شانه های فرکانس نوری به ابزاری اساسی برای اندازه گیری فاصله تبدیل شده اند و مزایای زیادی را در مقایسه با تداخل سنجی لیزری سنتی نشان می دهند. با این وجود هنوز روش مناسبی برای تصحیح ضریب شکست هوا برای اطمینان از عملکرد بالای چنین تکنیک هایی هنگام استفاده در هوا وجود ندارد. در این پژوهش یک تکنیک تداخلسنجی هتروداین مبتنی بر شانههای فرکانسی دو رنگ برای تصحیح ضریب شکست هوا توسعه داده شد. در تست های مداوم 500 ثانیه ای ثبات 1.0 × 1 0-11 در اندازه گیری اختلاف فاصله نوری بین دو طول موج حاصل شد. علاوه بر این, نتایج اندازه گیری و محاسبات در شرایط تقریبا کامل هستند, با انحراف استاندارد 3.8.1 0-11 در طول دوره 10 ساعته. تصحیح دو رنگ نهایی ضریب شکست هوا در طول مسیر 61 متر نشان داد که عدم قطعیت بهتر از 1.4 × 1 0-8 را نشان می دهد که بهترین نتیجه ای است که تاکنون بدون اطلاع دقیق از پارامترهای محیطی گزارش شده است.
مقدمه
یک شانه فرکانس نوری یک قطار پالس فوق العاده کوتاه با فاصله مساوی با طیف گسترده ای متشکل از حالت گسسته و یکنواخت-فاصله خطوط باریک را منتشر می کند. هنگامی که فرکانس حالت خود را به یک استاندارد فرکانس اشاره, شانه فرکانس نوری یک خط کش فوق العاده پایدار در فضا می شود, حوزه زمان و فرکانس 1 . با توجه به چنین مزایای ذاتی, شانه فرکانس نوری پیشرفت انقلابی در اندازه گیری فاصله را فعال کرده اند 2 . از اولین تظاهرات انجام شده توسط مینوشیما و همکاران. 3, بسیاری از پیشرفت های مهم در اندازه گیری فاصله با استفاده از شانه فرکانس ساخته شده است 4,5,6,7,8,9,10,11, مانند اندازه گیری محدوده دینامیکی زیادی از فاصله مطلق (از صفر تا کیلومتر) با دقت بالا و یا وضوح (سطح نانومتر) با سرعت بالا (سطح کیلوهرتز) 9,10 . چنین اجراهای, که غیر قابل دسترس به تداخل سنجی لیزری سنتی هستند, امیدوار کننده برای مهندسی فوق العاده دقیق, تشخیص نور و اعم (لیدار), نقشه برداری زمین شناسی و غیره. با این حال , همانطور که توسط نیوبری ذکر 12, زمانی که چنین دولت از هنر تکنیک ها در هوا اعمال, هنوز هم یک محدودیت وجود دارد, در واقع تنها محدودیت, دقت اندازه گیری ناشی از عدم قطعیت در ضریب شکست هوا. در نتیجه, کاملا ضروری است که یک روش تصحیح با دقت بالا برای ضریب شکست هوا توسعه داده شود برای غلبه بر چنین محدودیتی, اجازه می دهد برای پیشرفت های واقعی در اندازه گیری اندازه گیری فاصله عملی ساخته شده.
مرسوم, معادلات تجربی 13,14 برای اصلاحات ضریب شکست هوا بر اساس دانش پارامترهای محیطی مانند دمای هوا استفاده می شود, فشار, رطوبت و شرکت2تمرکز. دقت این معادلات تجربی به ترتیب 1 0-8 است که بهترین عملکرد را برای اندازه گیری فاصله انجام شده در هوا نشان می دهد. اما دقت تصحیح ضریب شکست هوا به دقت اندازه گیری پارامترهای محیطی حساس است. به طور معمول دمای هوا و فشار مهمترین پارامترها هستند مثلا عدم قطعیت 0.1 کیلوگرم در دمای هوا یا 0.4 اسب بخار در فشار هوا باعث عدم اطمینان 1-1 0-7 در ضریب شکست هوا می شود. متاسفانه به دلیل تلاطم هوا یا عدم یکنواختی شرایط محیطی دستیابی به توزیع دقیق این پارامترها در مسیرهای نوری واقعی در اندازه گیری های مسافت خصوصا در مورد اندازه گیری های مسافت طولانی بسیار دشوار است.
