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。     

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。     

相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量研究

 为了克服一般绝对距离测量方法量程和精度不能同时满足的问题,提出一种相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量方案。该方案使用相位激光测距技术进行粗测,双纵模He-Ne激光器外差干涉测长技术进行精测,保证两者结合的单值性。建立测量系统,对方案的可行性进行了实验验证,并对影响系统稳定性的因素进行了分析。与双频激光干涉仪的比对结果表明：测量标准差优于1mm,可以满足一些大尺寸的测量精度要求。     

基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。     

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.     

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.     

光纤干涉测距中光程定位的研究

提出一种由定位干涉仪和测量干涉仪组成的光纤干涉绝对距离测量方法;并用标准长度光纤实现光程倍增以增大测量范围;重点讨论了用脉冲电流调制的准单色光源实现光程定位的方法及其精度。通过理论分析和仿真实验,定位重复性误差优于±1μm。     

基于二次反馈激光自混合新型测距方法

在基于激光自混合干涉的理论上,提出了一种利用二次反馈激光自混合干涉的新型测距方法。利用三角波电流对半导体激光器进行调制,得到一次反馈自混合干涉信号。通过对信号分析可知,当半导体激光器被调制后,会产生一系列的模跳,模跳的数量与绝对距离成正比。通过计算在一个三角波电流调制周期内模跳的数量,就可以求出绝对距离。利用多重激光自混合的概念,提出该种新型测距方法。建立了距离测量系统,进行了实验验证。实验结果表明:由于步长分辨率精度的提高,测距精度明显提高。     

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     

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.     

Alternative method of wavelength drift free dual-wavelength heterodyne interferometry for the absolute distance measurement

Based on the technique of dual-wavelength and principle of heterodyne interferometry, a modified method for measuring the absolute distance is proposed. Because two test lights suffer from the same influence of wavelength drift in the measurement setup, the minus effect coming from the wavelength drift can be offset. Therefore, the measurement accuracy can be significantly increased. The feasibility of this method was demonstrated with a measurement resolution of about 1.50 μm. This method provides the advantages of a simple optical setup, easy operation and rapid measurement.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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