專利名稱：一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距方法及測(cè)距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種距離測(cè)量方法及測(cè)距系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種適用于絕對(duì)距離測(cè)量的飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距方法及測(cè)距系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飛秒激光頻率梳是指將飛秒脈沖激光器的重復(fù)頻率(f_，簡(jiǎn)稱重頻)和相位偏移頻率(f_)與頻率基準(zhǔn)源鎖定后的裝置。飛秒激光頻率梳發(fā)出的激光在時(shí)域上由一系列等間隔的超短激光脈沖(脈寬為若干飛秒)組成，對(duì)應(yīng)頻域上存在一系列等間隔的離散光譜線(光譜線看起來(lái)像一把梳子，因此稱為頻率梳)，相鄰光譜線的頻率間隔等于飛秒激光器的重頻，這些光譜線覆蓋的光譜范圍為數(shù)十納米。這種時(shí)域和頻域的特性對(duì)激光絕對(duì)距離測(cè)量非常有利，因此近十年來(lái)，飛秒激光頻率梳廣泛應(yīng)用于激光絕對(duì)距離測(cè)量的研究中?，F(xiàn)有技術(shù)中最常用的方法是利用飛秒激光頻率梳脈沖等間隔的特性，在測(cè)量時(shí)將飛秒激光頻率梳發(fā)出的光發(fā)射到一個(gè)邁克爾遜干涉儀上，并將參考臂和測(cè)量臂返回的脈沖合光并通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖之間的相對(duì)位置關(guān)系與參考臂和測(cè)量臂本身的臂長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)測(cè)量臂與參考臂臂長(zhǎng)之差(即被測(cè)距離D)等于相鄰脈沖光程間隔(Dp_p=c/f_，c為真空中光速，)一半的m(m為整數(shù))倍時(shí)，從測(cè)量臂與參考臂回來(lái)的脈沖能夠發(fā)生疊加，光電探測(cè)器上輸出對(duì)應(yīng)的峰值信號(hào)。測(cè)量一段未知距離時(shí)，通過(guò)改變飛秒激光頻率梳的重頻，從而改變Dp_p，使得測(cè)量臂與參考臂回來(lái)的脈沖疊加的信號(hào)峰值最大(認(rèn)為此時(shí)兩脈沖對(duì)準(zhǔn))，此時(shí)被測(cè)距離可以表示為D = mDp_p/(2ng)，ng為脈沖序列在空氣中的群折射率，其中Dp_p可以通過(guò)頻率計(jì)精確測(cè)量后計(jì)算得到，一般在米量級(jí)，ng可以依據(jù)測(cè)量的大氣參數(shù)根據(jù)折射率計(jì)算公式得到。因此只要通過(guò)常規(guī)手段(如脈沖激光測(cè)距儀)粗測(cè)距離確定m后，即可以得到距離D。通過(guò)上述分析可知，影響該方法測(cè)距精度的關(guān)鍵因素就是兩個(gè)脈沖的對(duì)準(zhǔn)誤差，而通過(guò)判斷信號(hào)峰值最大來(lái)確定脈沖是否對(duì)準(zhǔn)的方法(本發(fā)明稱之為“找極值法”)精度較為有限，從而影響了測(cè)量精度。目前對(duì)于距離測(cè)量精度最高的手段是單波長(zhǎng)的激光外差干涉法，但是這種方法在測(cè)量絕對(duì)距離時(shí)必須解決確定干涉條紋變化級(jí)次(俗稱干涉相位的“大數(shù)”)的問(wèn)題，而要確定這個(gè)大數(shù)，需要對(duì)距離的粗側(cè)精度優(yōu)于四分之一的單波長(zhǎng)，由于上述飛秒激光頻率梳測(cè)距中的找極值法無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)于四分之一單波長(zhǎng)的精度，因此無(wú)法直接用單波長(zhǎng)的激光外差干涉來(lái)提高找極值法的測(cè)距精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用雙波長(zhǎng)形成的合成波長(zhǎng)作為橋梁，將外差干涉相位和“找極值法”銜接起來(lái)用于脈沖對(duì)準(zhǔn)的飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距方法及測(cè)距系統(tǒng)，能夠有效提高測(cè)量的精度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距方法，其包括以下步驟:1)設(shè)置一包括有飛秒激光頻率梳和邁克爾遜干涉系統(tǒng)的飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第一反射鏡、第二分光鏡、第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路、第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路、第二反射鏡和第三反射鏡，經(jīng)所述第一反射鏡反射回到所述第一分光鏡的脈沖為測(cè)量臂脈沖，經(jīng)所述第二分光鏡和第三反射鏡反射并經(jīng)所述第二分光鏡合成的光脈沖為參考臂脈沖；2)將所述第一反射鏡放置在基線位置處，并微調(diào)所述第一反射鏡的位置，使得參考臂脈沖和測(cè)量臂光脈沖外差干涉信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大，假設(shè)此時(shí)參考臂脈沖的第i個(gè)脈沖和測(cè)量臂脈沖的第j個(gè)脈沖發(fā)生疊加，二者尖峰之間的位移偏差為S1，此時(shí)狀態(tài)標(biāo)記為狀態(tài)I，參考臂脈沖和測(cè)量臂
