【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光子计数测距装置。特别是涉及一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置。
技术介绍
1、长度计量水平是诸多重要科学研究的先导和基础，直接影响工业生产、装备制造、国防科技和空天技术等各个方面，如大装备精密制造、空间导航定位、卫星编队飞行等。因此，实现长度或距离的精密测试与计量对基础科学研究和先进制造技术都具有至关重要的意义。
2、激光测量是目前精度最高的测距方法，根据原理主要分为相干测量和非相干测量。基于光学干涉测量的激光测距属于增量式测量，具有亚波长精度，但非模糊范围较小。基于非相干测量的方法中，利用激光脉冲直接进行飞行时间法测量的方法可以扩大非模糊范围，但精度通常限制在毫米级，且受限于光电探测器和定时电子器件的带宽[measurement science and technology,2000，11(6):712.]。
3、与传统激光测距方法不同，基于光学频率梳的测距利用飞秒级别的超快激光作为光源。光频梳在时域上是由一连串飞秒激光脉冲组成，频域则表现为均匀分布的超宽带精密光谱，相对频率稳定度能溯源至微波原子钟，因此极大地促进了时间频率及其相关物理量的精密测量。
4、在基于光学频率梳的测距方法中，双光梳法可以在连续的长度范围内实现高精度的绝对距离测量，其中基于异步光学采样的双光梳飞行时间法，无须对采集的干涉信号进行希尔伯特变换或者傅里叶变换，可以直接测量包络之间的时间间隔，避免了对干涉信号进行傅里叶变换计算相位谱，降低了双光梳法的数据处理过程复杂度，提高了测量速度[opt
5、然而，在实际双光梳测量过程中，回波信号往往不是理想的，尤其是对于远距离测距而言，往往由于探测信号的强度不足造成测量的失败，因此提高探测灵敏度是实现弱信号检测的主要发展方向[optics communications,2021,482:126566]。
6、时间相关单光子计数技术(tcspc)作为一种弱光探测方法，被应用于飞行时间激光测距中，出现在了多种测距或成像场景里。2015年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的zhou hui等人报道了一种基于tcspc技术的激光深度成像系统，采用波长为1550nm的低抖动超导纳米线单光子探测器(snspd)，实现了在极低回波光子水平上的信号与噪声信号的区分[optics express,2015,23(11),14603-11]。2020年，中国科学技术大学的黎正平等人报道了一种同轴单光子激光雷达系统，在城市环境中长达45千米的距离内进行主动单光子三维成像，实现了每个像素1个光子的分辨率[photonics research,2020,8(9):1532-1540.]。2023年，天津大学的胡小龙团队报道了一种分形snspd单光子探测器，并在自由空间和水下混合场景中演示了对物体的激光雷达成像，证明了分形snspd的优良测量潜力。[optics letters,2023,48(2):415-418]。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种在保持高测距精度的同时提高双光梳测距法对弱信号探测能力的基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置。
2、本专利技术所采用的技术方案是：一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，包括有第一偏振分束器以及连接在第一偏振分束器输出端的第二偏振分束器，所述第一偏振分束器还分别连接参考光路和测量光路，所述第一偏振分束器的光信号输入端连接第一光学频率梳光路，所述第二偏振分束器的光信号输入端连接第二光学频率梳光路，所述第二偏振分束器具有两个光输出端，其中一个光输出端连接用于提取来自参考光路回波信号的参考光路光束提取光路，另一个光输出端通过一个平面反射镜连接用于提取来自测量光路回波信号的测量光路光束提取光路，所述参考光路光束提取光路和测量光路光束提取光路的输出共同通过时间相关单光子计数器输出至外部计算机，其中，所述参考光路光束提取光路的终端是采用硅光电探测器作为光电探测器，所述的测量光路光束提取光路的终端是采用超导纳米线单光子探测器作为光电探测器。
3、本专利技术的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，利用超导纳米线单光子探测器(简称为snspd)作为光电探测器，与时间相关单光子计数进行结合，可以提高双光梳异步光学采样法的探测灵敏度，距离测量精度高、测量速度快，在保持高测距精度的同时提高了双光梳测距法对弱信号的探测能力。本专利技术的有益效果是：
4、1、本专利技术可广泛用于精密测距距、激光雷达、单光子成像、量子光学等多个领域，该探测器卓越的性能可显著推进这些领域的发展和进步；
5、2、snspd作为探测器，克服现有技术灵敏度的不足，提高双光梳测距法对弱信号的探测能力；
6、3、异步光学采样的测量方式，重频差对应着测量的更新速率，可以根据不同的使用场景进行调节测量速度，提高了测量的动态性能；
7、4、采用非线性晶体采集互相关的包络，降低了双光梳相干性的要求的同时，保证了测量的高精度
