《Optics & Laser Technology》：A compact dual-beam interferometer prototype for nanoradian-level wide-angle sensing
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纳米弧度级宽角干涉仪设计及实验验证，提出等臂双束结构抑制相位非线性，实现±100mrad量程内1nrad/√Hz灵敏度与0.5%以下非线性残留，突破传统干涉仪灵敏度-量程权衡，适用于精密工程与空间惯性传感。
梁晓玲|严浩|李梦恒|王振|梁玉荣|邱鹏|刘金全|周泽兵
中国湖北省武汉市华中科技大学物理学院，教育部基础物理量测量重点实验室，引力实验中心，430074
摘要
纳弧度级别的宽角度测量对于精密工程、光学计量和基于空间的惯性传感至关重要。传统的干涉测量技术通常面临极高灵敏度与宽动态范围之间的权衡。在这里，我们介绍了一种紧凑型双光束干涉仪的设计和实验验证。等臂光学布局有效抑制了在大角度范围内的条纹对比度下降和相位非线性。空间分离的双光束设置在整个±50毫弧度的倾斜范围内验证了高干涉对比度（>70%），而紧凑的厘米级原型实现了0–200毫弧度的线性角度测量范围，残余非线性低于0.5%，灵敏度高于20毫赫兹。这些结果表明，所提出的干涉仪克服了灵敏度和范围之间的传统权衡，为精密角度计量提供了一个紧凑且稳健的平台。
引言
高精度、大范围的角度测量是精密制造（例如光刻和CNC加工）、光学计量（例如角度校准和坐标测量系统）[1] [2]以及基础物理实验（如扭摆[3] [4]）和用于太空任务的多自由度惯性传感器[5] [6] [7]的基石。例如，基于空间的引力波探测要求测试质量的倾斜在1毫赫兹至1赫兹的频率范围内稳定在10纳弧度/赫兹，动态范围超过±300微弧度[8] [9]。同样，用于测量牛顿引力常数G的地面扭摆实验需要在0.1毫赫兹至1赫兹的范围内实现高达10毫弧度的动态范围和优于100纳弧度/赫兹的角度分辨率[10]。
传统的光学角度测量技术通常在灵敏度和测量范围之间存在固有的权衡。非干涉测量方法，如自准直器和光学杠杆，可以提供宽的角度范围，但分辨率有限[11]。干涉测量方法，包括差分波前传感（DWS）[12]和多光束干涉仪（MBI）[13] [14]，可以实现亚纳弧度的精度，但由于对比度下降和非线性响应通常受限于亚毫弧度的范围。使用双角度反射镜的商业MBI可以扩展动态范围[15]，但其几何结构与平面反射设置不兼容，可能会引入额外的光学路径噪声。
最近的进展部分缓解了这些限制。Arp等人改进了一种自准直光学传感器，在9毫弧度范围内实现了纳弧度的灵敏度[11]，而Liao等人开发了一种具有1.5纳弧度/赫兹分辨率的异频相移干涉仪，在30毫弧度范围内有效[16]。Yan等人展示了一种双光束倾斜传感器，达到了0.4纳弧度/赫兹的分辨率和±0.5毫弧度的测量范围[17] [18]。尽管有这些进展，但在宽角度范围内实现纳弧度灵敏度仍然是一个重大挑战。
在这项工作中，我们介绍了一种紧凑的等臂双光束异频干涉仪，旨在克服这一挑战。镜面对称的光学布局确保了等臂长度，有效抑制了在±100毫弧度范围内的条纹对比度损失和相位非线性。已经制造了一个厘米级的原型，并通过实验验证了其高干涉对比度、低残余非线性、高于20毫赫兹的灵敏度以及与理论预测的一致性。这种紧凑的宽角度干涉仪为实验室和基于空间的应用提供了实用且稳健的高精度角度测量解决方案。
测量原理
传统的迈克尔逊型多光束干涉仪（MBI）使用两束平行的激光束，由平面镜反射后重新结合产生干涉，如图1(a)所示。光电探测器（PD）测量光程差，从而编码目标镜的角度旋转。角度变化Δθ大约与横向光束位移Δx和相位差Δ?之间的关系为Δθ≈Δx/L1/λ4πΔ?，其中L1是有效臂长差，λ是光波长。
实验验证
为了确保高测量精度，等臂干涉仪结合了异频检测技术，如图3所示。该系统包括两个主要模块：异频激光源单元和光学平台。源单元包括一个激光器和一对声光调制器（AOM），它们生成两个频率分量f1和f2，通过光纤传输到光学平台。光学平台上装有主要的光学元件、目标镜等。
结论与展望
我们展示了一种紧凑的厘米级异频双光束干涉仪，实现了纳弧度级别的角度灵敏度和宽动态范围。双光束等臂配置有效抑制了大角度范围内的条纹对比度下降和非线性相位响应。原型的实验结果显示，在±100毫弧度的倾斜范围内，角度灵敏度优于1纳弧度/赫兹，残余非线性低于0.5%。
CRediT作者贡献声明
梁晓玲：研究、撰写——原始草稿。严浩：概念构思、撰写——审阅与编辑。李梦恒：方法论。王振：验证。梁玉荣：形式分析。邱鹏：可视化。刘金全：资金获取。周泽兵：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