脈沖所對(duì)應(yīng)的外差干涉信號(hào)的相位分別記為:為1和#，重頻記為/ p相鄰脈沖光程間隔為
DJ =c/ftlp，其中c為真空中光速；3)將所述第一反射鏡放置在待測(cè)位置處，將該位置和基
線之間的距離記為待測(cè)距離L，采用“找極值法”進(jìn)行粗調(diào)，即:改變所述飛秒激光頻率梳的重頻，使得參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖外差干涉信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大，假設(shè)參考臂脈沖的第i個(gè)脈沖和測(cè)量臂脈沖的第j+b個(gè)脈沖發(fā)生疊加，二者尖峰之間的位移偏差為S11,將此時(shí)
狀態(tài)標(biāo)記為狀態(tài)II，參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖對(duì)應(yīng)的外差干涉信號(hào)的相位分別記為和
#2n，重頻記為Zup相鄰脈沖光程間隔為，其中c為真空中光速；4)計(jì)算被測(cè)距離L:
權(quán)利要求
1.一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距方法，其包括以下步驟: 1)設(shè)置一包括有飛秒激光頻率梳和邁克爾遜干涉系統(tǒng)的飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第一反射鏡、第二分光鏡、第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路、第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路、第二反射鏡和第三反射鏡，經(jīng)所述第一反射鏡反射回到所述第一分光鏡的脈沖為測(cè)量臂脈沖，經(jīng)所述第二分光鏡和第三反射鏡反射并經(jīng)所述第二分光鏡合成的光脈沖為參考臂脈沖； 2)將所述第一反射鏡放置在基線位置處，并微調(diào)所述第一反射鏡的位置，使得參考臂脈沖和測(cè)量臂光脈沖外差干涉信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大，假設(shè)此時(shí)參考臂脈沖的第i個(gè)脈沖和測(cè)量臂脈沖的第j個(gè)脈沖發(fā)生疊加，二者尖峰之間的位移偏差為S工，此時(shí)狀態(tài)標(biāo)記為狀態(tài)I，參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖所對(duì)應(yīng)的外差干涉信號(hào)的相位分別記為#和<，重頻記為/i，相鄰脈沖光程間隔為，其中c為真空中光速； 3)將所述第一反射鏡放置在待測(cè)位置處，將該位置和基線之間的距離記為待測(cè)距離L，采用“找極值法”進(jìn)行粗調(diào)，即:改變所述飛秒激光頻率梳的重頻，使得參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖外差干涉信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大，假設(shè)參考臂脈沖的第i個(gè)脈沖和測(cè)量臂脈沖的第j+b個(gè)脈沖發(fā)生疊加，二者尖峰之間的位移偏差為8 n，將此時(shí)狀態(tài)標(biāo)記為狀態(tài)II，參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖對(duì)應(yīng)的外差干涉信號(hào)的相位分別記為:^111和#，重頻記為/jp，相鄰脈沖光程間隔為1 Dpnp=c/0其中c為真空中光速； 4)計(jì)算被測(cè)距離L:
2.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述測(cè)距方法的飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:它包括一飛秒激光頻率梳、一邁克爾遜干涉系統(tǒng)、一衍射光柵、兩光電探測(cè)器和一計(jì)算機(jī)，所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第一反射鏡、第二分光鏡、第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路、第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路、第二反射鏡和第三反射鏡；所述第二分光鏡到所述第二反射鏡的距離與所述第二分光鏡到所述第三反射鏡的距離相同； 所述飛秒激光頻率梳發(fā)出的光脈沖序列入射到所述第一分光鏡，經(jīng)所述第一分光鏡透射的光發(fā)射到第一反射鏡，經(jīng)所述第一反射鏡反射的光作為測(cè)量臂脈沖返回到所述第一分光鏡; 