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1.一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，包括有第一偏振分束器(5)以及连接在第一偏振分束器(5)输出端的第二偏振分束器(13)，所述第一偏振分束器(5)还分别连接参考光路和测量光路，其特征在于，所述第一偏振分束器(5)的光信号输入端连接第一光学频率梳光路，所述第二偏振分束器(13)的光信号输入端连接第二光学频率梳光路，所述第二偏振分束器(13)具有两个光输出端，其中一个光输出端连接用于提取来自参考光路回波信号的参考光路光束提取光路，另一个光输出端通过一个平面反射镜(18)连接用于提取来自测量光路回波信号的测量光路光束提取光路，所述参考光路光束提取光路和测量光路光束提取光路的输出共同通过时间相关单光子计数器(17)输出至外部计算机(24)，其中，所述参考光路光束提取光路的终端是采用硅光电探测器(16)作为光电探测器，所述的测量光路光束提取光路的终端是采用超导纳米线单光子探测器(23)作为光电探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的参考光路是由参考镜(1)以及一端与参考镜(1)相连另一端与所述第一偏振
3.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的第一光学频率梳光路和第二光学频率梳光路的频率调节端均与锁相装置(12)相连接，通过锁相装置(12)进行锁相。
4.根据权利要求3所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，通过所述锁相装置(12)的锁相，第一光学频率梳光路中第一光学频率梳(11)的重复频率为f，第二光学频率梳光路中第二光学频率梳(10)的重复频率为f-Δf，其中Δf为第一光学频率梳与第二光学频率梳的重复频率差。
5.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的第一光学频率梳光路是由依次串接的第一光学频率梳(11)、第一准直器(7)和第一1/2波片(6)构成，其中所述第一光学频率梳(11)的频率调节端与锁相装置(12)相连接，所述第一1/2波片(6)的光输出端连接所述的第一偏振分束器(5)。
6.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的第二光学频率梳光路是由依次串接的第二光学频率梳(10)、第二准直器(9)和第二1/2波片(8)构成，其中所述第二光学频率梳(10)的频率调节端与锁相装置(12)相连接，所述第二1/2波片(8)的光输出端连接所述的第二偏振分束器(13)。
7.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的参考光路光束提取光路是由依次串接的第一聚焦透镜(14)、第一非线性晶体(15)和硅光电探测器(16)构成，其中，所述第一聚焦透镜(14)的光输入端连接所述的第二偏振分束器(13)，所述硅光电探测器(16)的输出连接所述的时间相关单光子计数器(17)。
8.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的测量光路光束提取光路是由依次串接的第二聚焦透镜(19)、第二非线性晶体(20)、滤波器(21)、光纤耦合器(22)以及超导纳米线单光子探测器(23)构成，其中所述第二聚焦透镜(19)的光输入端连接所述平面反射镜(18)的光反射端，所述超导纳米线单光子探测器(23)的输出端连接所述的时间相关单光子计数器(17)。
9.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的外部计算机(24)是根据如下公式计算目标距离：
...【技术特征摘要】
1.一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，包括有第一偏振分束器(5)以及连接在第一偏振分束器(5)输出端的第二偏振分束器(13)，所述第一偏振分束器(5)还分别连接参考光路和测量光路，其特征在于，所述第一偏振分束器(5)的光信号输入端连接第一光学频率梳光路，所述第二偏振分束器(13)的光信号输入端连接第二光学频率梳光路，所述第二偏振分束器(13)具有两个光输出端，其中一个光输出端连接用于提取来自参考光路回波信号的参考光路光束提取光路，另一个光输出端通过一个平面反射镜(18)连接用于提取来自测量光路回波信号的测量光路光束提取光路，所述参考光路光束提取光路和测量光路光束提取光路的输出共同通过时间相关单光子计数器(17)输出至外部计算机(24)，其中，所述参考光路光束提取光路的终端是采用硅光电探测器(16)作为光电探测器，所述的测量光路光束提取光路的终端是采用超导纳米线单光子探测器(23)作为光电探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的参考光路是由参考镜(1)以及一端与参考镜(1)相连另一端与所述第一偏振分束器(5)相连的第一1/4波片(2)构成，所述的测量光路是由目标镜(3)以及一端与目标镜(3)相连另一端与所述第一偏振分束器(5)相连的第二1/4波片(4)构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，所述的第一光学频率梳光路和第二光学频率梳光路的频率调节端均与锁相装置(12)相连接，通过锁相装置(12)进行锁相。
4.根据权利要求3所述的一种基于异步光学采样法的双光梳光子计数测距装置，其特征在于，通过所述锁相装置(12)的锁相，第一光学频率梳光路中第一光学频率梳(11)的重复频率为f，第二光学频率梳光路中第二光学频率梳(10)的重复频率为f-δf，其中δf为第一光...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋有建，胡小龙，石岩青，孟赟，邹铠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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