔体的共振频率上，从而稳定了TCDFL的频率差，确保了双频激光合成波的稳定性。本文设计了一种采用正交相移方法的双频激光合成波绝对距离干涉测量系统，其光源使用由QDD-PDH方法稳定的TCDFL。已建立了一个用于合成波波长校准和绝对距离干涉测量的实验系统。实验结果表明，该干涉仪可以实现高精度的绝对距离测量。
系统搭建
采用正交相移方法的双频激光合成波绝对距离干涉测量系统的搭建示意图如图1所示，包括三个部分：第一部分是双频激光源，第二部分是Mach-Zehnder干涉仪的光路单元，第三部分是异频干涉信号处理和相移控制单元。
在第一部分中，使用了一个频率为
合成波波长校准和绝对距离测量
如图1所示，实验建立了一种采用正交相移方法的双频激光合成波绝对距离干涉测量系统。TCDFL的频率差约为27 GHz，通过QDD-PDH方法实现了7.13×10^-7的频率差稳定性[27]，激光输出功率大于120 mW。选择了AOFS1和AOFS2（型号YSGMN-2/Q，来自第26届中国电子科技集团研究院）
结论
本文设计了一种采用正交相移方法的双频激光合成波绝对距离干涉测量系统，该系统使用频率差约为27 GHz的TCDFL作为光源，并通过QDD-PDH方法进行稳定。已建立了一个用于合成波波长校准和绝对距离测量的实验系统。实验结果表明，空气中的合成波波长
作者贡献声明
李光涛：撰写——原始稿件、可视化、验证、软件开发、方法论、实验研究、数据管理。
焦明星：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、实验研究、资金申请、数据管理。
王雪玲：验证、软件开发、方法论、实验研究、数据管理。
刘驰：验证、软件开发、方法论、实验研究、数据管理。
刘龙：验证、软件开发、方法论、实验研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51875455和52575640）的支持。
