[發(fā)明專利]基于非線性光學(xué)采樣的飛秒激光絕對距離測量裝置及方法

有效

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• 申請日: 2013-07-30
• 公開（公告）號: CN103412299A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張弘元;李巖;吳學(xué)健;楊宏雷;尉昊赟
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01S11/12
• 分類號: G01S11/12
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛秒激光測距領(lǐng)域，特別涉及一種基于非線性光學(xué)采樣的飛秒激光絕對距離測量裝置及方法。

背景技術(shù)

激光由于光子簡并度高，因此具有方向性好、相干長度長等諸多優(yōu)點，在機械制造、空間遙感、衛(wèi)星編隊飛行以及距離測量方面發(fā)揮重要作用。光學(xué)頻率梳是在鎖模激光器基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種寬光譜相干激光光源，其各縱?？伤菰粗令l率基準(zhǔn)。利用其頻率的可溯源性，美國、荷蘭、德國以及韓國等國家相繼開展了基于光學(xué)頻率梳的高精度絕對距離測量工作。2004年，美國物理學(xué)家J.Ye提出利用光學(xué)頻率梳的時域脈沖特性以及頻率相干特性進行絕對距離測量，理論上可以實現(xiàn)優(yōu)于一個光學(xué)波長的分辨精度。2008年，荷蘭學(xué)者M.Cui對J.Ye的方案進行實驗驗證，測量精度在百納米量級。這個實驗方案的不足之處在于，待測長度受到光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍的限制，只能測量某些分立的特定長度，不能實現(xiàn)連續(xù)的絕對距離測量。2009年，I.Coddington提出基于線性光學(xué)采樣的雙光學(xué)頻率梳絕對距離測量方案，采樣時間為60ms，測量誤差為5nm，測量范圍可達30km。這種方案的不足之處在于，測量原理基于線性光學(xué)采樣，兩臺光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率和偏置頻率都需要鎖定，偏置頻率鎖定系統(tǒng)尤其復(fù)雜。2010年，Joohyung?Lee提出基于平衡互相關(guān)的飛行時間絕對距離測量方案，在室外對0.7km的目標(biāo)進行測量實驗，當(dāng)采樣時間為5ms時，測量結(jié)果Allan方差為117nm。這種方案使用非相干測量技術(shù)，但測量原理繼承了J.Ye的方案，因此也只能測量某些分立的長度值。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于非線性光學(xué)采樣的飛秒激光絕對距離測量裝置及方法，不需要鎖定偏置頻率，實現(xiàn)基于飛行時間法的連續(xù)范圍的絕對距離測量，從而拓寬飛秒激光絕對距離測量的應(yīng)用場合。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于非線性光學(xué)采樣的飛秒激光絕對距離測量裝置，包括：

用于實現(xiàn)時域光學(xué)掃描的重復(fù)頻率有差異的第一飛秒激光頻率梳1和第二飛秒激光頻率梳2；

用于產(chǎn)生待測距離的邁克爾遜干涉測距裝置；

用于當(dāng)兩臺飛秒激光頻率梳的光脈沖時域重合時產(chǎn)生倍頻光信號的第二類相位匹配非線性光學(xué)倍頻結(jié)構(gòu)；

用于探測倍頻光信號并通過差分方式處理所探測的數(shù)據(jù)、提取過零點在數(shù)組中的序號、計算參考臂與測量臂長度差的數(shù)據(jù)采集和處理單元。

所述邁克爾遜干涉測距裝置包括二分之一波片HWP1、偏振分光棱鏡PBS1、四分之一波片QWP1、四分之一波片QWP2，寬光譜反射鏡M1和寬光譜反射鏡M2，第一飛秒激光頻率梳1發(fā)出的光脈沖經(jīng)過二分之一波片HWP1后在偏振分光棱鏡PBS1形成正交偏振光，正交偏振光的一路經(jīng)四分之一波片QWP1后入射至寬光譜反射鏡M1，另一路經(jīng)四分之一波片QWP2后入射至寬光譜反射鏡M2，兩路光的偏振狀態(tài)分別被旋轉(zhuǎn)90°后又反射回偏振分光棱鏡PBS1，并在偏振分光棱鏡PBS1合光。

所述寬光譜反射鏡M1和寬光譜反射鏡M2上鍍金或銀。

所述第二類相位匹配非線性光學(xué)倍頻結(jié)構(gòu)包括二分之一波片HWP2、二分之一波片HWP3、偏振分光棱鏡PBS2、倍頻聚焦透鏡L1、倍頻聚焦透鏡L2、第二類相位匹配非線性倍頻晶體C1、第二類相位匹配非線性倍頻晶體C2、倍頻耦合透鏡L3和倍頻耦合透鏡L4；來自偏振分光棱鏡PBS1的合光經(jīng)過二分之一波片HWP3后入射到偏振分光棱鏡PBS2，第二飛秒激光頻率梳2發(fā)出的光脈沖經(jīng)過二分之一波片HWP2后入射到偏振分光棱鏡PBS2，兩束光在偏振分光棱鏡PBS2合光形成正交偏振光，正交偏振光的一路依次經(jīng)倍頻聚焦透鏡L1、第二類相位匹配非線性倍頻晶體C1和倍頻耦合透鏡L3后輸入至數(shù)據(jù)采集和處理單元，另一路依次經(jīng)倍頻聚焦透鏡L2、第二類相位匹配非線性倍頻晶體C3和倍頻耦合透鏡L4后輸入至數(shù)據(jù)采集和處理單元。

所述數(shù)據(jù)采集和處理單元包括探測器D1、探測器D2和高速數(shù)據(jù)采集卡以及控制單元3，探測器D1接收來自倍頻耦合透鏡L3的一路光，探測器D2接收來自倍頻耦合透鏡L4的一路光，接收信號均送至高速數(shù)據(jù)采集卡以及控制單元3進行處理。

所述高速數(shù)據(jù)采集卡以及控制單元3使用與第二飛秒激光頻率梳2相同的頻率對探測器D1和探測器D2進行采樣。