【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米长度计量领域，尤其是涉及一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统及方法。
技术介绍
1、纳米科技研究0.1nm~100nm尺度范围的物质世界，在超精密先进制造的时代背景下，前沿科技如纳米材料、纳米电子学、纳米动力学、纳米生物学等领域的创新和技术进步都离不开纳米科技。纳米计量技术是纳米尺度上的精密测量技术，是先进纳米制造技术的基础支撑。
2、溯源性是纳米计量的基础问题，在纳米长度计量领域内，为了实现准确、可靠和可相互比对的测量，可溯源性至关重要，这样测量结果才能通过一条不间断的溯源链与参考标准相关联。因此，纳米测量必须构建一个完整的可溯源至“米”定义的长度计量体系。纳米计量长度溯源链一般由以下几部分构成：①si单位的定义；②参考标准的实现；③将参考标准转移到测量系统。通常，参考标准和测量过程会对测量结果的不确定度产生影响。此外，在不同的长度计量应用中，测量范围和精度要求的差异很大。因此，纳米计量长度溯源链需要不断优化和丰富，以满足更高的要求。
3、自2019年5月20日起正式生效的国际单位制新定义中，采用了7个自然界常数来定义7个基本单位。用基本常数作为认识和定义自然界基本概念的基础是实现“米”定义的核心思路。在进行纳米长度计量时，要以某一基本常数作为长度基准即长度溯源链条的源头。目前，国际上一般采用规定不确定度的真空中的标准波长或标准频率作为长度溯源的基准。其中，最常用的波长是碘稳频氦氖激光器产生的激光波长：632.99121258nm（相对不确定度为2.1×10-11）。但应用633n
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统及方法，以解决
技术介绍
中提到的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，包括物理波长基准和工作标准物质，所述物理波长基准为锁定至铬原子(7s3→7p4)跃迁谱线的425.55nm激光波长，所述工作标准物质为利用原子光刻方法制备的铬自溯源系列光栅，光栅周期均溯源于物理波长基准，所述铬自溯源系列光栅包括一维铬自溯源光栅和二维铬自溯源光栅。
3、优选的，所述物理波长基准的波长锁定装置包括依次设置的激光器、可调谐钛宝石激光器、外腔倍频器和飞秒光学频率梳，激光器发出的光经过可调谐钛宝石激光器，得到被调谐的激光，再可调谐将钛宝石激光器的输出光耦合到外腔倍频器中，产生的激光通过飞秒光学频率梳锁定至铬原子(7s3→7p4)跃迁谱线。
4、优选的，所述一维铬自溯源光栅的制备过程包括以下步骤：
5、在真空环境下将金属粉末加热至升华状态并以泄流方式引出原子束；
6、喷射原子束经过稳频激光将激光波长锁定在铬原子两个能级的跃迁频率上；
7、通过激光场的冷却作用对铬原子束进行准直；
8、准直后的铬原子束经过一束激光驻波场进行空间周期性分布调控，铬原子束传播方向与激光驻波场场传播方向垂直；
9、在距离激光驻波场合适的位置放置铬原子沉积的基板，使周期性分布的铬原子沉积在基板上，形成一维铬自溯源光栅结构。
10、优选的，所述二维铬自溯源光栅的制备过程包括以下步骤：
11、基于原子光刻技术在基板上进行第一次原子光刻，得到一维原子光刻沉积光栅样板；
12、利用光阑保持会聚光指向与一维原子光刻沉积光栅样板的平面法向量指向不变，将一维原子光刻沉积光栅样板进行旋转，并保证金属原子束待沉积区域与已沉积区域存在重合部分，且一维原子光刻沉积光栅样板与沉积用反射镜镜面面面垂直，调节反射镜的方位使法向量方向与入射会聚光的指向平行；
13、调整会聚光形成的驻波场使空间高度与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在一维原子光刻沉积光栅样板上进行第二次原子光刻，形成二维铬自溯源光栅结构。
14、本专利技术还提供了一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，包括以下步骤：
15、以工作标准物质为核心建立自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，自溯源型光栅干涉精密位移测量系统包括零差、外差与自混合三种光路结构；
16、以物理波长基础为核心建立溯源至425.55nm物理波长基准的激光干涉精密位移测量系统；
17、将自溯源型光栅干涉精密位移测量系统与溯源至425.55nm物理波长基准的激光干涉精密位移测量系统应用于纳米长度计量领域。
18、优选的，所述零差结构包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。
19、优选的，所述外差结构包括单频激光模块、移频模块、外差位移测量模块、自溯源光栅和信号处理模块，单频激光模块产生单频激光，经过移频模块，得到两个频率不同且偏振态互相正交的线偏振光，构成外差光源，外差激光经外差位移测量模块，入射至自溯源光栅上，衍射光沿原光路返回至外差位移测量模块，得到具有位移信息的测量信号与参考信号，最后通过信号处理模块解算出两路信号的相位差并做位移换算。
20、优选的，所述自混合结构包括单频激光模块、一维自溯源光栅、探测模块和信号处理模块，单频激光模块产生单频激光，经探测模块接收一维自溯源光栅反馈的激光自混合干涉信号信息，通过信号处理模块采用归一化算法还原信号并结合相位解包裹算法以及希尔伯特变换算法对纳米位移信号进行位移重构。
21、优选的，溯源至425.55nm物理波长基准的激光干涉精密位移测量系统包括单频激光模块、光束干涉模块、光电探测模块和信号处理模块。
22、优选的，自溯源型光栅干涉精密位移测量系统与溯源至425.55nm物理波长基准的激光干涉精密位移测量系统可通过比对平台验证其测量能力，所述比对平台包含激光干涉仪动镜、一维铬自溯源光栅、机械转接模块和压电陶瓷驱动模块。
23、因此，本专利技术采用上述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统及方法，具有以下有益效果：
