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     

级联掺Yb增益光纤提高拍频信号信噪比的实验研究

飞秒光学频率梳的出现使对未知激光的绝对频率测量成为可能,极大地简化了激光绝对频率的量值溯源和比对工作.为了保证测量数值的准确性,飞秒光学频率梳与未知激光的拍频信号fb的信噪比要求大于30 d B.针对碘稳频532 nm激光绝对频率测量的特定需求,以532 nm激光的基频光1064 nm激光的绝对频率测量为着眼点,本文采用303 MHz重复频率的掺Er光纤光学频率梳,首先通过激光放大和光谱展宽技术使光谱覆盖到1μm波段,然后采用级联掺Yb增益光纤技术,将扩谱后1μm波段的激光功率进行放大,提高了掺Er光纤光学频率梳扩谱后1μm波长附近的激光强度.采用碘稳频532 nm激光的基频光作为待测光源与飞秒光学频率梳进行拍频.实验表明,与未经过光谱增强的激光相比,光谱增强后的激光与1064 nm激光拍频信号的信噪比提高了5 d B,保持在35 d B附近.该技术有效地缓解了采用掺Er光纤光梳测量1064 nm激光绝对频率时对直接扩谱所获得的1μm波长激光的强度要求.     

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。     

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.     

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.     

小型低值LD激光测距仪的研制

研制成一种小型,低值,便携式,对人眼安全,无合作目标的LF-1型系列LD激光测距仪.激光波长905nm,激光峰值功率10W,脉宽25ns,重复频率100Hz系统的测距范围14-1000m,测距精度＜±1m,有多种工作模式,具有省电功能.LF1LRF是一种光子雷达系统,它的测距能力优于其它低值的半导体激光测距仪.本文讨论LD激光测距仪研制中的几个问题.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

便携式633nm激光波长评价系统研究

利用光学拍频法可实现稳频He-Ne激光波长稳定度的测量以及波长不确定度的评定。报道了一种可应用于测量现场的便携式633nm激光波长评价系统,介绍了拍频测量技术原理、激光波长评价系统的基本构成以及与非便携式的传统拍频系统测量激光波长的比对结果。波长评价系统对传统光学拍频光路部分进行了改进并集成为一个便携测量系统,系统采用了全新设计的集成式光学拍频模块、小型化高精度频率计以及频谱监测仪器实现了高信噪比拍频信号的产生、计数与监测,并自主开发了拍频测量数据采集、处理与分析软件。实验结果表明该系统能够在测量现场实现激光波长的稳定度以及不确定度评价,提升了现场测量的便捷性以及测量效率。     

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.     

Precise determination of characteristic laser frequencies by an Er-doped fiber optical frequency comb

Femtosecond optical frequency combs correlate the microwave and optical frequencies accurately and coherently. Therefore, any optical frequency in visible to near-infrared region can be directly traced to a microwave frequency. As a result, the length unit "meter" is directly related to the time unit "second". This paper validates the capability of the national wavelength standards based on a home-made Er-doped fiber femtosecond optical frequency comb to measure the laser frequencies ranging from visible to near-infrared region. Optical frequency conversion in the femtosecond optical frequency comb is achieved by combining spectral broadening in a highly nonlinear fiber with a single-point frequency-doubling scheme. The signal-to-noise ratio of the beat notes between the femtosecond optical frequency comb and the lasers at 633, 698, 729, 780, 1064, and 1542 nm is better than 30 dB. The frequency instability of the above lasers is evaluated by using a hydrogen clock signal with a instability of better than 1×10^-13 at 1-s averaging time. The measurement is further validated by measuring the absolute optical frequency of an iodine-stabilized 532-nm laser and an acetylene-stabilized 1542-nm laser. The results are within the uncertainty range of the international recommended values. Our results demonstrate the accurate optical frequency measurement of lasers at different frequencies using the femtosecond optical frequency comb, which is not only important for the precise and accurate traceability and calibration of the laser frequencies, but also provides technical support for establishing the national wavelength standards based on the femtosecond optical frequency comb.     

