Research on Theoretical Model of Linear Frequency Modulation Interferometry

In this paper, the principle of linear frequency-modulation (LFM) with an external microcavity laser is analyzed mathematically and a method to establish the math model of LFM heterodyne interference is presented. The expression of LFM heterodyne interference is deduced by an illustration of a triangular frequency modulation. At present, one application of the LFM technique is non-guide absolute distance measurement. Experimental results of a system for absolute distance measurement based on a microchip solid laser and LFM technique are given. Based on the precisely theoretical model some effective approaches to improve the performance of LFM and decrease the measuring error are discussed.     

超外差干涉绝对距离测量研究综述

近几年来，基于多波长干涉理论的绝对距离测量技术取得了很大的进展。其中，超外差绝对距离干涉测量可以克服光学元件引起的模耦合误差，这是普通的外差干涉测量所不能避免的。超外差测量还能够实现合成波长相位的实时检测。本文简要介绍了多波长干涉测量（也叫小数重合法）的基本原理，论述和分析了超外差干涉测量的原理，指出了超外差测量的优点。最后，对超外差测量的方案进行了综述，并指出了它们在实际测量中的特点。     

Precise Underwater Distance Measurement by Dual Acoustic Frequency Combs

Underwater acoustics is of fundamental importance for marine science and technology. However, acoustic waves transmitted by state‐of‐the‐art underwater acoustic systems are not inherently phase locked, which hinders the development of underwater acoustic technology. For example, the precision of underwater distance measurement can only achieve centimeter level. As a versatile tool, optical frequency combs have enabled revolutionary progress in optical metrology and precision measurement. In parallel with optical frequency combs, here, the generation of fully stabilized, underwater acoustic frequency combs is reported, in which equidistant acoustic modes are produced via a hydroacoustic transducer. The precision of each individual acoustic mode is measured to be 10^?9 at 1 s and 10^?12 at 1000 s averaging times. Underwater distance measurements are carried out in an anechoic pool using a dual‐comb scheme. Comparison with reference values shows consistency within 50 µm (7 × 10^?6 in relative). The relatively long‐duration experiments at 7 m distance yield an Allan deviation of 1.8 µm (2.6 × 10^?7 in relative) at 1 s and further 480 nm (6.8 × 10^?8 in relative) at 40 s averaging times. The approach to acoustic frequency comb generation offers a promising and powerful platform for future underwater distance measurement, positioning, and navigation.     

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.     

频率扫描干涉法绝对测距中运动误差的补偿研究

在频率扫描干涉法绝对距离测量过程中,目标的运动会对测量结果引入误差,经推导发现运动误差与激光扫频终点频率以及扪频过程中的光程差位移量有关.前者可直接通过高精度波长计测量,对于后者,提出了外差干涉频分复用技术,设计了一种新的频率扫描距离测量干涉仪,可同时实现目标绝对距离和光程差位移量的测量,通过剔除与扫频终点频率和光程差...     

Phase Modulation in Interferometry: Phase-Drift Suppression over a Wide Range of the Modulation Index

We propose a new technique for processing the heterodyne beat signals obtained in interferometry by sinusoidal modulation of the optical path difference. This technique achieves a high degree of signal stabilization with respect to phase drifts, while removing earlier restrictions imposed on the modulation index. Four Fourier harmonics of the interference signal allow the determination of the current modulation index, and then the coherent component of the intensity can be calculated. The method was tested both numerically and experimentally, and compared to a previous technique that uses the same input data. The effects of phase drifts are canceled on a wide range of the modulation index values, while the reference method achieves the same performance only for particular isolated values. A simplified version of the method is proposed for cases when the signal-to-noise ratio is low.On leave from the National Institute for Laser, Plasma, and Radiation Physics, PO Box MG-36, Bucharest, Romania.     