24、（1）利用激光汇聚原子沉积的方式将铬原子跃迁频率这一自然常数物化到铬一维纳米光栅上，使得光栅可直接溯源至自然常数，既有独立溯源性又具超高准确性、一致性和均匀性；
25、（2）在遵循计量校准对溯源性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：包括物理波长基准和工作标准物质，所述物理波长基准为锁定至铬原子(7S3→7P4)跃迁谱线的425.55nm激光波长，所述工作标准物质为利用原子光刻方法制备的铬自溯源系列光栅，光栅周期均溯源于物理波长基准，所述铬自溯源系列光栅包括一维铬自溯源光栅和二维铬自溯源光栅。
2.根据权利要求1所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：所述物理波长基准的波长锁定装置包括依次设置的激光器、可调谐钛宝石激光器、外腔倍频器和飞秒光学频率梳，激光器发出的光经过可调谐钛宝石激光器，得到被调谐的激光，再可调谐将钛宝石激光器的输出光耦合到外腔倍频器中，产生的激光通过飞秒光学频率梳锁定至铬原子(7S3→7P4)跃迁谱线。
3.根据权利要求1所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：所述一维铬自溯源光栅的制备过程包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：所述二维铬自溯源光栅的制备过程包括以下步骤：
5.一种基于铬原子跃
6.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，其特征在于：所述零差结构包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。
7.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，其特征在于：所述外差结构包括单频激光模块、移频模块、外差位移测量模块、自溯源光栅和信号处理模块，单频激光模块产生单频激光，经过移频模块，得到两个频率不同且偏振态互相正交的线偏振光，构成外差光源，外差激光经外差位移测量模块，入射至自溯源光栅上，衍射光沿原光路返回至外差位移测量模块，得到具有位移信息的测量信号与参考信号，最后通过信号处理模块解算出两路信号的相位差并做位移换算。
8.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，其特征在于：所述自混合结构包括单频激光模块、一维自溯源光栅、探测模块和信号处理模块，单频激光模块产生单频激光，经探测模块接收一维自溯源光栅反馈的激光自混合干涉信号信息，通过信号处理模块采用归一化算法还原信号并结合相位解包裹算法以及希尔伯特变换算法对纳米位移信号进行位移重构。
9.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，其特征在于：溯源至425.55nm物理波长基准的激光干涉精密位移测量系统包括单频激光模块、光束干涉模块、光电探测模块和信号处理模块。单频激光模块产生单频激光，经光束干涉模块获取运动部分位移信息，光电探测模块接收该干涉信号信息，通过信号处理模块采用还原信号对纳米位移信号进行解算。
10.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，其特征在于：自溯源型光栅干涉精密位移测量系统与溯源至425.55nm物理波长基准的激光干涉精密位移测量系统可通过比对平台验证其测量能力，所述比对平台包含激光干涉仪动镜、一维铬自溯源光栅、机械转接模块和压电陶瓷驱动模块。激光干涉仪动镜和一维铬自溯源光栅同时固定安置在机械转接模块，机械转接模块固定在压电陶瓷驱动模块，压电陶瓷驱动机械转接模块运动，激光干涉仪与自溯源型光栅干涉仪同时测量运动位移，通过测量结果比对实现性能验证。
...【技术特征摘要】
1.一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：包括物理波长基准和工作标准物质，所述物理波长基准为锁定至铬原子(7s3→7p4)跃迁谱线的425.55nm激光波长，所述工作标准物质为利用原子光刻方法制备的铬自溯源系列光栅，光栅周期均溯源于物理波长基准，所述铬自溯源系列光栅包括一维铬自溯源光栅和二维铬自溯源光栅。
2.根据权利要求1所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：所述物理波长基准的波长锁定装置包括依次设置的激光器、可调谐钛宝石激光器、外腔倍频器和飞秒光学频率梳，激光器发出的光经过可调谐钛宝石激光器，得到被调谐的激光，再可调谐将钛宝石激光器的输出光耦合到外腔倍频器中，产生的激光通过飞秒光学频率梳锁定至铬原子(7s3→7p4)跃迁谱线。
3.根据权利要求1所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：所述一维铬自溯源光栅的制备过程包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量系统，其特征在于：所述二维铬自溯源光栅的制备过程包括以下步骤：
5.一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，应用于如权利要求1-4所述的纳米长度计量系统，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法，其特征在于：所述零差结构包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。
7.根据权利要求5所述的一种基于铬原子跃迁频率的纳米长度计量方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫彬，邓晓，李同保，薛栋柏，周通，肖光旭，沈俊宇，尹志珺，林子超，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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