一种频率参考的皮弧度分辨率小角度产生方法及装置

本发明涉及精密光学计量与角度生成，特别涉及一种基于频率基准和光学锁相控制的皮弧度分辨率小角度生成方法及装置。

背景技术：

1、

2、小角度生成精度的提升对许多技术领域至关重要，涉及精密计量、先进制造、科学研究、导航定位等多个技术应用。随着科学技术的发展，同步辐射装置、x 射线自由电子激光器、下一代极紫外光刻机、光束偏转机构、激光雷达等大型科学设施和高端装备，对角位移控制精度、角度生成分辨率和量值溯源能力提出了更高要求。

3、近年来，基于激光频率测量的计量技术因其极高的理论分辨力而备受关注。具体而言，在位移测量方面，现有的迈克尔逊激光位移测量系统（例如中国发明专利申请cn202610001019.0）虽已引入了原子稳频与光学相位协同锁定技术以抑制环境扰动，但该类系统在空间维度上仅适用于一维线性位移的测量，无法直接转换应用于二维的角位移生成与控制。更为突出的问题在于，在将频率分辨力向空间位移或角位移转移的过程中，若缺乏针对谐振腔长的同步补偿结构，激光频率的调谐极易出现跳模现象，导致角位移随频率的变化呈现不连续性，无法满足连续角度产生的要求。

4、另一方面，在角度测量领域，现有技术中已公开了一些利用介质补偿和腔长调节的无跳模角度测量装置。然而，此类装置中的激光器普遍处于自由运行状态，既无绝对的量子频率参考作为基准，也未结合严格的光学锁相反馈控制。因此，此类系统极易受限于自由运行激光器固有的几十khz量级的频率波动限制，极大的限制了该类系统所能实现的最高角度分辨率，难以实现皮弧度量级的突破。

5、综上所述，现有技术普遍面临着频率传感不连续以及自由运行频率波动限制分辨率的技术缺陷，现有公开技术缺乏可靠的高分辨率角度产生系统。因此，本领域亟待解决的技术问题是提供一种全新的小角度产生系统，以期克服在频率传感角位移时的连续性难题、实现无跳模角度产生的基础上，进一步结合量子频率参考与锁相控制技术，减小系统频率波动，从而实现在一定范围内连续可调且分辨率达到皮弧度（prad）量级的角度生成。

技术实现思路

1、为了解决现有技术缺乏高分辨率连续角度产生装置的问题，兼顾高传感精度和较大范围连续角度产生，本发明提供基于频率传感角度测量和相位锁定反馈控制的皮弧分辨率角度产生系统。

2、为此，本发明提供一种频率参考的皮弧度分辨率小角度产生装置，所述装置包括角度传感激光模块、频率参考外差探测单元和光学锁相模块，

3、所述角度传感激光模块包括依序设置在光路上的抗反射激光二极管1、半波片2、第一偏振分光棱镜3和粘接在一起的干涉滤光片5与角锥阵列6，干涉滤光片5与角锥阵列6竖直固定在精密旋转台4上，且角锥阵列6的后端面中点位于精密旋转台4的旋转轴心上，第一偏振分光棱镜3输出的一路激光经干涉滤光片5与角锥阵列6反射会腔内后维持震荡，第一偏振分光棱镜3输出的另一路作为角度传感激光，所述角度传感激光模块还包括通过频率误差信号控制精密旋转台4旋转台控制器7；

4、所述频率参考外差探测单元输出主参考激光；

5、所述光学锁相模块包括第二偏振分光棱镜12、光电探测器13、放大器14、分频器15、相位频率检测器16、计数器17、铷原子钟18、信号发生器19和比例-积分-微分控制器20，第二偏振分光棱镜12将角度传感激光和主参考激光输入至光电探测器13进行拍频，所得拍频信号分为两路，一路经放大器14和分频器15处理；另一路连接至计数器17，用于实时测量拍频信号的频率数值，通过铷原子钟18为计数器17和信号发生器19提供高精度外部时钟锁定，确保控制输入信号的长期频率稳定性，所述相位频率检测器16将分频器15处理后的拍频信号与信号发生器19产生的控制输入信号进行比较，比较所得误差信号通过比例-积分-微分控制器20反馈至旋转台控制器7，旋转台控制器7根据所述误差信号控制精密旋转台4旋转。