一种基于两块PEM调制器的光谱测量方法

弹光调制干涉信号范围为百赫兹到数十吉赫兹之间,而由于探测器阵列无法对该等级频率实现有效响应,因此,该情况使弹光调制器在光谱成像工作中受到限制。为了解决该问题,发展了一种使用两块具有相近谐振频率的PEM,并基于该频率差进行光信号调制的方法。该方法将两个弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率f₁和f₂上,被测光通过双弹光调制器实现差频调制,因此干涉信号中产生载有被测光的低频调制分量,低频调制频率是以δ_i(σ,t)=δ_0i(σ)sin(ω_it)为基频的一系列倍频信号,该低频调制信号使用普通探测器即可实现探测,再将直流和高频信号滤波后,仅对调制信号后的低频成分进行对应的运算即可得到被测光谱。由于该频率差比所使用PEM的谐振频率低2至3个数量级,因此,该方法可使探测器获得更多的响应时间,而且由于该方法并不需要所使用的两块PEM具有严格一致的谐振频率和相同的光程差,降低了系统本身的设计难度。     

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.     

基于双边带调制的频率扫描干涉型激光测距技术

提出并论证了一种基于双边带调制的双扫频干涉测距技术,利用电-光双边带调制产生的-1和+1阶边带分别作为扫描方向相反的两个扫频信号,在接收端各获得一个频率与相对距离相关的拍频信号,通过将这两个拍频信号相乘的方式来减小由光路中扰动引起的测量误差.利用Optisystem软件进行系统仿真,结果表明,该方法能够有效抑制由于光路中扰动产生的测量误差.设计了实验验证系统,在光路中引入小幅振动作为扰动时,该方法对扰动的抑制比超过14dB,有效地提升了测距准确度.     

双波长绝对距离外差干涉仪的研究

提出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测量外差干涉仪。该干涉仪探测两个波长各自的外差信号, 通过测量两信号的相位差, 直接测量出合成波的小数级次。指出了两波长间的相互耦合对测量精度的影响, 提出了补偿方法, 在２５ ｍ 的测量范围取得了 １４０ μｍ 的测量精度。     

电光调制器输入端光纤温度对光纤频率调制光谱影响的研究

激光光谱技术由于其高灵敏、高分辨、可在线检测等优点被广泛的应用与痕量气体探测领域,而频率调制光谱(FMS)技术由于其除了探测灵敏度高的优点外且可同时探测气体样品的吸收和色散,通常还被应用于原子分子物理、量子光学等领域。发展全光纤FMS可以在保持气体探测灵敏度的同时有效简化实验装置,然而FMS是一项偏振态敏感技术,光纤温度变化等引起不适当的偏振态变化会诱发残余幅度调制(RAM),该RAM不仅使FMS线型扭曲,同时对其色散信号产生直流偏置,因此研究光纤温度对RAM特性的影响具有非常重要的意义。研究首先通过理论和实验验证了相位可控波片模型解释保偏光纤特性的可行性,然后实验测量了进入电光调制器(EOM)前保偏光纤温度对RAM的影响,发现由RAM引起的色散光谱直流偏置随温度呈正弦变化,且在24和26.8 ℃时直流偏置为零,即无RAM的状态,然而基于温度的直接RAM消除无法替代Wong-Hall提出的伺服反馈控制来实现其长期抑制,这种温度诱发RAM的变化也是所有FMS色散信号背景漂移的主要原因。     

电光调制器低频控制对受残余幅度调制影响的频率调制光谱线型优化研究

频率调制(FM)光谱技术中由于激光偏振态变化产生的残余幅度调制(RAM)使其在微量气体检测中的应用受到极大的限制。理论上详细分析了这一过程产生的原因,获得了存在RAM时FM光谱线型的表达式,同时给出N.C.Wong和J.L.Hall(W-H)方案抑制RAM后的FM光谱线型表达式;在实验上通过对乙炔气体的测量获得了存在RAM时的光谱线型,同时采用W-H方案对RAM进行了抑制,并获得了优化的光谱线型;最后基于理论结果对实验线型进行了拟合,两者差值小于信号峰峰值的4%。     

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。     

二次偏振调制测距系统中调制频率与测距精度的关系

本文在基于二次偏振调制激光测距系统的基础上, 对调制频率与激光测距系统精度的关系做了深入的理论推导和实验验证. 最终得出结论: 相位法激光测距系统的测量精度会随着调制频率的增大而提高, 且精度的提高程度正比于调制频率的不确定度Δf与测程范围内半波长数N值的比值. 并通过选取合适的调制频率来提高系统的测距精度, 提高后的测距精度可达10^-7.     

