本發(fā)明涉及一種基于變頻干涉原理的飛秒激光測長裝置及方法，屬于長度測量技術領域。

背景技術：

測長技術是人類最重要的基本工程技術之一。目前的使用測距方式的測長技術主要有時間法和空間法兩類?？臻g法主要采用各種尺子直接測量距離和描述空間，如使用卡尺、皮尺、鋼卷尺等等，距離有限并且準確度也有限。使用光波長作為尺子的測量方法即是通常的干涉測量法，可以獲得更高的測量準確度和更長的距離。時間法主要借助于各種波動在空間或媒介中傳輸所需要的時間的測量，在均勻介質內傳播速度恒定、傳播方向不變的假設條件下獲得空間距離，可以測量特別遠的距離。例如使用聲波、電磁波、光波等手段的各種雷達、測距機等等。但這些時間法使用的多數(shù)為脈沖測距原理，其測量準確度受到一定限制，不易達到很高。

以飛秒激光干涉測距為原理的測量方法，使用重復頻率異常穩(wěn)定的脈沖飛秒激光為激勵光源，相當于在空中使用了一把具有精確刻度的精確激光尺，理論上可以獲得更高的測量準確度，以及實現(xiàn)更遠的測量距離。

但是，在飛秒激光干涉測距的測量原理中，它共包含兩方面的內涵，一方面，待測距離是由測量臂和參考臂光程差所對應的空間距離；它共包含兩部分，一部分是由光程差所包含信號重復周期個數(shù)(也稱為測量節(jié)距個數(shù))所對應的空間距離，另一部分是小于一個重復周期的時間差所對應的空間距離(小于一個節(jié)距的距離部分)，由相位差對應的時間差與光速乘積獲得。當測量臂的信號與參考臂的信號產生空間相干重疊時，小于一個節(jié)距的距離部分為0，從而只有整數(shù)個節(jié)距的距離部分。確定了節(jié)距個數(shù)即可獲得待測距離。

另一方面，飛秒激光干涉測距原理的實現(xiàn)上，需要使用同時微調飛秒激光重復頻率和參考臂長度，以滿足測量臂和參考臂的光程差達到相干重疊條件，并且兩次調節(jié)過程中重復周期個數(shù)相差要求為1，從而使用解方程方法確定節(jié)距個數(shù)，進而由節(jié)距個數(shù)確定待測距離。這個干涉條件的調節(jié)要求比較苛刻，需要人工仔細調節(jié)方可實現(xiàn)僅差1個節(jié)距的要求，導致飛秒激光重復頻率的調節(jié)范圍極窄，對調節(jié)分辨力要求苛刻，一旦范圍過寬、或調節(jié)分辨力不夠，將無法實現(xiàn)只相差一個節(jié)距的要求，因此比較難以實現(xiàn)儀器自身的自動化調節(jié)，僅適合實驗室內進行原理研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的飛秒激光干涉測距方法中測量臂和參考臂產生相干重疊的條件調整比較苛刻嚴格，不利于自動化實現(xiàn)的缺點，提出一種基于變頻相干重疊原理的飛秒激光測長裝置及方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。

一種基于變頻干涉原理的飛秒激光測長裝置，包括重復頻率可以控制的飛秒激光頻率梳、偏振片、折光鏡、偏振分光鏡、精密位移平臺、參考反射鏡、測量物鏡、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機。

飛秒激光頻率梳用于產生重復頻率f_req的飛秒激光，偏振片用于調整激光偏振方向，折光鏡用于進行反射測量光；偏振分光鏡將飛秒激光一分為二，分別去往參考臂和測量臂，精密位移平臺用于微調參考臂的臂長，參考鏡為將參考臂的參考光反射回去，測量物鏡用于將照射到測量臂上待測目標的測量光反射回去，光電探測器，用于將光信號變成電信號，并根據(jù)其信號的強弱判定是否出于最佳相干重疊狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測量光電探測器的信號并將其傳給計算機，計算機用于計算飛秒激光的節(jié)距以及求解節(jié)距個數(shù)，并給出距離測量結果。

