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。     

一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距新方法的理论分析

本文提出了一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距的新方法, 结合基于双光梳互相关的多外差距离测量和基于重复频率的梳间拍频距离测量, 在不需要依靠脉冲飞行时间先验判断以及扫描重复频率或扫描参考光路的前提下实现km量程高精度绝对测距. 文章在光梳基本原理和测距方案的基础上, 建立了基于双光梳的大尺寸距离测量链理论模型, 讨论了多外差最低谱线和光梳重复频率稳定度对测量结果的影响, 并进行了大量仿真计算; 仿真结果表明, 在理想相位解调精度的前提下, 该方法的测距误差优于± 50 pm, 且多外差最低谱线的频率偏差对测距造成的影响远低于多外差测量的测距分辨力, 验证了该方法能够用于开展大尺寸高精度绝对测距研究. 关键词： 激光测距 飞秒光梳 重复频率 多外差干涉     

基于飞秒光梳互相关的空间精密测距理论模型分析

飞秒光梳的出现为实现高精度绝对距离测量提供了诸多有效方法,并有望直接应用于激光雷达、卫星编队飞行和空间引力测量等空间探测任务。从未来空间精密测距的精度需求出发,提出在飞行时间法辅助测距的基础上利用光学脉冲互相关分析技术将目标距离测量直接溯源到光梳重复频率的测量方法,建立了飞秒光梳测距基本模型,进行了飞秒脉冲互相关理论分析,并开展了互相关及测距仿真实验。仿真结果表明,在目标距离为10 km以及重复频率扫描精度0.01 Hz条件下,进行非模糊量程内线性测距的测量精度优于450 nm,测距残余误差的峰谷(PV)值为780 nm,验证了该方法实现亚微米级甚至纳米量级大量程空间精密测距的可行性。     

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。     

飞秒光频梳的任意长绝对测距

高精度测距在工业、航空航天、科学研究等方面都具有重要应用, 而不断发展的激光测距技术始终处于前沿研究领域. 本文研究飞秒光频梳绝对测距技术, 拓展光梳在长度测量领域的应用. 在利用脉冲激光进行任意绝对长度测量中常用到飞行时间法, 然而其测量分辨力受限于电子器件的带宽, 仅为毫米量级. 为克服这一缺点, 本文研究了光梳多脉冲序列之间的时间相干性, 结合多脉冲序列干涉法和飞行时间法提出了任意长绝对测距的方法, 搭建了基于改进型Michelson干涉原理的任意绝对测长系统, 通过同时测量多脉冲序列的一阶和二阶互相关信号, 可以分别计算出飞行时间的时间差, 即可得到被测距离. 利用光梳作为光源进行了0.6m的绝对测距实验, 将测量结果与高精度激光位移传感器的测量值进行比较, 实验结果表明本系统具有良好的测量线性度, 并且测距精度可达±0.5μm. 关键词： 飞秒光频梳 任意长绝对测距 飞行时间法 多脉冲序列干涉法     

精密光梳测距的发展

大尺寸装备制造、空间中航天器编队飞行等领域面临大量程、高速、高精度的绝对距离测量需求,传统的干涉相位法与飞行时间法已经无法满足测量需求。随着光频梳的出现,能够利用光频梳在时域及频域中的高分辨特性,将其应用于测距中。双光梳测距在解决了量程扩展问题后,成为了集大尺度、快速测量、高精度于一体的光学测距手段。梳理了光梳测距的发展过程,阐述了双光梳测距发展过程遇到量程扩展、噪声抑制、空气折射率补偿、光源小型化等问题及解决办法,为双光梳测距系统的完善提供理论指导。     

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．     

飞秒互相关时间选通技术用于光学层析成像的实验研究

利用飞秒互相关二次谐波信号时间选通技术。实现了对埋藏在高度散射介质中物体的透射成像和反射以析成像。互相关选通门有效地选出携带物体信息的弹道光子和蛇行光子，排除了给成像带来背景噪声的温射光子，分别获得了散射介质中物体的二次谐波一维和二维图像。     

飞秒钛宝石光学频率梳的精密锁定

经相位锁定后的飞秒钛宝石光学频率梳已经广泛用于绝对光频的测量，这是光频标领域一个革命性的突破.在自建的90MHz飞秒钛宝石激光器的基础上首先采用光子晶体光纤将其光谱展宽到一个光倍频程，接着利用锁相环技术分别将重复频率和载波包络频移同时高精度地锁定到一台稳定度为6×10^－14的Cs钟上，进而得到了稳定度相同的飞秒光学频率梳.     

飞秒光梳和碘稳频532nm Nd:YAG激光频率的测量

报道了中国计量科学研究院研制的基于掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire)锁模飞秒脉冲激光器的飞秒光学频率梳装置，并利用此装置测量了碘稳频532nm(¹²⁷I₂R(56)32-10) Nd∶YAG固体激光器的频率，结果为 563260223512991±20Hz,相对不确定度为3.6×10^-14.这一数值是直接溯源到铯原子微波频率基准的光学频率测量结果.     

