本发明专利技术公开了一种动态光学频率梳的绝对距离测量装置，包括光学频率梳，利用两个光纤分束器将光学频率梳的出射激光分为三路，一路为测量光路，该路激光由一准直器出射经合作目标反射返回，通过一光纤环形器被第一光电探测器接收，得到带有目标距离信息的相位信号；一路为参考光路，该路激光作为参考相位信号被第二光电探测器接收用于被测距离的解算；还有一路的激光通过第三光电探测器后输入至一频率计数器，实现对重复频率变化过程进行实时监测。本发明专利技术克服了传统光频梳测距系统庞杂的锁定设备，在保证测距精度的同时，极大地提升距离测量的非模糊范围以适应不同应用场景，可以满足工程计量中高精度、高实用性和大测距范围等需求。
An absolute distance measuring device and method of dynamic optical frequency comb
【技术实现步骤摘要】
一种动态光学频率梳的绝对距离测量装置及方法
本专利技术属于光学频率梳几何量计量领域，特别是涉及基于光学频率梳的绝对距离的测量方法。
技术介绍
1983年，国际计量大会所提出的国际单位制将米严格定义为光在真空中经历1s的1/299,792,458的时间所走过的距离，这使得几何量与时频量值紧密联系在一起，而如何在这基础上搭建起衔接的桥梁则一直是科学家们所关注的热点课题。光学频率梳为一种基于锁模技术制备出的新型光源，其频域内由众多的频率纵模组成，并且将众多的频率分量精密锁定至时钟源，使得相邻纵模分量间具有严格相等的频率间隔frep，频率稳定性(即波长稳定性)可以达到10-12量级，真正地实现了量值溯源。这也就使得光学频率梳在几何量计量尤其是绝对距离测量等领域内体现出无与伦比的优越性。基于光频梳的绝对距离测量不同于传统增量式的单频激光测距，不仅可在测量过程中抵抗外界的干扰或打断，更能在保证波长级精度的基础上，极大地提高测距非模糊范围。对于波长λ＝633nm的氦氖激光器，基于迈克尔逊干涉的测距系统使得其非模糊范围为λ/2，而以frep为100M的光学频率梳为例，其非模糊范围可扩展为约3m。基于上述优点，光学频率梳的绝对距离测量受到了专家学者的广泛讨论和深入研究。目前光学频率梳的应用受限于实验室环境内，其主要原因是为使重复频率保持极其稳定的状态，就要通过庞杂的锁相环模块来加以锁定，使得整个测量系统相对笨重，并且目前所提出的绝对距离测量方法也都在满足测量精度的同时不断地拓展更大的非模糊范围。如基于多波长干涉的方法能显著地扩展非模糊范围，但其测量精度会受到独立波长获取精度的影响；对于色散干涉的方法，其非模糊范围受限于光谱仪本身的频率分辨率，因此设备需求则作为了一个重要的影响因素；飞行时间测距可借助于重频扫描来极大范围地延展非模糊范围，但互相关条纹的解算精度，以及平衡光电探测器等设备的需求也在复杂实验系统的同时影响着测距精度；此外，双光梳测距方法的优越性在于保证精度的同时拥有极大的非模糊范围，但重频调整的测量方案以及昂贵的仪器设备使得该技术值得进一步研究和改进。因此，在简化测量系统的前提下保证测距精度，并且极大地拓展非模糊范围，已经成为光学频率梳绝对距离测量的研究方向。
技术实现思路
针对光学频率梳在实际工程计量中对测距范围、测距精度、便携系统的需求，在绝对距离测量方向上，摆脱传统技术中重复频率严格锁定的约束，利用动态重复频率变化使得光学频率梳测距具有无周期性模糊范围、高测距精度和测距系统简化等优秀特性。将动态光学频率梳引入到绝对距离测量，围绕动态光学频率梳的性能特点，从理论模型、测距系统和数据处理等方面研究基于动态光学频率梳的绝对距离测量新方法，使之服务于光学频率梳工程应用能力的提升，并为绝对距离计量提供新的思路和技术方法储备。