一種基于變頻干涉原理的飛秒激光測長裝置的測長方法，實現(xiàn)步驟如下：

飛秒激光是脈沖光。使用脈沖測距原理測量目標點到發(fā)射端的距離。設光速c＝299792458m/s，飛秒激光頻率梳的重復頻率為f_rep，其“干涉節(jié)距”l_pp＝c/f_rep。飛秒激光經(jīng)過折光鏡反射，到達偏振分光鏡，被一分為二，一路沿著參考臂到達位移臺上的考鏡反射鏡，經(jīng)參考反射鏡反射，穿透偏振分光鏡到達光電探測器，另外一路經(jīng)過測量臂到達測量物鏡，經(jīng)測量物鏡反射回來，再經(jīng)偏振分光鏡反射到達光電探測器與參考臂來的光合束干涉，從而產生強度隨相干重疊狀態(tài)而變化的電信號，當調整飛秒激光的重復頻率使得照射到光電探測器上的測量光與參考光完全相干重疊時，測量臂與參考臂的光程差恰好等于整數(shù)個測量節(jié)距。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測量光電探測器的信號并將其傳給計算機，計算機首先用于進行測量光和參考光相干重疊的判斷，然后用于計算飛秒激光的節(jié)距以及求解節(jié)距個數(shù)，并給出距離測量結果。

由于飛秒脈沖具有相干性，即光程差在l_pp的整倍數(shù)的一些離散的位置時產生相干重疊導致光電探測器獲得的脈沖峰值信號最強，因此為測量任意位置的距離必須對參考臂的長度進行調節(jié)以達到相干重疊后進行測量。

設飛秒激光頻率梳的重復頻率為f_rep＝f₁，其“干涉節(jié)距”l_p1＝c/f₁。通過調節(jié)獲得測量參考臂長L_c1，獲得了干涉現(xiàn)象。則有干涉測距方程為：

$L_D+L_{c1}=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_{c1}---\left(1\right)$

即

$L_D=\frac{M\·l_{p1}}{2}$

其中，l_p1＝c/f₁為對應于飛秒激光重復頻率f₁的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；M為測量臂與參考臂L_c1間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p1的整倍數(shù)值。AB為初始零距離位置線，即測量物鏡在該位置時，參考臂與測量臂的光程差為0。

其它不變，僅微調飛秒激光重復頻率為f₂，并且滿足條件f₂與f₁沒有簡單的倍數(shù)關系。其“干涉節(jié)距”l_p2＝c/f₂。通過調節(jié)獲得測量參考臂長L_c2，即參考臂比初始位置伸長了L_c2-L_c1，移動獲得干涉現(xiàn)象。則有干涉測距方程為：

$L_D=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_{c1}-L_{c2}---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂為對應于飛秒激光重復頻率f₂的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；N為測量臂與參考臂L_c2間的光程差對應的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p2的整倍數(shù)值。

由于測長裝置的量程是有限的，設其最大量程為L_Dm，則有由式(2)和(1)所測距離L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1-N·l_p2＝L_c1-L_c2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm條件下解不定方程(3)的唯一整數(shù)解M、N。

若整數(shù)解唯一，則由式(1)計算獲得被測距離L_D。

若整數(shù)解不唯一，則需要繼續(xù)微調飛秒激光重復頻率為f₃，并且滿足條件f₃與f₁和f₂均沒有簡單的倍數(shù)關系，其“干涉節(jié)距”l_p3＝c/f₃。通過調節(jié)獲得測量參考臂長L_c3，獲得干涉現(xiàn)象。則有干涉測距方程為：

$L_D=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_{c3}---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃為對應于飛秒激光重復頻率f₃的“干涉節(jié)距”，Q為待測距離L_D與參考臂L_c3間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p3的整倍數(shù)值。

可得：

M·l_p1-Q·l_p3＝L_c1-L_c3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解滿足Q·l_p3＜2L_Dm條件下，不定方程(3)的唯一整數(shù)解M、Q。

