一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对距离测量的装置及方法，属于飞秒激光测距领域。本发明专利技术公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器；还包括长度为m的单模长光纤和波片HWP5。本发明专利技术还公开基于所述的飞秒激光绝对测距装置实现的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距方法。本发明专利技术不需要已知迈克尔逊干涉测距装置中参考臂的长度，实现基于飞行时间法的连续范围的绝对距离测量，能够拓宽飞秒激光绝对距离测量的应用场合，在飞秒激光测距等工程领域有广阔的应用前景。

A large range Heavy frequency modulated femtosecond laser absolute distance measuring device and method

The invention discloses a device and a method for measuring the absolute distance of a femtosecond laser with large range Heavy frequency modulation, which belongs to the field of femtosecond laser distance measurement. A large range of femtosecond laser is disclosed the frequency modulation absolute distance measuring device, including femtosecond laser source, atomic clocks and Michelson interferometer device, HWP4 wave plate and a polarizing beam splitter prism PBS, balanced optical cross-correlation component, photoelectric detection device, servo control device and a frequency counter; also includes the length of the M mode long fiber and wave plate HWP5. The invention also discloses a large range Heavy frequency modulated femtosecond laser absolute distance measurement method based on the femtosecond laser absolute distance measuring device. The invention does not need to know the Michelson interferometer device in the reference arm length, realize the continuous range of absolute distance measurement based on the time of flight, to broaden the femtosecond laser absolute distance measurement applications in femtosecond laser ranging fields have broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置及方法
本专利技术属于飞秒激光测距领域，特别涉及一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置及方法。
技术介绍
典型的长度(或距离)测量方法一般分为两种。第一种方法是基于光学脉冲计数的非相干测量方法，即飞行时间法，其原理是通过测量脉冲信号往返的时间间隔实现的，适用于绝对距离的测量，但由于电子设备的精确度和分辨率有限，因此使用激光脉冲的飞行时间法的测量不能够实现微米量级的分辨力。第二种方法是基于干涉原理的相干光测量方法，即激光干涉法。其原理是通过相位积累来推算出位移增量。该方法虽然精度和分辨力较好，但不适用于绝对距离测量。飞秒光学频率梳的出现，为高精度的绝对距离的测量提供了一种新方法。相对于传统的采用连续激光、脉冲激光等光源测距而言，飞秒激光绝对距离测量具有独特的优势。利用其频率的可溯源性，美国、德国、韩国和荷兰等国科学工作者相继开展了基于飞秒光学频率梳的高精度绝对距离测量的研究。2004年，美国华裔物理学家叶军提出利用光学频率梳的时域脉冲特性以及频率的相干性进行绝对距离的测量，原则上可以测量任意长的绝对距离而且精确度可以达到纳米量级。2006年，韩国首次提出利用飞秒光梳进行绝对测距的色散干涉光谱测量法，并实验证实了在1.46mm的非模糊范围达到了7nm的测距分辨力。2008年，欧洲科学家结合多波长干涉和动态绝对距离测量的超外差探测技术，在800mm的距离量程内实现了8nm的测量分辨力，且相对测量精度达到了10-8量级。