متناوبا, روش دو رنگ پیشنهاد شده توسط بندر و اونز 15,16 می توانید اصلاح ضریب شکست هوا بدون دانش دقیق از پارامترهای محیطی تحقق 3,17,18,19,20,21 . اصل اساسی روش استفاده از چراغ هایی با دو طول موج متفاوت برای اندازه گیری فاصله هندسی یکسان است د و بنابراین دو فاصله نوری حاصل می شود د1و د2. فاصله هندسی د حاصل از اصلاح ضریب شکست هوا می تواند توسط
جایی که یک ضریب در نظر گرفته به عنوان یک ثابت زمانی که دو طول موج ثابت هستند 20 . بنابراین تصحیح ضریب شکست هوا تنها با در نظر گرفتن نتایج اندازه گیری نوری تحقق می یابد. با این حال استفاده از روش دو رنگ در اندازه گیری های با دقت بالا دارای اشکال اساسی زیر است. به طور معمول, بسیار بزرگ است, به عنوان مثال, یک ≈141, برای طول موج 1560 و 780 نانومتر و عدم قطعیت در د2- د1خواهد شد توسط یک بار بزرگ, در نتیجه کاهش دقت و صحت د . به عبارت دیگر اگر انتظار داشته باشیم همان سطح از دقت تصحیح شده توسط معادلات تجربی, دقت اندازه گیری های د2- د1باید به رژیم 1 0-11 برسد. بنابراین چالش اصلی روش دو رنگ تعیین نحوه اندازه گیری است د2- د1با دقت بسیار بالا. چنین نیاز شدیدی ممکن است به طور بالقوه با استفاده کامل از دقت بسیار بالا که توسط فناوری شانه فرکانس عرضه می شود تحقق یابد.
ما قبلا در مورد تنظیم تداخل سنجی همودین 20 و هتروودین 21 با استفاده از شانه های فرکانس نوری برای اصلاح دو رنگ ضریب شکست هوا گزارش داده ایم. با این وجود فواصل نشان داده شده کوتاه است و دقت نسبت به پتانسیل تکنیک به اندازه کافی بالا نیست. در اینجا یک تکنیک تداخل سنجی جدید هترودین را معرفی می کنیم که به طور کامل از پایداری فوق العاده شانه های فرکانس برای اصلاح ضریب شکست هوا استفاده می کند. تداخل سنج ها به گونه ای طراحی شده اند که صداهای ذاتی و رانش تقریبا کاملا جبران می شوند. در نهایت بهترین نتایج برای تصحیح ضریب شکست هوا بدون اطلاع دقیق از پارامترهای محیطی گزارش شده است که تقریبا با عدم قطعیت معادلات تجربی مطابقت دارد. چنین پیشرفتی می تواند بهترین عملکرد هر ابزار اندازه گیری فاصله ثابت در هوا و همچنین اندازه گیری ضریب شکست خود هوا را فراهم کند.
نتایج
استروژن حالت قفل شده خانه ساخته شده:لیزر حلقه فیبر , همان شاغل در مطالعات قبلی 20,21, به عنوان منبع شانه فرکانس مورد استفاده قرار گرفت (شکل. 1). فرکانس افست حامل-پاکتمدیر عامل) لیزر تثبیت شده و به یک هیدروژن هیدروژن ارجاع داده شد. فرکانس تکرار ( افهرزه) شانه در نزدیکی 54.0 مگاهرتز متغیر است و فاصله نوری مربوطه بین پالس های مجاور د استp-p5.55 متر خروجی شانه فیبر توسط یک تقویت کننده فیبر دوپ شده تقویت می شود و سپس برای تولید هارمونیک دوم به قطعه ای از کریستال لینبو 3 (پلن) به صورت دوره ای معرفی می شود. و ش (2ν) به صورت هم محور به یک تداخل سنج نامتعادل در مسیر طولانی وارد می شوند (شکل. 1). پرتوهای منتقل شده از شکاف پرتو (لیسانس1) به یک بازوی پروب متشکل از یک خط تاخیر نوری و یک اینه (متر1). خط تاخیر یک راه اندازی مسیر پیچ خورده است که شامل دو بازتاب مقعر (سانتی متر) است1و سانتی متر2هر کدام یک سوراخ کوچک دارند. پرتوهای حادثه از طریق سوراخ در سانتی متر عبور می کنند1, بین سانتی متر 34 بار منعکس می شوند1و سانتی متر2و سپس خط تاخیر را از طریق سوراخ در سانتی متر ترک کنید2. پرتوهای اورژانس در همان مسیر توسط م منعکس می شوند1, سپس دوباره وارد خط تاخیر شوید و در نهایت از سوراخ سانتی متر عبور کنید1بازگشت به لیسانس1. طول کل مسیر بازوی کاوشگر بیش از 61 متر است.
