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计量学

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频率梳测量距离

频率梳产生的干扰模式

荷兰的物理学家推出了一种基于光学频率梳的距离测量新方法。该技术的主要好处是,使来自光学梳的光通过迈克尔逊干涉仪并分析产生的干涉图样,该技术允许在不知道该值在所用光波长的一半以内的情况下精确地测量距离。 。该技术可用于测量卫星之间的距离或对光学材料中光的色散进行非常精确的测量。

迈克尔逊干涉仪由两条光路组成– or arms –彼此成直角。入射光射到分束器上,两个臂在此相交,并且光沿每个臂同时发送,直到射到每个路径末端的镜子并反射回来。然后将两个光束重新组合并发送到屏幕,如果两个臂长不同,则会在屏幕上出现干涉图样。通过分析图案,可以根据光的波长的一部分来确定臂之间的长度差。

半波长限制

以最简单的形式,迈克尔逊干涉仪用于单色光。但是,这限制了它的有效性,因为在进行测量之前,必须知道要测量的距离的长度在波长的一半以内(λ/ 2)的光–通常少于500 纳米问题是被测距离可以表示为的整数倍λ/ 2加小数λ/2 –但是无法从干扰数据中确定该整数倍。

物理学家找到了解决这个问题的两种方法。一种是使用几种不同颜色的激光器来获得有关系统的更多信息。另一种方法是使用具有一定波长范围的光源,然后在干扰光中寻找可能与距离有关的相位差。这些技术都有其自身的问题,不仅是成千上万种不同的激光器可以简化测量,而且将它们全部安装在实验室中也是不切实际的。

9000种不同的激光器

代尔夫特国家计量学院和代尔夫特技术大学的Steven van den Berg及其同事所做的就是将这两种技术结合起来,以实现更好的距离测量。团队利用频率梳–一种以规则间隔的波长输出激光的设备。结果是大约使用9000即可有效操作干涉仪 808中近红外的不同激光器–828 nm range.

研究人员通过将频率梳中的脉冲发射到带有约15个测量臂的干涉仪中,展示了他们的新技术。 厘米长。重组后,来自两个臂的光穿过称为标准具的光学设备,然后从光栅反射。这两种设备均根据其波长改变光的轨迹,从而产生使用CCD相机捕获的干涉图样。然后对该图像进行分析以产生光强与波长的关系图–每个数据点对应于梳子的不同波长。结果是一个正弦波,可以从中计算出距离。

研究小组发现距离可以在λ/30 – or about 27 纳米虽然这是迈克尔逊干涉仪的典型结果,但新的设置允许将已知距离保持在15 cm to be measured –与400相比 单色设备所需的先验知识。

测量光学性能

范登伯格(Ven den Berg)认为,该系统可以在太空中找到用途,因为光线可以在不干扰的情况下长距离传播。因此,他说,它可以用于对卫星之间的距离进行极其精确的测量。该系统在很宽的波长范围内进行非常灵敏的测量,这一事实也可能会发现该系统已用于测量光学材料的性能–特别是折射率如何随波长变化。

该小组目前正在努力改善系统的稳定性,并研究其在更长距离内的性能。

这项工作在 体检信.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年