若整數(shù)解唯一，則由式(3)計算獲得被測距離L_D。否則重復該過程，直到尋找到唯一解為止。獲得待測距離L_D。

有益效果

本發(fā)明與傳統(tǒng)測量方法相比，干涉法測距不需進行相位測量，且可望具有更遠的測量距離，方法簡捷，算法收斂并且容易實現(xiàn)。

其次，本發(fā)明在同時微調飛秒激光重復頻率和參考臂長度時，可以任意調節(jié)測量參考臂長和飛秒激光的重復頻率，以滿足測量臂和參考臂的光程差達到干涉條件，不再要求兩次調節(jié)過程中重復周期個數(shù)相差為1，然后使用解不定方程方法確定兩個重復頻率所分別對應的節(jié)距個數(shù)，進而由某一個重復頻率的節(jié)距個數(shù)和對應的節(jié)距等確定待測距離。該方法適合儀器自身的自動化調節(jié)實現(xiàn)干涉測量條件，從而是一種適用于實現(xiàn)飛秒激光測距儀器的測量方法。

另外，本發(fā)明所述方法可用于不進行參考臂長調節(jié)而僅僅調節(jié)飛秒激光脈沖頻率的情況，此時，L_c2-L_c1，僅需要更加仔細調節(jié)頻率值使其滿足上述測距方程所需的測量光與參考光產生相干重疊條件而已。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1所述方案的裝置結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2所述方案的裝置結構示意圖；

其中，1-飛秒激光頻率梳1、2-偏振片、3-折光鏡、4-偏振分光鏡、5-精密位移平臺、6-參考反射鏡、7-測量物鏡、8-光電探測器、9-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、10-計算機。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例1：

如圖1所示，一種基于變頻干涉原理的飛秒激光測長方法和裝置，包括重復頻率可以控制的飛秒激光頻率梳(1)，偏振片(2)，折光鏡(3)，偏振分光鏡(4)，精密位移平臺(5)，參考反射鏡(6)，測量物鏡(7)，光電探測器(8)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)，計算機(10)。

飛秒激光頻率梳(1)用于產生重復頻率f_req的飛秒激光，偏振片(2)用于調整激光偏振方向，折光鏡(3)用于進行反射側測量光；偏振分光鏡(4)將飛秒激光一分為二，分別去往參考臂和測量臂，精密位移平臺(5)用于微調參考臂的臂長，參考反射鏡(6)為將參考臂的參考光反射回去，測量物鏡(7)用于將照射到測量臂上的待測目標的測量光反射回去，光電探測器(8)，用于將光信號變成電信號，并根據(jù)其信號峰值的強弱判定是否出于最佳相干重疊狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)于測量光電探測器的信號并將其傳給計算機(10)，計算機(10)首先用于進行測量光和參考光相干重疊的判斷，然后用于計算飛秒激光的節(jié)距以及求解節(jié)距個數(shù)，并給出距離測量結果。

一種基于變頻干涉原理的飛秒激光測長裝置的測長方法，具體實現(xiàn)步驟如下：

設飛秒激光頻率梳(1)的重復頻率為f_rep＝f₁＝300MHz，其“干涉節(jié)距”l_p1＝c/f₁＝c/300000000。通過調節(jié)獲得測量參考臂長L_c1，獲得相干重疊現(xiàn)象，確定0距離刻度線AB。則有干涉測長方程為：

$L_D+L_{c1}=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_{c1}---\left(1\right)$

其中，l_p1＝c/f₁為對應于飛秒激光重復頻率f₁的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；M為測量臂與參考臂L_c1間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p1的整倍數(shù)值。AB為初始零距離位置線，即測量物鏡(7)在該位置時，參考臂與測量臂的光程差為0。

其它不變，僅微調飛秒激光重復頻率為f₂＝299.876543MHz，并且滿足條件f₂與f₁沒有簡單的倍數(shù)關系。其“干涉節(jié)距”l_p2＝c/f₂＝c/299876543。通過調節(jié)獲得測量參考臂長L_c2，獲得相干重疊現(xiàn)象。則有干涉測距方程為：