光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制特性的研究

频率调制光谱(FMS)技术不仅可以用来同时测量原子和分子的吸收和色散,还是噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)的关键技术,由于光纤器件的引入或光源输出光的偏振态不稳定等因素会诱发残余幅度调制(RAM),RAM的产生使得FMS技术在痕量气体检测中的应用受到极大的限制,因此研究光纤FMS中RAM的特性具有非常重要的意义。研究首先通过理论分析了无吸收时的FMS信号的线型及RAM的影响因素,实验测量无吸收时输入偏振方向和输出偏振方向及电光调制器(EOM)温度对光纤FMS中RAM的影响,均与RAM存在线型关系,验证了理论分析结果,并为RAM的抑制工作以及基于RAM的其他应用提供了依据。     

光纤超外差干涉测量系统的研究

提出了一种用于绝对距离测量的光纤超外差干涉系统,简述了该方案的原理,给出了信号处理的框图,并进行了初步实验。对系统的误差分析表明,在光强较弱、信噪比差的情况下,光学元件的非理想特性以及测量信号与参考信号之间的耦合是引起测量误差的主要原因。     

基于二次偏振调制的变频测距方法与系统实现

由于鉴相精度限制、电路等引入的附加相移干扰等因素,传统相位测距技术精度的提高受到了限制.采用二次偏振调制技术对相位测距技术进行了改进.利用二次偏振调制方法能够直接在相位调制器上对两次调制信号的相位差进行解调,大幅度简化了系统的复杂程度.采用变频方法替代传统的鉴相方法,从而系统的测量精度不再受鉴相问题的困扰.从理论上得到系统输出光强与调制频率成正余弦关系,并进行了实验验证.基于变频测距的实验中,系统频率的稳定度优于10-6,测量精度可以达到±10.6μm(被测距离为4.5 m).并对一段长200 m的光纤进行了实际测量,得到了清晰的调制频率与系统输出光强的曲线.     

具有位移和绝对距离测量能力的回馈干涉系统

提出一种基于半导体激光器泵浦Nd∶YAG微片激光器的回馈干涉系统，适合于非配合目标的位移和绝对距离测量。该测量系统包括移频回馈干涉光学系统，基于泵浦调制的微片激光器调频系统和相敏检波信号处理系统3部分。介绍了移频回馈干涉的原理，给出了位移测量和绝对距离测量应用的原理和测量方法，分析了测量的分辨率。实际测量了发黑工件表面的位移和绝对距离。实验结果表明，该回馈干涉系统灵敏度高，对被测表面反射率的要求很低，兼有对非配合目标的高分辨率位移测量和绝对距离测量的能力。     

频差偏差对全视场外差测量精度的影响

根据全视场外差测量的相关理论,推导了频差偏差与仪器测量精度的相互关系.分析了频差大小、频差偏差、采集初始时间、初始相位、采样频率和采样周期数等相关参数对测量精度的影响.研究结果可以作为全视场外差测量设备设计、参数选取的理论依据;并给出了通过合理选择采样时间和采样帧数提高测量精度的一种方法.     

激光频率调制线型分析

在激光频率调制的理论分析中,一般采用正弦波调制、正弦波解调,而没有讨论调制和解调的其它情况。本文主要分析了Guass线型吸收的情况下,锯齿波调制、方波解调的一次、二次谐波相检结果和三角波调制、方波解调的一次、二次谐波相检结果,以及调制深度对信号谱形和信号强度的影响。我们发现,在锯齿波调制、方波解调情况下,一次、二次谐波谱形和正弦波调制情况区别很大;但在三角波调制、方波解调情况下,可以获得和正弦波调制、正弦波解市场相似的结论。另外,不同的调制深度对输出的调制谱形也有重要的影响。我们还用甲烷的可调谐 红外光调制吸收光谱实验验证了理论分析结果。最终得到结论：频率调制谱的信号谱形及信号强度与调制波形、解调波形和调制深度均有关系。