《Optics & Laser Technology》：Classification of harmful algae in aquaculture water at single-algal level with deep-learning-enabled Raman spectroscopy
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纳米弧度级宽角干涉测量技术突破传统灵敏度与量程的权衡，提出紧凑型双光束等臂干涉仪设计，实验验证显示±100毫弧度量程内残余非线性低于0.5%，20毫赫兹以上灵敏度优于1纳米弧度/√赫兹。该成果为精密工程、光学计量和空间惯性传感提供新方案。
梁晓玲|严浩|李梦恒|王臻|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，基础物理量测量教育部重点实验室，引力实验中心，430074
摘要
纳米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在极高灵敏度和宽动态范围之间面临权衡。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。这种等臂光学布局有效地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验证了在±50毫弧度的倾斜范围内高达70%的干涉对比度；而厘米级的紧凑型原型实现了0–200毫弧度的线性角度测量范围，残余非线性低于0.5%，灵敏度超过20毫赫兹。这些结果表明，所提出的干涉仪克服了灵敏度和测量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赫兹的频段内稳定在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动态范围达到10毫弧度，并且在0.1毫赫兹至1赫兹的范围内具有优于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）提供宽角度范围，但分辨率有限[11]。干涉测量方法（包括差分波前感测[DWS] [12]和多光束干涉仪[MBI] [13] [14]）可以实现亚纳米弧度的精度，但由于对比度下降和非线性响应，通常受限于亚毫弧度范围。使用双角反射器的商用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米弧度级的灵敏度[11]，而Liao等人开发了一种异频移干涉仪，在30毫弧度范围内具有1.5纳弧度/赫兹的分辨率[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米弧度级的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型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。已经制造并实验验证了一个厘米级的原型，显示出高干涉对比度、低残余非线性、超过20毫赫兹的灵敏度以及与理论预测的一致性。这种紧凑型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）使用两束平行激光束，通过平面镜反射后重新组合产生干涉，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与横向位移Δx和相位差Δ?之间的关系约为Δθ≈Δx/L1/λ4πΔ?，其中L1是有效臂长差，λ是光波波长。
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。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。光学平台上安装了主要的光学元件、目标镜等。
结论与展望
我们展示了一种紧凑型、厘米级的异频双光束干涉仪，实现了纳米弧度级的角度灵敏度和宽动态范围。双光束等臂配置有效地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%，具有良好的性能。
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。
王臻：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财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
