基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量

大尺度、高精度的绝对距离测量在卫星编队飞行、自由空间通信、大尺寸工件检测等前沿应用中具有举足轻重的作用．本文利用飞秒激光脉冲的飞行时间方法对一段52m的大气传输路径进行了绝对距离测量．通过平衡光学互相关技术探测目标反射脉冲与参考脉冲之间的时间误差,并利用得到的平衡互相关电压信号反馈控制谐振腔长,将脉冲间隔的整数倍精确锁定至往返距离,最后由飞秒激光的重复频率确定目标反射脉冲的飞行时间．这一测量方案有效地避免了直接光电探测造成的飞行时间分辨率的损失．实验中,采用工作在1．04μm波段的高重复频率掺Yb锁模光纤激光器作为飞秒激光源,在1S的平均时间下获得了12nm的测量精度．     

基于飞秒激光纵模间拍信号的高精度绝对距离测量

针对使用单一频率飞秒激光纵模间拍信号测距时测量分辨力和最大非模糊距离之间的矛盾,提出了一种同时使用不同频率的微波信号对距离进行测量并逐级合成测量结果的方法。分别选取频率为100 MHz和1GHz的纵模间拍信号测量目标距离,之后调整飞秒激光器的重复频率,使1GHz的纵模间拍信号频率变化1 MHz后再次测量,借助频率变化进一步得到更大的合成波长,最后将三次测量的结果逐级合成,在扩展最大非模糊距离的同时保证了测量结果的高精度。实验结果表明,这种方法能够将最大非模糊距离扩展到150m,对目标绝对距离的测量结果不确定度为25.8μm。该方法不需要改变光路结构,测量过程简便,能很好地实现大尺寸高精度的绝对距离测量。     

脉宽对超快激光平衡光学互相关测距影响的研究

采用基于平衡光学互相关的超快激光绝对距离测量方法对大气中一段15m的空间距离进行了测量。仿真了不同脉冲宽度、不同光强损耗对平衡互相关信号的影响,理论分析表明脉宽展宽对平衡互相关信号影响较大。采用中心波长为1037nm、重复频率为260MHz的超快激光器光源,搭建了测距系统。实验验证了在脉宽分别为1.44ps、132fs时,对平衡互相关信号的影响,实验结果符合理论分析。研究了不同脉冲宽度对测量分辨力的影响,结果显示,采样时间为5ms,脉宽为1.44ps,测量分辨力不低于50μm;而当脉宽为132fs时,测量分辨力优于5μm。     

基于飞秒光学频率梳的大尺寸精密测距综述

飞秒光学频率梳的出现对时间频率技术和光谱学技术产生了深远重大的影响,由此衍生的飞秒光学频率梳绝对测距技术以其快速、大尺寸、高精度等优点已成为国际研究热点,并有望直接应用于大装备制造、激光雷达和卫星编队飞行等大尺寸精密测距。在简要阐述飞秒光学频率梳的原理特性及主要应用的基础上,围绕光梳测距的发展历程及前沿方向,着重介绍了飞秒光梳精密测距近两年来的最新研究进展,并对该技术进行了总结和展望。     

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。     

基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对测距

提出了一种基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对距离测量方法,通过检测测量信号与参考信号的相关条纹,实现了绝对距离测量。研究了一阶相关函数的测量模型,建立了基于非平衡迈克耳孙干涉光路的测量系统,通过拟合一阶相关函数包络并提取其峰值精确判断脉冲重合位置,获得了被测距离。设计并配合长导轨进行了3 m的绝对距离测量实验,并与商用干涉仪测量结果进行实时比对。基于大量实验数据,针对环境因素及系统误差进行了分析,并进行了误差消除与补偿。研究结果表明,所提方法在500 min长期测量中,在3 m的测量范围内的最大测量误差为5.85μm,测量标准差为2.20μm。     

光学频率梳啁啾干涉实现绝对距离测量

本文提出一种基于光学频率梳的啁啾脉冲干涉绝对距离测量的方法.通过一对衍射光栅啁啾参考脉冲,分析参考脉冲和测量脉冲的干涉光谱,得到脉冲的中心频率偏移量,从而解算出被测距离.文中详细分析了脉冲啁啾原理和啁啾脉冲干涉测距原理,以及影响测距范围的因素并给出仿真.搭建了改进的Michelson干涉结构,实验得出测距范围受啁啾参数的影响,并与理论分析吻合;在地下长导轨上,进行大范围测距实验.实验结果表明当,在65 m范围内,测量结果与参考测距仪相比,测距精度为33μm,相对精度达到5.1×10~(-7).此外,根据理论分析,通过实验优化了实验装置的测量不确定度.     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

单脉冲飞秒激光时域参数测量技术研究

钛宝石飞秒激光放大系统具有重复频率低、脉冲波形复杂等特点,为准确测量其峰值功率,提出对单次脉冲波形和脉冲宽度测量的需求。介绍了单脉冲飞秒激光时域波形和脉冲宽度的测量原理和测量方法,设计了基于频率分辨光学开关法的单脉冲飞秒激光时域参数测量装置。讨论了单脉冲飞秒激光时域参数测量校准面临的问题及解决方法。     