Frequency-comb-referenced two-wavelength source for absolute distance measurement

We propose a new tunable laser source concept for multiple-wavelength interferometry, offering an unprecedented large choice of synthetic wavelengths with a relative uncertainty better than 10(-11) in vacuum. Two lasers are frequency stabilized over a wide range of frequency intervals defined by the frequency comb generated by a mode-locked fiber laser. In addition, we present experimental results demonstrating the generation of a 90 mum synthetic wavelength calibrated with an accuracy better than 0.2 parts in 10(6). With this synthetic wavelength we can resolve one optical wavelength, which opens the way to absolute distance measurement with nanometer accuracy.     

Absolute measurement of a long, arbitrary distance to less than an optical fringe

A scheme is proposed for high-precision, absolute length measurement for an arbitrary optical distance of a few meters to beyond 10(6) m. The approach utilizes a phase-stabilized femtosecond laser to provide both incoherent, time-of-flight information and coherent, fringe-resolved interferometry. Such a combined measurement capability allows an optical wavelength resolution to be achieved for absolute length measurement over a large dynamic range.     

小型低值LD激光测距仪的测距能力与系统的信噪比

研制成一种小型、便携式、低值、对人眼安全、无合作目标的小型低值半导体LD激光测距仪.工作波长λ=905nm;测距范围14～1000m;测距精度<±1m;重复频率100Hz.有多种工作模式,具有省电功能.它的测距能力优于国内外同类低值LD激光测距仪.LF-1激光测距仪是一种光子雷达系统.本文从光子测距方程、系统结构、信噪比分析角度,讨论了系统的测距能力.     

利用非锁定飞秒激光实现太赫兹频率的精密测量

频率是电磁波最重要的一个基本物理量,随着THz技术的发展,在光源研制、宽带通信、超精细光谱测量等领域都对THz频率的高精度侧量提出了要求.传统的Fabry-Perot干涉法与外差探测法难以实现THz频率的高精度测量,频率梳方法虽然测量精度很高,但测量系统复杂.本文提出一种利用重复频率自由漂移的飞秒激光器实现太赫兹频率精密测量的新方法.通过对非锁定的飞秒激光器的重复频率和THz拍频频率进行同时连续采集与计算,得到被测THz频率,测量精度可以达到10~(-10)量级无需对飞秒激光重复频率进行复杂的锁定控制,测量系统大大简化.     

Photoconductive antenna as local oscillator in terahertz frequency measurement: heterodyne efficiency and bias effect

In a photoconductive antenna (PCA), femtosecond-laser-excited carriers will form a broadband terahertz photon-carrier (PC) comb, and the terahertz PC comb can be used as a multi-frequency local oscillator to carry out heterodyne detection of continuous terahertz sources with high frequency accuracy. In this paper, the heterodyne efficiency and the bias effects of a PCA terahertz PC comb are investigated. The results show that the pair beat signals (with the beat frequencies lower than the repetition frequency of femtosecond laser) of a continuous terahertz source and the two adjacent comb teeth do not decrease with the increase of beat frequency. Applying a bias voltage to the PCA can effectively enhance the terahertz emission efficiency. However, such a bias voltage has no positive effects on the heterodyne detection responsivity because the heterodyne detection is intrinsically based on the terahertz rectification effect that is proportional to the photo-excited electrons. In addition, by using a reference terahertz source with high frequency stability, it is possible to measure the fluctuation and the drift of the repetition frequency of femtosecond lasers with higher accuracy. The results are helpful for improving the performance of terahertz frequency measurement system based on PCA PC combs.     

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.     

Absolute metrology by phase and frequency modulation for multiwavelength interferometry

A fiber interferometer for absolute distance measurements is presented whereby wavelength variation is achieved via a sinusoidal strain modulation of a fiber Bragg grating to generate a series of beat wavelengths. The interferometer employs fiber laser sources where the design is based on the use of narrow-bandwidth fiber Bragg gratings. The accuracy of the beat wavelengths is improved compared to the use of multiple wavelengths measured with conventional optical spectrum analyzers or available wavemeters. Initial measurements are presented for beat wavelengths of 254.74 mm and 27.4 m over an optical path difference of 200 mm and 3.8 m, respectively. Combined with a two (or three) wavelength interferometer, this technique has the potential for ultrahigh dynamic range metrology ranging over several meters while preserving subfringe resolution and a low system complexity.