شماتیک راه اندازی تجربی.
BS1–3: شکاف پرتو1–3: اینه دو رنگ; متر1–8عضویت در خبرنامه1–4دی سی پی: صفحه جبران پراکندگی. ش: نسل دوم هارمونیک.
پرتوهای منعکس شده توسط کارشناسی1توسط یک تقسیم کننده پرتو دیگر تقسیم می شوند (لیسانس2) به دو بخش: پرتوهای منتقل شده از کارشناسی2به بازوی مرجع معرفی; پرتوهای منعکس شده از کارشناسی2به بازوی مانیتور معرفی می شوند. در بازوی مرجع, اساسی و ش توسط یک اینه دورنگار از هم جدا1و سپس توسط دو مدولاتور صوتی-نوری پراش داده می شود1و اوم2به ترتیب). دو پرتو پراش در امتداد همان مسیرها توسط دو بازتاب منعکس می شوند2و م3) و دوباره توسط دو اتم پراش می شود. پرتوها در دیابت همپوشانی دارند1و هر دو توسط لیسانس تقسیم می شوند2به دو قسمت: پرتوهای منعکس شده با پرتوهای بازوی مانیتور همپوشانی دارند (منعکس شده توسط دو اینه متر4و م5) در کارشناسی3و سیگنال های تداخل برای بنیادی و ش توسط دیابت از هم جدا می شوند2و توسط دو فتودتکتور شناسایی شده است1و پی دی2پرتوهای منتقل شده با پرتوهای بازوی کاوشگر همپوشانی دارند و سیگنال های تداخل برای فاندامنتال و ش توسط دیابت از هم جدا می شوند3و توسط دو فتودتکتور دیگر شناسایی شده است3و پی دی4به ترتیب).
اختلاف طول مسیر بین بازوی پروب و بازوی مرجع تا 11 بار د از پیش تعیین شده استp-pیعنی 61.1 متر طول مسیر بازوی مرجع و بازوی مانیتور طوری تنظیم شده است که تداخل نبض به نبض بین بازوی مرجع و بازوی پروب و تداخل بین بازوی مرجع و بازوی مانیتور به طور همزمان رخ دهد (برای اطلاعات بیشتر به بخش "روش ها" مراجعه کنید). سیگنال های رانده شده برای1و اوم2به ترتیب 160 مگاهرتز و 80 مگاهرتز هستند به طوری که تغییرات فرکانس تولید شده توسط دو اتم (دو بار پراش) برای بنیادی و ش به ترتیب 320 مگاهرتز و 160 مگاهرتز است. با توجه به اینکه فاصله حالت شانه فرکانس 54 مگاهرتز است به راحتی می توان از فیلترهای کم گذر برای دریافت سیگنال های هترودین 4 مگاهرتز برای ش اساسی و 2 مگاهرتز استفاده کرد (برای اطلاعات بیشتر به بخش "روش ها" مراجعه کنید). مراحل سیگنال های تداخل هترودین شناسایی شده توسط پی دی1و پی دی2اختلافات طول مسیر نوری بین بازوی پروب و بازوی مرجع را در دو طول موج منعکس کنید. به طور معمول می توان این اختلافات را به عنوان فواصل نوری هدف نهایی در نظر گرفت (د1, د2). بنابراین نوسانات هوا و رانش مکانیکی بازوها در بازوهای مرجع باعث ایجاد صدا و رانش در اندازه گیری می شود د2- د1. علاوه بر این, انبساط حرارتی از دو اتم خواهد تغییرات مختلف مسیر طول نوری و رانش فاز در پرتوهای پراش خود باعث, که ثبات د تاثیر2- د1به طور قابل توجهی. در اینجا تنظیمات به طور سازگار برای استفاده از بازوی مانیتور برای حل مشکل طراحی شده است. سیگنال از پی دی1و پی دی2به پورت های مرجع از دو تقویت کننده قفل در ارسال (سر844, سیستم های تحقیقاتی شرکت استنفورد.در حالی که سیگنال های پی دی3و پی دی4به پورت های اندازه گیری ارسال می شوند. در نتیجه, خروجی فاز ((1و φ2) به تغییر طول مسیر نوری در بازوی مرجع بی ربط است به طوری که نویز فاز و رانش ناشی از معرفی مسیرهای مرجع جداگانه متشکل از دو اتم جبران می شود.