$L_D=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_{c1}-L_{c2}---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂為對應于飛秒激光重復頻率f₂的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；N為測量臂與參考臂L_c2間的光程差對應的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p2的整倍數(shù)值。

由于測長裝置的量程是有限的，設其最大量程為L_Dm，則有由式(2)和(1)所測距離L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1-N·l_p2＝L_c1-L_c2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm條件下解不定方程(3)的唯一整數(shù)解M、N。

若整數(shù)解唯一，則由式(1)計算獲得被測距離L_D。

若整數(shù)解不唯一，則需要繼續(xù)微調飛秒激光重復頻率為f₃，并且滿足條件f₃與f₁和f₂均沒有簡單的倍數(shù)關系，其“干涉節(jié)距”l_p3＝c/f₃。通過調節(jié)獲得測量參考臂長L_c3，獲得干涉現(xiàn)象。則有干涉測距方程為：

$L_D=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_{c1}-L_{c3}---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃為對應于飛秒激光重復頻率f₃的“干涉節(jié)距”，Q為待測距離L_D與測量臂L_c3間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p3的整倍數(shù)值。

可得：

M·l_p1-Q·l_p3＝L_c1-L_c3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解滿足Q·l_p3＜2L_Dm條件下，不定方程(3)的唯一整數(shù)解M、Q。

若整數(shù)解唯一，則由式(3)計算獲得被測距離L_D。否則重復該過程，直到尋找到唯一解為止。獲得待測距離L_D。

實施例2：固定參考臂長和僅僅進行頻率微調方式的飛秒激光干涉測距。

一種基于變頻干涉原理的飛秒激光測長方法和裝置，如圖2所示，包括重復頻率可以控制的飛秒激光頻率梳(1)，偏振片(2)，折光鏡(3)，偏振分光鏡(4)，參考反射鏡(6)，測量物鏡(7)，光電探測器(8)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)，計算機(10)。具體過程如下：

設定測量裝置的參考臂長為固定不變的恒定值L_c。

通過調節(jié)飛秒激光頻率梳1的重復頻率獲得相干重疊現(xiàn)象，設此時其重復頻率為f_rep＝f₁＝300MHz其“干涉節(jié)距”l_p1＝c/f₁＝c/300000000。則有干涉測距方程為：

$L_D+L_c=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_c---\left(1\right)$

其中，l_p1＝c/f₁為對應于飛秒激光重復頻率f₁的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；M為測量臂與參考臂L_c間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p1的整倍數(shù)值。

其它不變，僅微調飛秒激光頻率梳(1)的重復頻率獲得相干重疊現(xiàn)象，設此時其重復頻率為f_rep＝f₂＝299.876543MHz，其“干涉節(jié)距”l_p2＝c/f₂＝c/299876543。則有干涉測距方程為：

$L_D+L_c=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_c---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂為對應于飛秒激光重復頻率f₂的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；N為測量臂與參考臂L_c間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p2的整倍數(shù)值。

由于測長裝置的量程是有限的，設其最大量程為L_Dm，則有由式(2)和(1)所測距離L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1＝N·l_p2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm條件下解不定方程(3)的唯一整數(shù)解M、N。

若整數(shù)解唯一，則由式(1)計算獲得被測距離L_D。

若整數(shù)解不唯一，則需要繼續(xù)微調飛秒激光重復頻率獲得干涉現(xiàn)象，設此時其重復頻率為f_rep＝f₃，其“干涉節(jié)距”l_p3＝c/f₃。則有干涉測距方程為：

$L_D+L_c=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_c---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃為對應于飛秒激光重復頻率f₃的“干涉節(jié)距”，待測距離L_D；Q為測量臂與參考臂L_c間的距離差值包含的測量節(jié)距l(xiāng)_p3的整倍數(shù)值。

可得：

M·l_p1＝Q·l_p3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解滿足Q·l_p3＜2L_Dm條件下，不定方程(5)的唯一整數(shù)解M、Q。

若整數(shù)解唯一，則由式(3)計算獲得被測距離L_D。否則重復該過程，直到尋找到唯一解為止。獲得待測距離L_D。

以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。