重复频率倍增光频梳时域互相关绝对测距

利用法布里-珀罗标准具对光纤光频梳的重复频率(重频)进行倍增,使光频梳重频从最初的250 MHz提升至10 GHz,对应的脉冲间距从1200 mm缩减至30 mm,极大地降低了脉冲互相关测距方法对参考臂扫描范围的需求.建立了重频倍增光频梳的时域互相关干涉信号数学模型,通过数值模拟分析了光源参数(重频、起始偏移频率)和法布里-珀罗标准具参数(色散、腔长、中心波长)对滤出光谱形状以及互相关信号的影响.在实验中,使用重频倍增后的光频梳进行脉冲互相关干涉绝对测距,与参考干涉仪对比,在210 mm范围内获得优于4μm的测距精度.     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

飞秒激光脉冲序列互相关实验及结果分析

利用搭建的大臂长差相关仪,进行了飞秒激光脉冲序列间脉冲的互相关实验。实验结果表明：飞秒脉冲间互相关具有飞秒脉冲自相关的干涉相关图样。初步互相关实验和数据处理表明:利用飞秒脉冲固有的间隔和超短的脉冲宽度在μm量级上能精确标定大型光学谐振腔的长度;大臂长差飞秒脉冲相关技术,在未来加速器新光源装置中,可以用于稳定定时信号传输时间,更直接用于大型光学谐振腔的长度确定。     

基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析

飞秒光梳被广泛用于时间频率技术和精密光谱测量,由其时频特性所衍生的绝对测距技术以可溯源、大尺寸、高精度等优点有望成为未来长度计量的最重要手段.本文提出了一种基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距方法,使多个连续波激光器通过光学锁相环技术同步锁定到飞秒光梳梳模上,通过多路同步相位测量和小数重合算法最终实现绝对距离测量.所提测量方法不仅能保留传统激光干涉测距的高分辨力和精度,而且可溯源至时间频率基准,对高精度长度测量、尤其是对物理复现“米”的定义具有重要计量意义.测距实验证明,四波长干涉测距的非模糊度量程达到44.6 mm,折射率波动导致非模糊度量程变化为纳米量级;多波长干涉测距的非模糊度量程也受制于空气折射率的测量误差,多波长干涉绝对测距的非模糊度量程在实验室环境下可达数米、甚至几十米,并通过2米线性位移实验证明了多波长绝对测距的大量程和线性测量性能.     

空气中飞秒脉冲激光器互相关信号的理论研究

利用色散脉冲传播理论和空气折射率Ciddor公式,推导了空气中飞秒脉冲激光器的互相关函数;根据互相关函数结果表达式取决于激光器光源的光谱分布,建立了在空气中不同光程路径差及环境参量变化下,不同光谱分布的飞秒脉冲激光器的脉冲之间互相关模式的数值模型.结果表明:随着传播距离的增大,互相关模型具有稳定啁啾及线性加宽;环境参量的变化只引起互相关图案的移动,并不产生任何额外线性加宽或啁啾.     

基于飞秒光频梳的双频He-Ne激光器频率测量

利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10^-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10^-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.     

用于光腔衰荡光谱测量的多支路掺铒光纤飞秒光梳系统

报道了用于光腔衰荡光谱测量的多支路掺铒光纤飞秒光梳系统.该系统以“9”字型全保偏掺铒飞秒光纤激光器为激光源.利用自制的锁相环电路,获得的重复频率和载波包络相移频率秒级稳定度分别为5.85×10^–13和4.95×10^–18.为了满足CO, CH₄等分子吸收光谱测量,利用啁啾放大和非线性光谱展宽技术,采用多支路结构,将飞秒光梳直接输出光谱由1500—1600 nm分别扩展至8个目标波长(1064, 1083, 1240, 1380, 1500,1600, 1750和2100 nm)处,各目标波长处的单模功率均大于300 n W,满足光腔衰荡光谱测量实验的需求.     

基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法

本文提出了一种基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法.系统采用两个带通滤波器产生两个具有一定波长差的单波长,用于产生合成波长.本方法结构简单,能量利用率高.与双频激光干涉仪在40 mm范围内的比对结果表明,该方法比对残差的标准差为91 nm.     

光梳多波长绝对测距的波长选择及非模糊度量程分析

飞秒光学频率梳作为精密光学频率标尺,可以用来产生频率稳定度极高的单波长连续激光,利用其多个梳模制备理想的多波长光源用于绝对距离测量具有测量速度快、实时性强、非模糊度量程大、精度高等优点。以多波长测距的基本理论和光梳高频率稳定度为基础,提出了二次合成波长的方法,不仅扩展了非模糊度量程,同时为干涉信号的多波长解调创造了足够的波长间隔条件。结合光梳的波长特点,分析了基于光梳的多波长选择与非模糊度量程的关系,并阐述了具体的选择步骤及波长组合结构。利用小数重合解调算法,在0.01的小数相位测量精度条件下,仿真验证了四波长干涉测距的非模糊度量程为35.636mm,五波长干涉系统可以达到几百毫米的非模糊度量程,后者相对分辨力的动态量程达到109量级。     

互相关测速的误差综合分析

为了提高互相关技术在实验中测量结果的准确性和可信度,本文对产生误差的各种原因进行了分析,并对误差进行了估算.通过探讨相应的解决方法，提出了一种针对互相关测速误差的综合分析及其相应处理手段.