[發明專利]一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距裝置及方法

有效

• 申請號: 201710914996.0
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107764189B
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發明（設計）人: 武騰飛;王少峰;韓繼博
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01S17/08
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張利萍

1.一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距裝置，包括飛秒激光光源、原子鐘、邁克爾遜干涉測距裝置、波片HWP4、偏振分光棱鏡PBS、平衡光學互相關組件、光電探測設備、伺服控制設備和頻率計數器；

所述的飛秒激光光源用于向光學測量系統提供穩定光源；

所述的邁克爾遜干涉測距裝置用于產生待測距離；

所述的波片HWP4用于保證來自邁克爾遜干涉測距裝置的光脈沖的正交偏振方向和偏振分光棱鏡PBS的偏振方向吻合；

所述的平衡光學互相關組件用于提取平衡光學互相關信號；

所述的光電探測設備用于將光信號轉化為電信號；

所述的伺服控制設備用于飛秒激光器重復頻率鎖定；

所述的原子鐘用于為飛秒激光器重復頻率的鎖定和頻率計數器提供參考，實現測量基準的溯源；

其特征在于：

還包括長度為m的單模長光纖和波片HWP5；

所述的波片HWP5用于保證來自長度為m的單模長光纖光路的光脈沖的正交偏振方向和偏振分光棱鏡PBS的偏振方向吻合；

由飛秒激光光源發出飛秒脈沖，所述的飛秒脈沖分為兩束，一束進入邁克爾遜干涉測距裝置，邁克爾遜干涉測距裝置的輸出光束經過波片HWP4調整偏振態；另一束進入長度為m的單模長光纖，并經過波片HWP5調整偏振態；所述的經過波片HWP4調整偏振態的光束和經過波片HWP5調整偏振態的光束在偏振分光棱鏡PBS處合光，經過光電探測設備轉換成光電信號，經過平衡光學互相關組件得到互相關信號，伺服控制設備將飛秒激光器的重復頻率鎖定到原子鐘上。

2.如權利要求1所述的一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距裝置，其特征在于：所述的邁克爾遜干涉測距裝置包括波片HWP1、波片HWP2、波片HWP3、分光棱鏡BS、參考反射鏡M1、目標反射鏡M2；飛秒激光光源發出的光脈沖經波片HWP1入射至分光棱鏡BS分光，一路經波片HWP2入射至參考反射鏡M1，另一路經波片HWP3入射至目標反射鏡M2，兩路光經反射鏡反射返回分光棱鏡BS；

所述的波片HWP1用于調節輸入邁克爾遜干涉測距裝置參考反射鏡M1和目標反射鏡M2的光功率；

所述的分光棱鏡BS用于將輸入的飛秒脈沖分為兩束正交光。

3.如權利要求2所述的一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距裝置，其特征在于：所述的平衡光學互相關組件包括兩對雙色鏡、一個倍頻晶體、一個雙折射晶體、一對凸透鏡、平衡光電探測設備；

所述的兩對雙色鏡用來分離基頻光和倍頻光；

所述的一個倍頻晶體用于實現倍頻功能；

所述的一個雙折射晶體用于補償延時；

所述的一對凸透鏡用于匯聚光束；

所述的平衡光電探測設備用于將倍頻光轉換成電信號。

4.如權利要求3所述的一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距裝置，其特征在于：所述的平衡光電探測設備具有兩個光電探測通道，能夠同時輸出兩個通道的光強信號以及兩信號之差；平衡光電探測設備輸出的電信號S為兩束倍頻光光強之差，表達式為：

其中I₁₀、I₂₀分別為通過晶體前后的基頻光強，L為倍頻晶體的長度，T₁、T₂分別為兩路脈沖的脈沖寬度，Δt為長度為m的單模長光纖光路脈沖與參考脈沖或測量脈沖在晶體中固定時間延遲，τ為長度為m的單模長光纖光路脈沖與參考脈沖或測量脈沖進入晶體前的時間延遲；參考脈沖或測量脈沖相對長度為m的單模長光纖光路脈沖的時間延遲決定平衡光學互相關信號的大小。

5.一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距方法，基于權利要求1、2、3或4所述的一種大范圍重頻調制的飛秒激光絕對測距裝置實現，其特征在于：具體實現方法包括如下步驟：

步驟一：遮擋住邁克爾遜干涉測距裝置中的測量光路，測量長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中的參考光路之差；調諧重復頻率f_rep，并測量邁克爾遜干涉測距裝置中的參考臂和長度為m的單模長光纖光路傳送的兩個相鄰脈沖的時間間隔Δt；當脈沖重復頻率為f_rep1時，在通過邁克爾遜干涉測距裝置中參考臂和長度為m的單模長光纖光路不同臂傳送的兩個脈沖序列之間具有Δt1的時間間隔；當重復頻率增加到f_rep2，通過不同臂傳送的兩個相鄰脈沖之間具有相對于時間間隔Δt1更小的時間間隔Δt2；

則參考臂和光纖光路之間的路徑差滿足：

式中ΔL₁為長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中參考光路之差的粗略值；m₁為長度為m的單模光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中參考臂之間的脈沖整數倍；c為光速；n為空氣折射率；f_rep1、f_rep2為重復頻率；Δt1、Δt2由示波器探測得出，f_rep1、f_rep2通過頻率計數器得到，進而確定m₁；

利用伺服控制設備控制飛秒激光器的腔長，調諧飛秒激光脈沖的間隔，將長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中參考臂之間的飛秒激光脈沖數鎖定在整數m₁；通過測量飛秒激光器的重復頻率，精確地確定脈沖間隔，從而精確地確定邁克爾遜干涉測距裝置中測距光路的飛行時間；通過：得到長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中參考光路之差ΔL₁的精確值；

步驟二：測量長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中測量光路之差；首先擋住邁克爾遜干涉測距裝置中參考光路，調諧飛秒激光器重復頻率f_rep，并測量邁克爾遜干涉測距裝置中測量臂和長度為m的單模長光纖傳送的兩個相鄰脈沖的時間間隔Δt；根據步驟一求出長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中參考光路之差ΔL₂的精確值；

步驟三：長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中參考光路之差減去長度為m的單模長光纖光路與邁克爾遜干涉測距裝置中測量光路之差得到邁克爾遜干涉測距裝置中參考臂與測量臂的距離差，所述的邁克爾遜干涉測距裝置中參考臂與測量臂的距離差即為待測距離，即實現大范圍重頻調制的飛秒激光絕對距離測量。