[发明专利]一种芯片化波长标准获取装置及波长测量装置

说明书

本发明公开的一种芯片化波长标准获取装置及波长测量装置，属于长度计量测试领域。本发明公开的一种芯片化波长标准获取装置，由于原子能级是量子化的，其基态能级差是确定不变的，将微腔芯片输出的激光波长锁定至原子基态能级差，因此获得的波长标准具有量子化的精度。本发明公开的一种基于芯片化波长标准的波长测量装置，基于所述一种芯片化波长标准获取装置实现，采用波长标准结合劈尖干涉，将波长的测量直接与量子化的波长标准联系起来，显著提高波长测量的准确性。本发明具有体积小、成本低、可集成的优点。本发明能够很方便的用于各种现场环境下波长测量。本发明能够支撑波长测量装置嵌入到测量设备中，实现波长的在线、高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种芯片化波长标准获取装置及波长测量装置，属于长度计量测试领域。

背景技术

激光器作为一种光源，广泛的用于各种精密测量中，如位移、振动、加速度等测量。激光器波长的稳定性和准确性对测量结果至关重要。如果在实际使用中，激光器的波长发生了漂移，将会影响测量结果准确性。实际激光器在使用中受震动、冲击、环境温度变化等因素影响，激光器波长容易发生漂移，为了克服激光波长漂移的影响，需要定期对激光器波长进行校准。传统的激光器波长标准如碘稳频激光器，它是一种实验室波长标准，对环境温湿度有苛刻要求，且装置体积大、不便搬运。如果要对其他激光器波长进行校准，就需要将激光器拿到具有波长标准的实验室进行校准，这样通常波长校准周期比较长，而且校准后的激光器在搬运过程中也可能因为振动、冲击等原因造成激光器波长再次发生漂移。

2019年，计量的七个基本单位全部实现了量子化定义，计量正式迈入量子化时代。同时，随着硅基光电子技术和集成光学的发展，激光器、探测器、微光学元件以及微电子芯片异质集成技术也越来越成熟，计量标准和测试仪器朝着量子化、芯片化的方向发展。美国国家标准与技术研究院更是提出“NIST On A Chip”计划，开始了全面和系统的芯片化计量研究。在此背景下，波长标准也朝着量子化、芯片化的方向发展。芯片化波长标准不仅仅是计量量子化、芯片化发展的必然趋势，还具有实际的应用需求。对于一些工业测量领域，如果能有一种波长标准或波长测量装置，能对激光器波长进行现场校准或能够在使用现场对波长进行高精度测量，将极大的缩短校准周期和测量时间，大大提高生产效率。更近一步，如果波长标准能够小型化、芯片化，这样就能嵌入测量设备中，实现波长的在线、实时校准和测量，这将大大促进测量装置集成化、小型化、智能化发展。

在实际波长的测量中，如果将待测波长的测量与一种已知的芯片化波长标准关联起来，将会提高波长测量精度、减小装置测量体积。在波长的测量应用中，劈尖干涉是一种经典的测量方法。当一束单色平行光垂直入射一个上下表面呈微小倾角的劈尖时，光在劈尖上下表面反射，在劈尖上表面形成明暗相间的干涉条纹，任意两个相邻的明条纹(或暗条纹)之间的距离d满足：

其中λ为激光波长，n为劈尖材料折射率，θ为劈尖夹角。如果波长已知，劈尖干涉可以用来测量微小长度、折射率、还可以用来检验工件平整度。如果知道材料折射率、劈尖夹角，通过测量干涉条纹间距也可以用来测量待测激光波长。对于一个确定的劈尖，不同波长的光在劈尖上的干涉条纹间距与波长成正比，如果引入一个波长标准，通过比较待测波长和波长标准的干涉条纹间距，就可以精确的实现待测波长的测量。芯片化波长标准使得波长标准可以走出实验室，这就使得芯片化波长标准结合劈尖干涉可以形成一个小型化甚至芯片化的波长测量装置，大大提高波长测量的便携性和准确性。

发明内容

为了解决传统激光波长标准造价昂贵、不便搬运、无法对激光器波长进行现场测量校准的问题，本发明的目的之一是提供一种芯片化波长标准获取装置，由于原子能级是量子化的，其基态能级差是确定不变的，将微腔芯片输出的激光波长锁定至原子基态能级差，因此获得的波长标准具有量子化的精度。

本发明的目的之二是提供一种基于芯片化波长标准的波长测量装置，基于所述一种芯片化波长标准获取装置实现，采用波长标准结合劈尖干涉，将波长的测量直接与量子化的波长标准联系起来，显著提高波长测量的准确性。