2009年，Coddington等人首次提出并实验论证了使用双光梳进行精密测距，采样时间60ms，测量误差为5nm，测量范围达30km。这种方案的不足之处是，测量原理基于线性光学采样，两台光学频率梳的重复频率和偏置频率都需要锁定，偏置频率锁定系统尤为复杂。2010年，Lee和S.W.Kim等人提出基于光学互相关的飞行时间法，并将飞行时间测量精度提高到纳米量级。2011年，日本科学家首次提出了基于多脉冲序列干涉的飞行时间法，并通过对标准量块进行测试实验，论证了该方法的测量分辨力优于4nm。2012年，荷兰科学家提出了多波长干涉与光谱干涉相结合的光梳测距新技术，最终达到了远优于λ/30的测距精度和15cm的非模糊度量程。综上所述，现有技术中飞秒激光测距方法存在下述缺点：结构复杂，重复频率扫描范围小，目标距离附近存在死区等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大范围重频调制的飞秒激光绝对距离测量的装置及方法，不需要已知迈克尔逊干涉测距装置中参考臂的长度，实现基于飞行时间法的连续范围的绝对距离测量，能够拓宽飞秒激光绝对距离测量的应用场合。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器。所述的飞秒激光光源用于向光学测量系统提供稳定光源；所述的迈克尔逊干涉测距装置用于产生待测距离；所述的波片HWP4用于保证来自迈克尔逊干涉测距装置的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；所述的平衡光学互相关组件用于提取平衡光学互相关信号；所述的光电探测器用于将光信号转化为电信号；所述的伺服控制设备用于飞秒激光器重复频率锁定；所述的原子钟用于为飞秒激光器重复频率的锁定和频率计数器提供参考，实现测量基准的溯源；还包括长度为m的单模长光纤和波片HWP5。所述的波片HWP5用于保证来自长度为m的单模长光纤光路的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；由飞秒激光光源发出飞秒脉冲，所述的飞秒脉冲分为两束，一束进入迈克尔逊干涉测距装置，迈克尔逊干涉测距装置的输出光束经过波片HWP4调整偏振态；另一束进入长度为m的单模长光纤，并经过波片HWP5调整偏振态。所述的经过波片HWP4调整偏振态的光束和经过波片HWP5调整偏振态的光束在偏振分光棱镜PBS处合光，经过光电探测设备转换成光电信号，经过平衡光学互相关组件得到互相关信号，伺服控制设备将飞秒激光光源的重复频率锁定到原子钟上。所述的迈克尔逊干涉测距装置包括波片HWP1、波片HWP2、波片HWP3、分光棱镜BS、参考反射镜M1、目标反射镜M2。飞秒激光光源发出的光脉冲经波片HWP1入射至分光棱镜BS分光，一路经波片HWP2入射至参考反射镜M1，另一路经波片HWP3入射至目标反射镜M2，两路光经反射镜反射返回分光棱镜BS。所述的波片HWP1用于调节输入迈克尔逊干涉测距装置参考反射镜M1和目标反射镜M2的光功率；所述的分光棱镜BS用于将输入的飞秒脉冲分为两束正交光。所述的平衡光学互相关组件包括两对双色镜、一个倍频晶体、一个双折射晶体、一对凸透镜、平衡光电探测器。所述的两对双色镜用来分离基频光和倍频光；所述的一个倍频晶体用于实现倍频功能；所述的一个双折射晶体用于补偿延时；所述的一对凸透镜用于汇聚光束；所述的平衡光电探测器用于将倍频光转换成电信号。所述的平衡光电探测器具有两个光电探测通道，能够同时输出两个通道的光强信号以及两信号之差。平衡光电探测器输出的电信号S为两束倍频光光强之差，表达式为：其中I10、I20分别为通过晶体前后的基频光强，L为倍频晶体的长度，T1、T2分别为两路脉冲的脉冲宽度，Δt为长度为m的单模长光纤光路脉冲与参考脉冲或测量脉冲在晶体中固定时间延迟(由于两束光在晶体中的折射率不同)，τ为长度为m的单模长光纤光路脉冲与参考脉冲或测量脉冲进入晶体前的时间延迟。参考脉冲或测量脉冲相对长度为m的单模长光纤光路脉冲的时间延迟决定平衡光学互相关信号的大小。本专利技术还公开基于所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置实现的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距方法，实现方法如下：在迈克尔逊干涉测距装置中的参考臂未知的情况下，引入一段长度为m的单模长光纤，通过遮挡住测量光路，求长度为m的单模长光纤光路与参考光路之差；遮挡住参考光路，求长度为m的单模长光纤光路与测量光路之差，最后长度为m的单模长光纤光路与参考光路之差减长度为m的单模长光纤光路与测量光路之差，得到迈克尔逊干涉测距装置中参考臂与测量臂的长度差。本专利技术公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距方法，具体实现方法包括如下步骤：步骤一：遮挡住迈克尔逊干涉测距装置中的测量光路，测量长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中的参考光路之差。调谐重复频率frep，并测量迈克尔逊干涉测距装置中的参考臂和长度为m的单模长光纤光路传送的两个相邻脉冲的时间间隔Δt。