經(jīng)所述第一分光鏡反射的光發(fā)射到所述第二分光鏡，經(jīng)所述第二分光鏡反射的光經(jīng)所述第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路發(fā)射到所述第二反射鏡，經(jīng)所述第二反射鏡反射的光又經(jīng)所述第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路返回到所述第二分光鏡；經(jīng)所述第二分光鏡透射的光經(jīng)所述第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路發(fā)射到所述第三反射鏡，經(jīng)所述第三反射鏡反射的光又經(jīng)所述第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路返回到所述第二分光鏡；經(jīng)所述第二反射鏡反射的光和經(jīng)所述第三反射鏡反射的光在所述第二分光鏡處合光； 所述合光光束作為參考臂光脈沖發(fā)射到所述第一分光鏡與測(cè)量臂光脈沖合光后發(fā)射到所述衍射光柵，所述衍射光柵將兩個(gè)波長(zhǎng)的外差干涉信號(hào)分開(kāi)，并分別由所述第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器探測(cè)接收，兩個(gè)光電探測(cè)器分別將所測(cè)得的信號(hào)發(fā)送到所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，完成距離測(cè)量。
3.如權(quán)利要求2所述的一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路包括一聲光調(diào)制器，通過(guò)調(diào)節(jié)所述第二反射鏡的角度，得到窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)，并且通過(guò)所述聲光調(diào)制器對(duì)所述窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)產(chǎn)生頻移。
4.如權(quán)利要求2所述的一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路包括一窄帶帶通濾波片和一聲光調(diào)制器，通過(guò)窄帶帶通濾波片對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇，得到窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)，并通過(guò)所述聲光調(diào)制器對(duì)所述窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)產(chǎn)生頻移。
5.如權(quán)利要求2或3或4所述的一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路包括一聲光調(diào)制器，通過(guò)調(diào)節(jié)所述第三反射鏡的角度，得到窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)，并通過(guò)所述聲光調(diào)制器對(duì)所述窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)產(chǎn)生頻移。
6.如權(quán)利要求2或3或4所述的一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路包括一窄帶帶通濾波片和一聲光調(diào)制器，通過(guò)所述窄帶帶通濾波片對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇，得到窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)，并通過(guò)所述聲光調(diào)制器對(duì)所述窄帶單一波長(zhǎng)光信號(hào)產(chǎn)生頻移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距方法及測(cè)距系統(tǒng)，它包括飛秒激光頻率梳和邁克爾遜干涉系統(tǒng)等，飛秒激光頻率梳發(fā)出的光入射到第一分光鏡，經(jīng)第一分光鏡透射光發(fā)射到第一反射鏡，經(jīng)第一反射鏡反射光返回到第一分光鏡；經(jīng)第一分光鏡反射光發(fā)射到第二分光鏡，經(jīng)第二分光鏡反射光經(jīng)第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路發(fā)射到第二反射鏡，經(jīng)第二反射鏡反射光又經(jīng)第一單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路返回到第二分光鏡；經(jīng)第二分光鏡透射光經(jīng)第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路發(fā)射到第三反射鏡，經(jīng)第三反射鏡反射光又經(jīng)第二單波長(zhǎng)產(chǎn)生及移頻光路返回到第二分光鏡；經(jīng)第二反射鏡反射光和經(jīng)第三反射鏡反射光在第二分光鏡處合光，并與測(cè)量臂光脈沖合光，兩個(gè)波長(zhǎng)的干涉信號(hào)由衍射光柵分開(kāi)后分別由兩光電探測(cè)器探測(cè)接收，完成距離測(cè)量。
文檔編號(hào)G01S17/32GK103197322SQ20131012268
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者吳冠豪 申請(qǐng)人:清華大學(xué)