طول مسیر نوری اندازه گیری شده در سیستم فعلی طولانی است و باعث می شود فاز تداخل سنجی در چندین چرخه با تغییر ضریب شکست هوا به راحتی تغییر کند. برای جلوگیری از ابهام در باز کردن فاز, فاز تداخل سنجی اساسی ((1) با کنترل بازخورد فرکانس تکرار شانه به صفر تثبیت شد به طوری که فاز تداخل سنجی شناسایی شده (φ2) فقط اختلاف طول مسیر نوری بین طول موج های اساسی و ش را منعکس می کند, یعنی, د2- د1(برای اطلاعات بیشتر به بخش "روش ها" مراجعه کنید). این پیکربندی صداهای مشترک بین سیگنال های دو رنگ را لغو می کند. علاوه بر این, دقت اندازه گیری بسیار بالا است که تنها به تفاوت بین سیگنال های دو رنگ حساس متوجه شده است. لازم به ذکر است که چنین تثبیت فاز حاصل از بازخورد در سیستم قبلی با استفاده از تداخل سنج مانیتور مبتنی بر شاتر 21 امکان پذیر نبود .
ثبات کوتاه مدت
برای ارزیابی دقت روش ابتدا عملکرد کوتاه مدت سیستم را در اندازه گیری د تست کردیم2- د1. با توجه به اینکه در مدت کوتاهی اثر پراکندگی بر تغییرات ضریب شکست هوا ناچیز است می توان نتایج د را با هم مقایسه کرد2- د1با ثابت برای ارزیابی دقت سیستم. فازهای تداخل سنجی بنیادی و ش به طور مداوم برای 500 ثانیه ثبت شد. تغییر طول مسیر نوری مربوط به فاز تداخل سنجی اساسی (φ1) با انحراف استاندارد 0.8 نانومتر به صفر تثبیت شد (شکل. 2الف), که نشان می دهد که چنین تثبیت موثر است. تغییر طول مسیر نوری مربوط به ش فاز تداخل سنجی (φ2) نیز ثابت بود (شکل. 2ب). همانطور که در بالا ذکر شد فاز تداخل سنجی نشان دهنده د2- د1و تغییر طول مسیر مربوطه انحراف استاندارد 1.0 نانومتر را در مدت 500 ثانیه نشان می دهد. علاوه بر این, برای لغو نویز باقیمانده ناشی از تثبیت ناقص, ما هنوز از تفاوت بین طول مسیر نوری مربوط به path2و φ1به عنوان د نهایی2- د1. تغییرات با انحراف استاندارد 0.6 نانومتر ثابت بود (شکل. 2 درجه سانتیگراد) که نشان دهنده 1.0 × 1 0-11 از طول مسیر اندازه گیری شده 61.1 متر است. چنین دقت یک مرتبه بالاتر از مقدار گزارش شده در مطالعات قبلی ما 20,21 است که نشان می دهد سیستم طراحی شده تطبیقی ما همراه با عملکرد تثبیت فاز تداخل سنجی به خوبی در بهبود دقت اندازه گیری عمل می کند. همانطور که در بالا ذکر شد دقت بسیار بالایی در اندازه گیری د2- د1برای تصحیح با دقت بالا ضریب شکست هوا با روش دو رنگ ضروری است.
اندازه گیری تداخل سنجی کوتاه مدت شانه های فرکانس دو رنگ.
ریشه های عمودی قطعه ها (ب) و (ج) برای وضوح به ترتیب ب ه-15 نانومتر و-30 نانومتر منتقل می شوند.