当脉冲重复频率为frep1时，在通过迈克尔逊干涉测距装置中参考臂和长度为m的单模长光纤光路不同臂传送的两个脉冲序列之间具有Δt1的时间间隔。当重复频率增加到frep2，通过不同臂传送的两个相邻脉冲之间具有相对于时间间隔Δt1更小的时间间隔Δt2。则参考臂和光纤光路之间的路径差满足：式中ΔL1为长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考光路之差的粗略值；m1为长度为m的单模光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考臂之间的脉冲整数倍；c为光速；n为空气折射率；frep1、frep2为重复频率。Δt1、Δt2由示波器探本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器；所述的飞秒激光光源用于向光学测量系统提供稳定光源；所述的迈克尔逊干涉测距装置用于产生待测距离；所述的波片HWP4用于保证来自迈克尔逊干涉测距装置的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；所述的平衡光学互相关组件用于提取平衡光学互相关信号；所述的光电探测器用于将光信号转化为电信号；所述的伺服控制设备用于飞秒激光器重复频率锁定；所述的原子钟用于为飞秒激光器重复频率的锁定和频率计数器提供参考，实现测量基准的溯源；其特征在于：还包括长度为m的单模长光纤和波片HWP5；所述的波片HWP5用于保证来自长度为m的单模长光纤光路的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；由飞秒激光光源发出飞秒脉冲，所述的飞秒脉冲分为两束，一束进入迈克尔逊干涉测距装置，迈克尔逊干涉测距装置的输出光束经过波片HWP4调整偏振态；另一束进入长度为m的单模长光纤，并经过波片HWP5调整偏振态；所述的经过波片HWP4调整偏振态的光束和经过波片HWP5调整偏振态的光束在偏振分光棱镜PBS处合光，经过光电探测设备转换成光电信号，经过平衡光学互相关组件得到互相关信号，伺服控制设备将飞秒激光器的重复频率锁定到原子钟上。...

【技术特征摘要】
1.一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器；所述的飞秒激光光源用于向光学测量系统提供稳定光源；所述的迈克尔逊干涉测距装置用于产生待测距离；所述的波片HWP4用于保证来自迈克尔逊干涉测距装置的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；所述的平衡光学互相关组件用于提取平衡光学互相关信号；所述的光电探测器用于将光信号转化为电信号；所述的伺服控制设备用于飞秒激光器重复频率锁定；所述的原子钟用于为飞秒激光器重复频率的锁定和频率计数器提供参考，实现测量基准的溯源；其特征在于：还包括长度为m的单模长光纤和波片HWP5；所述的波片HWP5用于保证来自长度为m的单模长光纤光路的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；由飞秒激光光源发出飞秒脉冲，所述的飞秒脉冲分为两束，一束进入迈克尔逊干涉测距装置，迈克尔逊干涉测距装置的输出光束经过波片HWP4调整偏振态；另一束进入长度为m的单模长光纤，并经过波片HWP5调整偏振态；所述的经过波片HWP4调整偏振态的光束和经过波片HWP5调整偏振态的光束在偏振分光棱镜PBS处合光，经过光电探测设备转换成光电信号，经过平衡光学互相关组件得到互相关信号，伺服控制设备将飞秒激光器的重复频率锁定到原子钟上。2.如权利要求1所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉测距装置包括波片HWP1、波片HWP2、波片HWP3、分光棱镜BS、参考反射镜M1、目标反射镜M2；飞秒激光光源发出的光脉冲经波片HWP1入射至分光棱镜BS分光，一路经波片HWP2入射至参考反射镜M1，另一路经波片HWP3入射至目标反射镜M2，两路光经反射镜反射返回分光棱镜BS；所述的波片HWP1用于调节输入迈克尔逊干涉测距装置参考反射镜M1和目标反射镜M2的光功率；所述的分光棱镜BS用于将输入的飞秒脉冲分为两束正交光。3.如权利要求2所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，其特征在于：所述的平衡光学互相关组件包括两对双色镜、一个倍频晶体、一个双折射晶体、一对凸透镜、平衡光电探测器；所述的两对双色镜用来分离基频光和倍频光；所述的一个倍频晶体用于实现倍频功能；所述的一个双折射晶体用于补偿延时；所述的一对凸透镜用于汇聚光束；所述的平衡光电探测器用于将倍频光转换成电信号。4.如权利要求3所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，其特征在于：所述的平衡光电探测器具有两个光电探测通道，能够同时输出两个通道的光强信号以及两信号之差；平衡光电探测器输出的电信号S为两束倍频光光强之差，表达式为：其中I10、I20分别为通过晶体前后的基频光强，L为倍频晶体的长度，T1...

【专利技术属性】
技术研发人员：武腾飞，王少峰，韩继博，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11