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种动态光学频率梳的绝对距离测量装置，包括光学频率梳，所述光学频率梳的输出端对应位置设置有第一光纤分束器，所述第一光纤分束器的一路连接至第二光纤分束器，通过所述第一光纤分束器和第二光纤分束器，从而将所述光学频率梳的出射激光分为三路，分别为：经过所述第二光纤分束器的一路通道1；经过所述第二光纤分束器的另一路通道2，所述第一光纤分束器的另一路通道3；所述通道1为测量光路，所述通道2为参考光路，所述通道3对重复频率变化过程进行实时监测；所述光学频率梳包括如下光学器件和电子电器件：激光二极管、波分复用器、掺镱增益光纤、两个准直器、两个1/4波片、1/2波片、偏振分光镜、滤光片、光隔离器和高精度线性位移台；两个1/4波片分别记作第一1/4波片和第二1/4波片，两个准直器分别记作第一准直器和第二准直器；将激光二极管作为种子源输出激光经过波分复用器进入环形腔，随后经过所述掺镱增益光纤由第一准直器出射为自由空间光，自由空间光经过由第一1/4波片、1/2波片、偏振分光镜、滤光片和第二1/4波片的被动锁模模块后通过所述光隔离器后耦合进第二准直器构成激光环形腔；其中，所述偏振分光镜的反射方向为激光输出端；所述第二准直器固定在所述高精度线性位移台上，从而通过调节激光环形腔的腔长完成重复频率扫描，以实现动态光学频率梳。同时，本专利技术中还提出了利用上述动态光学频率梳的绝对距离测量装置进行测量的方法，该测量方法包括以下步骤：步骤一、实现动态光学频率梳：将激光二极管作为种子源输出激光经过波分复用器进入环形腔，通过调节激光环形腔的腔长完成重复频率扫描；步骤二、由扫频信号Signal1驱动所述光学频率梳出射的激光由第一光纤分束器和第二光纤分束器分为三路，即通道1、通道2和通道3；借助信号源和铷钟给予通道1、通道2和通道3同步触发信号Signal2和外部时钟参考；所述通道1的激光由一准直器出射经合作目标反射返回，通过一光纤环形器被第一光电探测器接收，得到带有被测距离信息的相位信号；所述通道2的激光作为参考相位信号被第二光电探测器接收用于被测距离的解算；所述通道3的激光通过第三光电探测器后输入至所述第二频率计数器，对重复频率变化过程进行实时监测；步骤三，相位信号获取及距离计算：通道1和通道2的两路信号分别经由带通滤波器和放大器后得到m级高次谐波，滤波放大后的两路信号与信号源输出的参考信号通过两个混频器完成混频，随后该两路信号分别经过低通滤波器输出，并借助放大器完成二级放大，最后两路相位信号均输入到第一频率计数器完成动态相位信号φm的获取；被测距离L如下：其中，c为真空中光速，Ng为空气折射率，frep为重复频率，m为高次谐波的级数。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的了基于动态光学频率梳的绝对距离测量方法，克服了传统光频梳测距系统庞杂的锁定设备，在保证测距精度的同时，极大地提升距离测量的非模糊范围以适应不同应用场景，将为光学频率梳的绝对距离测量提供新的思路，满足工程计量中高精度、高实用性和大测距范围等工业强国建设的内在需求，也将为涉及光学频率梳绝对距离测量的技术发展提供研究思路和方法储备。附图说明图1是本专利技术中光学频率梳的结构示意图；图2是利用本专利技术动态光学频率梳实现绝对距离测量的示意图；图3本专利技术中重复频率扫描示意图；图4对应50m距离的多级高次谐波相位斜率对比。图中：1-光学频率梳，2-第一光纤分束器，3-第二光纤分束器，4-光纤环形器，5-准直器，6-合作目标，71-第一光电探测器，72-第二光电探测器，73-第三光电探测器，81-第一带通滤波器，82-第二带通滤波器，91-第一放大器，92-第二放大器，101-第一混频器，102-第二混频器，111-第一低通滤波器，112-第二低通滤波器，121-第一二级放大器，122-第二二级放大器，131-第一频率计数器，132-第二频率计数器，141、142-信号源，15-铷钟；201-激光二极管，202-波分复用器，203-掺镱增益光纤，204-第一准直器，205-第一1/4波片，206-1/2波片，207-偏振分