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。     

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     

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.     

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．     

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。     

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.     

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。     

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     

基于飞秒激光模间拍频法的大尺寸测距方法

本文基于飞秒激光模间拍频法实现多波长相位式绝对距离测量, 通过改变光频梳重复频率合成波长扩大测距量程, 并采用监测臂和双快门切换系统补偿和消除由电路产生的相位差单向漂移和大幅抖动. 实验中以20倍重复频率的拍频进行测量, 在30 min内相位测量的标准偏差为0.022°; 与双频激光干涉仪比对1125 mm行程内位移测量结果, 测距精度优于50 μm; 实验验证了合成波长方法扩大量程方案的可行性, 获得的测距重复性优于3 μm, 该系统理论上可扩展量程至7.5 km.     

基于电控光学采样的飞秒激光距离测量系统

基于电控光学采样原理开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量的实验研究。电控光学采样技术使用两台重复频率锁相的飞秒激光器,分别作为信号激光器和本地振荡器。在本地振荡器的谐振腔内插入电光调制器并施加方波调制,实现了可控、高效的等效时间采样,采样速度由电光调制器的调制频率决定。基于这一采样原理开展脉冲飞行时间绝对距离测量实验。选用一对重复频率约为158 MHz的被动锁模光纤激光器作为光源,对固定目标进行单次测量的最大更新速率可达到200 kHz,经过4100次单次测量平均后,测距精度可达到16.7 nm。在此基础上,测量了硅基微机械器件中深度约为67.6μm的微槽。     

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景,同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源。介绍了国内外飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试方法,比较了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法的优缺点。自相关法具有脉宽测量范围广、结构简单等特点,但不具备脉冲波形测试能力。光谱相位相干直接电场重构法对待测激光光束质量要求较高, 不适合大量程范围激光脉宽快速测量。为满足10 fs~5 ps大量程范围超短激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求,采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪,时间分辨率优于2 fs。     

双光梳非线性异步光学采样测距中关键参数的数值分析

双光梳异步光学采样的绝对测距方法具有量程大、测速快和精度高等特点,在几何量精密测量领域具有广泛的应用前景.特别地,结合异步光学采样和非线性强度互相关的倍频信号时域探测方法,可以有效避免测量过程中载波包络偏移频率对测距精度的影响.本文针对双光梳非线性异步光学采样绝对测距系统,对影响其测距精度的理论模型和关键参数进行数值模拟研究.对双光梳异步光学采样的理论模型进行分析后,分别研究了双光梳光源参数(重复频率和重复频率差)、倍频信号精细拟合及脉冲时间抖动对测距精度的影响.数值分析结果表明:选择合理的重复频率和重复频率差有利于提升测距精度,此外适当提高测量速度可以有效降低脉冲时间抖动对测距误差的影响.     

一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.     

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。     

飞秒频率梳和单频激光干涉光谱的实验研究

本文研究了光学频率梳输出的整形后飞秒脉冲激光和单频激光的干涉光谱。实验中光学频率梳和单频激光干涉的信号包括直流项、光学频率梳输出的脉冲激光相邻模式之间的干涉项和光学频率梳脉冲激光与单频激光之间的干涉项。实验上研究了光学频率梳脉冲激光与单频激光干涉信号间距和单频激光频率的关系,提供了一种快速直接测量单频激光频率的有效方法。研究了光学频率梳输出的飞秒脉冲光经过铷泡后与单频激光干涉信号和单频激光频率的关系,获得铷原子吸收光谱。该研究工作对于原子分子高精密光谱测量具有一定的意义。     

一种光学频率梳绝对测距的新方法

采用光学频率梳的高精度绝对距离测量技术在航空航天、科学研究和工业生产等领域都发挥着重要作用.提出一种利用光学频率梳技术,通过检测光强实现绝对距离测量的新方法,研究了光学频率梳发出脉冲的时间相干性,分析了光强与被测距离之间的关系、干涉条纹峰值点位置与被测距离之间的关系.建立了基于Michelson干涉原理的测距系统,通过测量光强信息得到被测距离.以高精度纳米位移平台的位移量作为长度基准进行了绝对测距实验,在每个被测距离点都重复进行了10次实验,将10次实验测得的光强值取平均后用于距离的计算.实验结果表明,该方法可以实现绝对距离测量,在10μm测量范围内,最大误差为47 nm.因此,该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量.     

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.     

覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳

飞秒光学频率梳波长覆盖范围向可见光波长扩展对于碘稳频激光的绝对频率测量以及光钟研究中钟激光的绝对频率测量都具有十分重要的意义. 本文在自行研制掺Er光纤飞秒光学频率梳的基础上, 采用放大-倍频-扩谱的方案, 实现了激光输出波长向可见光波长的扩展. 掺Er光纤飞秒光学频率梳输出的一部分光激光脉冲, 功率约为8 mW, 首先经掺Er光纤放大器将功率提高到531 mW, 此后利用MgO: PPLN晶体倍频, 倍频后激光的功率为170 mW, 倍频效率为32%, 脉冲宽度为85 fs. 倍频后的激光通过光子晶体光纤进行光谱展宽. 通过优化入射光偏振状态可以实现波长覆盖500-1000 nm, 输出功率为85 mW, 耦合效率为50%. 采用小型化碘稳频532 nm Nd: YAG激光器输出激光与光学频率梳光谱展宽后的激光进行拍频可以获得30 dB的拍频信号. 覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳为可见光范围内激光的绝对频率测量提供了技术手段.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

超短脉冲光参量振荡器中TEM_(01)模经典增益的实现

用中心波长为850nm,重复频率为76MHz,脉宽为130fs的飞秒脉冲光产生二次谐波,泵浦TEM01模的同步光学参量振荡器,实验上获得了TEM01模大约4倍的经典增益,并给出了理论分析。这是产生高阶模飞秒脉冲光非经典频率梳的重要步骤,理论预计该增益下可以得到-2.20dB的TEM01模脉冲压缩光。