一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量技术领域。本发明专利技术包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜等，使用可同时微调飞秒激光频率梳脉冲重复频率的方法和参考臂调节方法获得空间相干重叠条件，无须控制和要求节距变化个数增量，通过不同的互质重复频率下的空间相干重叠测量结果，以解包含测量臂长和节距的不定方程整数解的方式获得节距个数，从而达到距离测量目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量

技术介绍
测长技术是人类最重要的基本工程技术之一。目前的使用测距方式的测长技术主要有时间法和空间法两类。空间法主要采用各种尺子直接测量距离和描述空间，如使用卡尺、皮尺、钢卷尺等等，距离有限并且准确度也有限。使用光波长作为尺子的测量方法即是通常的干涉测量法，可以获得更高的测量准确度和更长的距离。时间法主要借助于各种波动在空间或媒介中传输所需要的时间的测量，在均匀介质内传播速度恒定、传播方向不变的假设条件下获得空间距离，可以测量特别远的距离。例如使用声波、电磁波、光波等手段的各种雷达、测距机等等。但这些时间法使用的多数为脉冲测距原理，其测量准确度受到一定限制，不易达到很高。以飞秒激光干涉测距为原理的测量方法，使用重复频率异常稳定的脉冲飞秒激光为激励光源，相当于在空中使用了一把具有精确刻度的精确激光尺，理论上可以获得更高的测量准确度，以及实现更远的测量距离。但是，在飞秒激光干涉测距的测量原理中，它共包含两方面的内涵，一方面，待测距离是由测量臂和参考臂光程差所对应的空间距离；它共包含两部分，一部分是由光程差所包含信号重复周期个数(也称为测量节距个数)所对应的空间距离，另一部分是小于一个重复周期的时间差所对应的空间距离(小于一个节距的距离部分)，由相位差对应的时间差与光速乘积获得。当测量臂的信号与参考臂的信号产生空间相干重叠时，小于一个节距的距离部分为0，从而只有整数个节距的距离部分。确定了节距个数即可获得待测距离。另一方面，飞秒激光干涉测距原理的实现上，需要使用同时微调飞秒激光重复频率和参考臂长度，以满足测量臂和参考臂的光程差达到相干重叠条件，并且两次调节过程中重复周期个数相差要求为1，从而使用解方程方法确定节距个数，进而由节距个数确定待测距离。这个干涉条件的调节要求比较苛刻，需要人工仔细调节方可实现仅差1个节距的要求，导致飞秒激光重复频率的调节范围极窄，对调节分辨力要求苛刻，一旦范围过宽、或调节分辨力不够，将无法实现只相差一个节距的要求，因此比较难以实现仪器自身的自动化调节，仅适合实验室内进行原理研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的飞秒激光干涉测距方法中测量臂和参考臂产生相干重叠的条件调整比较苛刻严格，不利于自动化实现的缺点，提出一种基于变频相干重叠原理的飞秒激光测长装置及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置，包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜、测量物镜、光电探测器、数据采集系统以及计算机。飞秒激光频率梳用于产生重复频率freq的飞秒激光，偏振片用于调整激光偏振方向，折光镜用于进行反射测量光；偏振分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，精密位移平台用于微调参考臂的臂长，参考镜为将参考臂的参考光反射回去，测量物镜用于将照射到测量臂上待测目标的测量光反射回去，光电探测器，用于将光信号变成电信号，并根据其信号的强弱判定是否出于最佳相干重叠状态。数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机，计算机用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置的测长方法，实现步骤如下：飞秒激光是脉冲光。使用脉冲测距原理测量目标点到发射端的距离。设光速c＝299792458m/s，飞秒激光频率梳的重复频率为frep，其“干涉节距”lpp＝c/frep。飞秒激光经过折光镜反射，到达偏振分光镜，被一分为二，一路沿着参考臂到达位移台上的考镜反射镜，经参考反射镜反射，穿透偏振分光镜到达光电探测器，另外一路经过测量臂到达测量物镜，经测量物镜反射回来，再经偏振分光镜反射到达光电探测器与参考臂来的光合束干涉，从而产生强度随相干重叠状态而变化的电信号，当调整飞秒激光的重复频率使得照射到光电探测器上的测量光与参考光完全相干重叠时，测量臂与参考臂的光程差恰好等于整数个测量节距。数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机，计算机首先用于进行测量光和参考光相干重叠的判断，然后用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。由于飞秒脉冲具有相干性，即光程差在lpp的整倍数的一些离散的位置时产生相干重叠导致光电探测器获得的脉冲峰值信号最强，因此为测量任意位置的距离必须对参考臂的长度进行调节以达到相干重叠后进行测量。设飞秒激光频率梳的重复频率为frep＝f1，其“干涉节距”lp1＝c/f1。通过调节获得测量参考臂长Lc1，获得了干涉现象。