光镜，208-滤本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种动态光学频率梳的绝对距离测量装置，其特征在于，包括光学频率梳(1)，所述光学频率梳(1)的输出端对应位置设置有第一光纤分束器(2)，所述第一光纤分束器(2)的一路连接至第二光纤分束器(3)，通过所述第一光纤分束器(2)和第二光纤分束器(3)，从而将所述光学频率梳(1)的出射激光分为三路，分别为：经过所述第二光纤分束器(3)的一路通道1；经过所述第二光纤分束器(3)的另一路通道2，所述第一光纤分束器(2)的另一路通道3；/n所述通道1为测量光路，所述通道2为参考光路，所述通道3对重复频率变化过程进行实时监测；/n所述光学频率梳(1)包括如下光学器件和电子电器件：/n激光二极管(201)、波分复用器(202)、掺镱增益光纤(203)、两个准直器、两个1/4波片、1/2波片(206)、偏振分光镜(207)、滤光片(208)、光隔离器(210)和高精度线性位移台(212)；两个1/4波片分别记作第一1/4波片(205)和第二1/4波片(209)，两个准直器分别记作第一准直器(204)和第二准直器(211)；将激光二极管(201)作为种子源输出激光经过波分复用器(202)进入环形腔，随后经过所述掺镱增益光纤(203)由第一准直器(204)出射为自由空间光，自由空间光经过由第一1/4波片(205)、1/2波片(206)、偏振分光镜(207)、滤光片(208)和第二1/4波片(209)的被动锁模模块后通过所述光隔离器(210)后耦合进第二准直器(211)构成激光环形腔；其中，所述偏振分光镜(207)的反射方向为激光输出端；所述第二准直器(211)固定在所述高精度线性位移台(212)上，从而通过调节激光环形腔的腔长完成重复频率扫描，以实现动态光学频率梳。/n...
【技术特征摘要】
1.一种动态光学频率梳的绝对距离测量装置，其特征在于，包括光学频率梳(1)，所述光学频率梳(1)的输出端对应位置设置有第一光纤分束器(2)，所述第一光纤分束器(2)的一路连接至第二光纤分束器(3)，通过所述第一光纤分束器(2)和第二光纤分束器(3)，从而将所述光学频率梳(1)的出射激光分为三路，分别为：经过所述第二光纤分束器(3)的一路通道1；经过所述第二光纤分束器(3)的另一路通道2，所述第一光纤分束器(2)的另一路通道3；
所述通道1为测量光路，所述通道2为参考光路，所述通道3对重复频率变化过程进行实时监测；
所述光学频率梳(1)包括如下光学器件和电子电器件：
激光二极管(201)、波分复用器(202)、掺镱增益光纤(203)、两个准直器、两个1/4波片、1/2波片(206)、偏振分光镜(207)、滤光片(208)、光隔离器(210)和高精度线性位移台(212)；两个1/4波片分别记作第一1/4波片(205)和第二1/4波片(209)，两个准直器分别记作第一准直器(204)和第二准直器(211)；将激光二极管(201)作为种子源输出激光经过波分复用器(202)进入环形腔，随后经过所述掺镱增益光纤(203)由第一准直器(204)出射为自由空间光，自由空间光经过由第一1/4波片(205)、1/2波片(206)、偏振分光镜(207)、滤光片(208)和第二1/4波片(209)的被动锁模模块后通过所述光隔离器(210)后耦合进第二准直器(211)构成激光环形腔；其中，所述偏振分光镜(207)的反射方向为激光输出端；所述第二准直器(211)固定在所述高精度线性位移...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟京生，徐昕阳，吴翰钟，张好运，赵海涵，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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