[發(fā)明專利]一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)測(cè)距裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710914996.0
• 申請(qǐng)日: 2017-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107764189B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武騰飛;王少峰;韓繼博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/02
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/02;G01S17/08
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 張利萍

本發(fā)明公開(kāi)的一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)距離測(cè)量的裝置及方法，屬于飛秒激光測(cè)距領(lǐng)域。本發(fā)明公開(kāi)的一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)測(cè)距裝置，包括飛秒激光光源、原子鐘、邁克爾遜干涉測(cè)距裝置、波片HWP4、偏振分光棱鏡PBS、平衡光學(xué)互相關(guān)組件、光電探測(cè)設(shè)備、伺服控制設(shè)備和頻率計(jì)數(shù)器；還包括長(zhǎng)度為m的單模長(zhǎng)光纖和波片HWP5。本發(fā)明還公開(kāi)基于所述的飛秒激光絕對(duì)測(cè)距裝置實(shí)現(xiàn)的一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)測(cè)距方法。本發(fā)明不需要已知邁克爾遜干涉測(cè)距裝置中參考臂的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)基于飛行時(shí)間法的連續(xù)范圍的絕對(duì)距離測(cè)量，能夠拓寬飛秒激光絕對(duì)距離測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合，在飛秒激光測(cè)距等工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛秒激光測(cè)距領(lǐng)域，特別涉及一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)測(cè)距裝置及方法。

背景技術(shù)

典型的長(zhǎng)度(或距離)測(cè)量方法一般分為兩種。第一種方法是基于光學(xué)脈沖計(jì)數(shù)的非相干測(cè)量方法，即飛行時(shí)間法，其原理是通過(guò)測(cè)量脈沖信號(hào)往返的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)的，適用于絕對(duì)距離的測(cè)量，但由于電子設(shè)備的精確度和分辨率有限，因此使用激光脈沖的飛行時(shí)間法的測(cè)量不能夠?qū)崿F(xiàn)微米量級(jí)的分辨力。第二種方法是基于干涉原理的相干光測(cè)量方法，即激光干涉法。其原理是通過(guò)相位積累來(lái)推算出位移增量。該方法雖然精度和分辨力較好，但不適用于絕對(duì)距離測(cè)量。飛秒光學(xué)頻率梳的出現(xiàn)，為高精度的絕對(duì)距離的測(cè)量提供了一種新方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的采用連續(xù)激光、脈沖激光等光源測(cè)距而言，飛秒激光絕對(duì)距離測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

利用其頻率的可溯源性，美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)和荷蘭等國(guó)科學(xué)工作者相繼開(kāi)展了基于飛秒光學(xué)頻率梳的高精度絕對(duì)距離測(cè)量的研究。2004年，美國(guó)華裔物理學(xué)家葉軍提出利用光學(xué)頻率梳的時(shí)域脈沖特性以及頻率的相干性進(jìn)行絕對(duì)距離的測(cè)量，原則上可以測(cè)量任意長(zhǎng)的絕對(duì)距離而且精確度可以達(dá)到納米量級(jí)。2006年，韓國(guó)首次提出利用飛秒光梳進(jìn)行絕對(duì)測(cè)距的色散干涉光譜測(cè)量法，并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在1.46mm的非模糊范圍達(dá)到了7nm的測(cè)距分辨力。2008年，歐洲科學(xué)家結(jié)合多波長(zhǎng)干涉和動(dòng)態(tài)絕對(duì)距離測(cè)量的超外差探測(cè)技術(shù)，在800mm的距離量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)了8nm的測(cè)量分辨力，且相對(duì)測(cè)量精度達(dá)到了10^-8量級(jí)。2009年，Coddington等人首次提出并實(shí)驗(yàn)論證了使用雙光梳進(jìn)行精密測(cè)距，采樣時(shí)間60ms，測(cè)量誤差為5nm，測(cè)量范圍達(dá)30km。這種方案的不足之處是，測(cè)量原理基于線性光學(xué)采樣，兩臺(tái)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)尤為復(fù)雜。2010年，Lee和S.W.Kim等人提出基于光學(xué)互相關(guān)的飛行時(shí)間法，并將飛行時(shí)間測(cè)量精度提高到納米量級(jí)。2011年，日本科學(xué)家首次提出了基于多脈沖序列干涉的飛行時(shí)間法，并通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，論證了該方法的測(cè)量分辨力優(yōu)于4nm。2012年，荷蘭科學(xué)家提出了多波長(zhǎng)干涉與光譜干涉相結(jié)合的光梳測(cè)距新技術(shù)，最終達(dá)到了遠(yuǎn)優(yōu)于λ/30的測(cè)距精度和15cm的非模糊度量程。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中飛秒激光測(cè)距方法存在下述缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重復(fù)頻率掃描范圍小，目標(biāo)距離附近存在死區(qū)等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)距離測(cè)量的裝置及方法，不需要已知邁克爾遜干涉測(cè)距裝置中參考臂的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)基于飛行時(shí)間法的連續(xù)范圍的絕對(duì)距離測(cè)量，能夠拓寬飛秒激光絕對(duì)距離測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明公開(kāi)的一種大范圍重頻調(diào)制的飛秒激光絕對(duì)測(cè)距裝置，包括飛秒激光光源、原子鐘、邁克爾遜干涉測(cè)距裝置、波片HWP4、偏振分光棱鏡PBS、平衡光學(xué)互相關(guān)組件、光電探測(cè)設(shè)備、伺服控制設(shè)備和頻率計(jì)數(shù)器。

所述的飛秒激光光源用于向光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定光源；

所述的邁克爾遜干涉測(cè)距裝置用于產(chǎn)生待測(cè)距離；

所述的波片HWP4用于保證來(lái)自邁克爾遜干涉測(cè)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；