飞秒激光短脉冲测量系统中三阶色散效应的数值分析

本文在光脉冲近似为双曲正割函数下,运用有限傅里叶变换法(FFT)对飞秒脉冲二次谐波自相关测量系统中主要由倍频晶体引起的三阶色散效应进行了数值计算和分析。指出当光脉冲的半高宽(FWHM)接近或小于10fs时,脉冲才有明显的展宽效应,脉冲的展宽倍数与晶体的长度成递增关系,脉冲的前沿也出现了弛豫振荡结构的畸变现象,计算同时给出能基本消除三阶色散的展宽效应的倍频晶体的最大厚度,讨论了三阶色散对光脉冲频谱的影响。     

动态啁啾脉冲干涉的快速绝对距离测量

提出了一种基于动态光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离快速测量方法.借助于重复频率的线性扫描,可获取啁啾光谱干涉信号中最宽条纹的动态频率偏移,从而完成被测距离的高精度测量.动态重复频率能够延伸光谱仪探测极限,相应地减小测量盲区,并且基于合成波长也使得测量非模糊范围得到极大的拓展.本文测距系统无需重复频率的锁定,能够摆脱对锁相环等复杂应用模式的依赖,在简化系统的同时借助铷钟提供精准时钟参考,从而进一步提高测量精度.此外,电荷耦合器件成像帧速以及重复频率扫描速度的提升可实现干涉信号的快速采集,弥补传统光谱干涉测量以及腔调谐方式在探测速度上的不足.实验结果表明,本文方法单点测距数据更新率为13.5 Hz,相较于参考数值,在20 m的测量范围内,测量不确定度优于27 μm,相对精度为1.35 × 10^-6.     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

利用飞秒激光测量绝对长度

主要研究了如何利用飞秒激光测量绝对长度。解析和数值计算结果显示当飞秒激光通过理想的法布里一珀罗干涉仪时,利用干涉仪透射最大值可以实现绝对标准长度的测量。据此提出了标准频率与绝对长度一一对应的标准。     

基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统

研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔,每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤,三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件,光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉,以及干涉信号的相位小数重合方法,实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量,三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中,两相邻波长间距约为10nm.系统对公称高度为11mm修正值不大于2.7μm的台阶高度进行测量,测量结果为11.000 059mm.对13.000 090mm绝对距离重复测量20次的标准差为4.4nm.     

实时测量飞秒激光脉冲的二次谐波相关技术研究

本文介绍了一种具有飞秒分辨率实时监测激光脉宽的二次谐波自相关技术。该技术既可进行强度自相关测量,又可进行自标定的干涉自相关测量。干涉自相关测量精度达1fs,强度自相关测量相对误差为3.6%。     

光学成像法和穿孔法测量飞秒激光焦斑特征

超短超强激光焦斑参数的精确测量是深入开展精密物理实验的前提。在SILEX-Ⅰ激光装置上,采用光学成像法和穿孔法测量了μJ级能量下的激光焦斑特性,采用光学成像方法得到了激光主瓣大小及能量集中度信息,通过穿孔法得到了激光能量透过率与不同大小孔径的关系曲线,并对两种方法得到的测量结果进行了比对研究。研究结果表明,光学焦斑测量法和穿孔法都可以比较准确地反映激光焦斑的能量分布情况,得到的能量分布偏差小于10%。     

测量飞秒激光脉冲啁啾的方法

介绍了一种能够直接检测飞秒脉冲啁啾大小的方法。采用共轴结构的迈克尔逊干涉自相关二次谐波检测系统对自制碰撞脉冲锁模循环染料激光器输出的最窄脉冲宽度约为200fs的脉冲进行了测量。测得的飞秒脉冲自相关二次谐波曲线表明：实测曲线的下包络两翼明显隆起,包络外形很不整齐,对称性较差,说明光脉冲含有啁啾。通过比较干涉测量曲线和理论曲线的形状与面积的大小,可以直观地反映出光脉冲所含啁啾的大小。实验结果分析表明,利用满足光相关检测所需精度的光学元件和满足光相关探测基本条件的实验装置,能测得含有相位及啁啾信息的快干涉项信号,是一种能够直观检测光脉冲所含啁啾大小的可行方法。     

基于整形飞秒激光脉冲的三维微纳制备

飞秒激光脉冲加工具有热效应小、加工精度突破衍射极限、三维内部加工能力等特性,在微纳制备领域独具优势。综述了利用飞秒激光脉冲整形技术结合飞秒激光三维直写进行透明介质中微纳制备的最新进展,这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用。     

用蓝色光二极管测量掺钛蓝宝石飞秒激光脉冲宽度

用蓝色光二极管双光子跃迁光电流信号测量掺钛蓝玉石飞秒激光脉冲宽度，实验高精度地记录了二阶干涉自相关曲线及其精细结构，由于用蓝色二极管双光子跃迁代替了常用的二次谐波，而且光信号直接转化为电信号，从而使飞秒激光脉冲宽度的测量大为简化。     

19飞秒激光脉冲的产生与测量

本文介绍产生19飞秒激光脉冲的被动锁模四棱镜补偿群速度分散的环型染料激光器的特点;讨论了二次谐波强度自相关法和二次谐波干涉自相关法。用该激光器产生的超短而高稳定的光源对同步扫描条纹相管作了评价。