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.     

基于光梳多波长干涉实时绝对测距的同步相位解调

光梳的出现带来了大尺寸高精度绝对测距(ADM)技术的革新,其卓越的光频特性推动了基于多波长干涉的实时ADM的发展。为在基于光梳多波长干涉的实时ADM中实现干涉信号的同步相位解调,提出了基于多波长外差干涉的多路同步相位解调信号处理方法,研制了相应的同步相位解调模块。实验中通过对波长进行解复用,测试了多路相位计的线性精度、稳定度和同步性等性能,对多波长干涉信号的实时同步相位解调进行了实验分析,验证了该方法实现高精度同步相位解调的可行性。     

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     

基于飞秒光梳互相关的空间精密测距理论模型分析EI北大核心CSCD

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.     

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.     

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。     

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。     

基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统

研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔,每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤,三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件,光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉,以及干涉信号的相位小数重合方法,实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量,三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中,两相邻波长间距约为10nm.系统对公称高度为11mm修正值不大于2.7μm的台阶高度进行测量,测量结果为11.000 059mm.对13.000 090mm绝对距离重复测量20次的标准差为4.4nm.     

波长扫描法布里-珀罗干涉仪的优化设计

分析了可用于绝对距离测量的波长扫描法布里－珀罗干涉仪腔内多光束干涉对输出信号的影响, 及由此产生的相位测量误差。研究表明, 通过选择合适的腔端面反射率和参考腔长度可以减小相位测量误差。优化选择的腔面反射率为０．１０～０．１５, 参考腔长为０．９５ ｍ ｍ , 在１ ｍ ｍ 范围内系统可达到０．０５ μｍ 的测距精度。     

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     

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.     

长干涉腔波长移相计算的自适应相位筛选法

波长移相干涉仪可用于大口径光学元件的测试。其移相量需经过标定方可采用定步长移相算法计算相位分布。在长腔长测试条件下,由于激光器的波长调谐驱动源的精度有限,采用定步长移相算法求解相位分布的精度不高。在分析干涉腔长和波面计算误差的基础上,提出了一种自适应相位筛选计算方法。根据电压-相位标定曲线采集多组周期干涉图,对干涉图中的光强值进行均匀分布抽样后,对其进行随机移相计算,求取每帧干涉图精确的步进移相量,从中筛选出移相量为π/2的四帧干涉图,利用四步移相计算公式求得精确的相位分布。实验结果表明,在波长移相干涉仪中运用该方法,可以很好地解决长腔长测试条件下的相位计算问题,与未进行筛选的计算结果比较,其测试精度得到了显著提高。     

天文光学频率梳及其在天体视向速度高精度测量中的应用

光学频率梳技术用于高分辨率天文光谱仪的波长定标可以大大提高视向速度测量精度,从而为搜寻类地行星、确定宇宙膨胀速度和测量基本物理常数等重大前沿科学问题提供有利的工具.文章结合视向速度测量技术与天文光学频率梳波长定标技术的最新进展,介绍了天文光学频率梳原理及技术,多普勒光谱位移探测天体的原理,以及天文光梳定标高分辨率天文光谱仪未来发展的趋势和展望.     

多波长表面形貌测量系统中波长校准方法

表面形貌测量在光学元件加工制造和表面功能特性评定等方面有着非比寻常的意义。设计一种三波长轮换的表面形貌测量系统,与传统的白光相移干涉扫描等方法相比较,能够有效扩大测量深度以及形貌精度。多波长测量中波长带来的误差会极大的影响测量的精度,需要准确的校准波长。围绕三波长轮换表面形貌干涉测量系统,提出了利用平面镜干涉图校准三个滤光片波长的方法。通过对粗糙度样本的测量实验及计算结果显示:用校准后的波长计算标准方波样板得到的表面粗糙度数据与未使用为校准波长测得的结果相比其精度提高了1.3%,与标准数据相比较其相对误差仅为4.1%。     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

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.     

基于飞秒激光纵模间拍信号的高精度绝对距离测量

针对使用单一频率飞秒激光纵模间拍信号测距时测量分辨力和最大非模糊距离之间的矛盾,提出了一种同时使用不同频率的微波信号对距离进行测量并逐级合成测量结果的方法。分别选取频率为100 MHz和1GHz的纵模间拍信号测量目标距离,之后调整飞秒激光器的重复频率,使1GHz的纵模间拍信号频率变化1 MHz后再次测量,借助频率变化进一步得到更大的合成波长,最后将三次测量的结果逐级合成,在扩展最大非模糊距离的同时保证了测量结果的高精度。实验结果表明,这种方法能够将最大非模糊距离扩展到150m,对目标绝对距离的测量结果不确定度为25.8μm。该方法不需要改变光路结构,测量过程简便,能很好地实现大尺寸高精度的绝对距离测量。     

光纤法布里-珀罗腔传感器双波长解调法及波长优化设计

提出了光纤法布里珀罗(F-P)腔传感器的双通道双波长解调方法,并在此基础上建立了传感器的实验解调系统。理论分析与实验研究了双波长法解调光纤法布里珀罗腔传感器的基本原理,证明了双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。根据已知的法布里珀罗腔传感器初始腔长和腔两端面反射率,从腔长变化的动态范围、线性、灵敏度等方面考虑,对工作波长以及线宽进行了优化设计。对双波长双通道解调系统进行了实验和数据分析,经最小二乘法拟合后的线性拟合度达到98.35%。实验结果表明:该方法可满足解调光纤法布里珀罗腔传感器在灵敏度、响应速度以及稳定度上的要求。