6、在本发明中，所述频率参考外差探测单元包括主参考激光器和用于向主参考激光器输出参考频率的量子频率参考10。其中，主参考激光器是单频激光器11或光学频率梳21。

7、在本发明中，可选地，所述角度传感激光经过一个或多个反射镜后输入至第二偏振分光棱镜12。

8、在本发明中，旋转台控制器7是以电压控制信号作为输入型号，输出驱动电压，实现对精密旋转台4旋转驱动控制，本领域技术人员可根据现有技术的教导，选择适当的控制器以实现。

9、作为一种可选的实施方式，角锥阵列6采用微米级角锥阵列，通常其反射率不低于90%，且±5°范围内回反射率稳定、±20°角失准下可维持连续振荡。例如采用棱长100μm—200μm的微型角锥棱镜，且镀制所与角度传感激光波段相对应的高反膜。

10、结合图1具体解释其工作原理如下：

11、在本发明中，干涉滤光片的法线与激光传播方向之间的初始角为，其透射频率随干涉滤光片的旋转角度变化，其物理关系如下：

12、

13、其中，为激光垂直入射干涉滤光片时的透射波长，为光速，为干涉滤光片的有效折射率，为旋转角度（顺时针方向为正）。

14、在角锥阵列的补偿下，腔长（抗反射激光二极管发出的激光从抗反射激光二极管前端面至干涉滤光片的距离）变化引起的腔模频率移动与干涉滤光片旋转引起的透射频率移动保持一致，从而实现无跳模连续调谐。设初始腔长为，角锥阵列厚度为，当精密旋转台4顺时针旋转时，干涉滤光片的法线与激光传播方向之间夹角由变为，此时旋转角度后的腔长为：

15、

16、则腔长变化量为：

17、

18、当腔长变化时，腔模频率变化满足：

19、

20、由此可推导出腔模频率的移动量为：

21、

22、因此，角度传感激光的频率可统一表示为：

23、

24、上式在小角度范围内将旋转角度与激光频率建立了明确的、单调的解析关系，是实现“角度-频率”转换的核心物理模型。

25、进一步地，当主参考激光器采用光学频率梳时，所述光学频率梳的重复频率和载波包络偏移频率锁定至量子频率基准或原子钟频率基准。通过选择不同梳齿模式与角度传感激光进行外差探测，使拍频信号保持在光电探测器带宽范围内。

26、为了定量地描述不同初始角度下，角度传感激光对于角位移的敏感性，我们定义k为频率灵敏度。角度传感激光对激光入射方向与干涉滤光片法线所夹角求一阶导可得：

27、

28、角度传感激光频率与光学频率梳特定梳齿外差后，得到的拍频信号为：

29、

30、将角度传感激光频率表达式代入得：

31、

32、为进一步降低频率并匹配参考源，该拍频信号经分频因子n分频后得到：

33、

34、随后，分频后的拍频信号与信号发生器输出的参考信号输入鉴频器，二者的频率差为：

35、

36、光学锁相模块通过比例-积分-微分控制器调节精密旋转台，使趋近于零。当闭环锁定后，下式成立：

37、

38、在本发明中，由于，实现皮弧度分辨率小角度的为0.1°量级，因此上述关系在小角度区间内视为单调可微函数。对求反函数，得到由参考频率唯一确定的角位移表达式：

39、

40、在本发明中，通过上述闭环控制，可以实现皮弧度分辨率的角度生成。典型地，当采用780 nm激光、干涉滤光片有效折射率=2.0、初始角=30°、腔长=10 cm、角锥厚度=20 mm、主参考激光器频率波动为100hz时，可以实现在范围内4.36皮弧度的角位移分辨率。

41、本领域技术人员可以根据目标角度范围和分辨率要求，选择不同的初始角、腔长、角锥厚度以及干涉滤光片参数，并结合光学频率梳的模式选择和分频比进行优化设计。

42、与现有技术相比，本发明通过基于激光频率测量的角度传感、频率参考外差探测和相位锁定反馈控制，将微小角位移直接关联到可溯源频率信号。通过将角度传感激光锁定到稳定在量子频率标准的主参考激光，解决了现有机械式或电子细分式小角度产生装置分辨率受限、易受噪声影响难以实现皮弧度量级角度生成的问题；同时，通过角锥阵列补偿腔长变化，使腔模频率与干涉滤光片透射频率同步变化，实现连续无跳模调谐，提高角度生成的连续性、分辨率和可溯源性，适用于精密计量、先进制造、光束偏转控制和大型科学装置中的小角度生成与校准。