则有干涉测距方程为： L D + L c 1 = M · l p 1 2 + L c 1 - - - ( 1 ) ]]>即 L D = M · l p 1 2 ]]>其中，lp1＝c/f1为对应于飞秒激光重复频率f1的“干涉节距”，待测距离LD；M为测量臂与参考臂Lc1间的距离差值包含的测量节距lp1的整倍数值。AB为初始零距离位置线，即测量物镜在该位置时，参考臂与测量臂的光程差为0。其它不变，仅微调飞秒激光重复频率为f2，并且满足条件f2与f1没有简单的倍数关系。其“干涉节距”lp2＝c/f2。通过调节获得测量参考臂长Lc2，即参考臂比初始位置伸长了Lc2-Lc1，移动获得干涉现象。则有干涉测距方程为： L D = N · l p 2 2 + L c 1 - L c 2 - - - ( 2 ) ]]>其中，lp2＝c/f2为对应于飞秒激光重复频率f2的“干涉节距”，待测距离LD；N为测量臂与参考臂Lc2间的光程差对应的距离差值包含的测量节距lp2的整倍数值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置，其特征在于：包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜、测量物镜、光电探测器、数据采集系统以及计算机；飞秒激光频率梳用于产生重复频率freq的飞秒激光，偏振片用于调整激光偏振方向，折光镜用于进行反射测量光；偏振分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，精密位移平台用于微调参考臂的臂长，参考镜为将参考臂的参考光反射回去，测量物镜用于将照射到测量臂上待测目标的测量光反射回去，光电探测器，用于将光信号变成电信号，并根据其信号的强弱判定是否出于最佳相干重叠状态；数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机；计算机用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置，其特征在于：包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜、测量物镜、光电探测器、数据采集系统以及计算机；飞秒激光频率梳用于产生重复频率freq的飞秒激光，偏振片用于调整激光偏振方向，折光镜用于进行反射测量光；偏振分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，精密位移平台用于微调参考臂的臂长，参考镜为将参考臂的参考光反射回去，测量物镜用于将照射到测量臂上待测目标的测量光反射回去，光电探测器，用于将光信号变成电信号，并根据其信号的强弱判定是否出于最佳相干重叠状态；数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机；计算机用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。2.一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置的测长方法，其特征在于，实现步骤如下：1)基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置采用重复频率可以控制的飞秒激光频率梳(1)，偏振片(2)，折光镜(3)，偏振分光镜(4)，精密位移平台(5)，参考反射镜(6)，测量物镜(7)，光电探测器(8)，数据采集系统(9)，计算机(10)进行测量时：设飞秒激光频率梳(1)的重复频率为frep＝f1，其“干涉节距”lp1＝c/f1；通过调节获得测量参考臂长Lc1，获得相干重叠现象，确定0距离刻度线AB，则有干涉测长方程为： L D + L c 1 = M · l p 1 2 + L c 1 - - - ( 1 ) ]]>其中，lp1＝c/f1为对应于飞秒激光重复频率f1的“干涉节距”，待测距离LD；M为测量臂与参考臂Lc1间的距离差值包含的测量节距lp1的整倍数值；AB为初始零距离位置线，即测量物镜(7)在该位置时，参考臂与测量臂的光程差为0；仅微调飞秒激光重复频率为f2，并且满足条件f2与f1没有简单的倍数关系；其“干涉节距”lp2＝c/f2，通过调节获得测量参考臂长Lc2，获得相干重叠现象，则有干涉测距方程为： L D = N · l p 2 2 + L c 1 - L c 2 - - - ( 2 ) ]]>其中，lp2＝c/f2为对应于飞秒激光重复频率f2的“干涉节距”，待测距离LD；N为测量臂与参考臂Lc2间的光程差对应的距离差值包含的测量节距lp2的整倍数值；由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为LDm，则有由式(2)和(1)所测距离LD均相等，且LD≤LDm，可得：M·lp1-N·lp2＝Lc1-Lc2 (3)在M·lp1＜2LDm和N·lp2＜2LDm条件下解不定方程(3)的唯一整数解M、N；若整数解唯一，则由式(1)计算获得被测距离LD；若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f3，并且满足条件f3与f1和f2均没有简单的倍数关系，其“干涉节距”lp3＝c/f3；通过调节获得测量参考臂长Lc3，获得干涉现象，则有干涉测距方程为： L D = Q · l p 3 2 + L c ...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁志国，武腾飞，邢帅，
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