基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置及基于该装置的绝对距离测量方法，该装置包括：可调谐激光器(1)，用于产生单一频率、单一线偏振激光，且输出激光器频率可由其工作电压和电流控制；保偏光纤系统(2)，用于将空间激光无反射的耦合进入保偏光纤，并将其分成等光强的3路光信号，且保持输出激光偏振方向与输入激光偏振方向一致；双频外差干涉仪(3)，用于将单一频率激光转变成双频正交偏振激光器，并将待测量的距离信息转变为激光拍频信号的相位信息；激光频率与干涉相位测量系统(4)，用于精密测量和锁定输入激光的频率，并测量两路交流信号的相位差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种绝对距离测量方法及装置，特别是关于一种基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量方法及装置。
技术介绍
激光干涉距离测量是通过探测参考光路和测量光路的相位差并根据干涉波前相位与光程的对应关系，得到测量光路相对于参考光路的距离差。参考光路和测量光路光程每变化一个干涉波长，其相位差就变化2 π。参考光路和测量光路的相位差包括相位的整数部分和小数部分，即整周期的个数和剩余周期小数。根据探测相位的不同，激光干涉距离测量可分为增量式激光干涉测量和绝对距离激光干涉测量两大类。增量式激光干涉测量，通过固定参考光路光程、连续改变测量光路光程的方式，探测相位的变化量，从而得到参考光路和测量光路的相对距离变化。增量式激光干涉测量具有测量精度高、测量量程大和测量速度快等特点，但是测量光路的距离变化依赖于高精度位移导轨来实现。绝对距离激光干涉测量，利用合成波长的原理增加测量波长的长度，同时探测相位的整数部分和小数部分，从而获得测量光路的绝对距离。绝对距离激光干涉测量无需测量光路的移动就可直接测得绝对距离，在工业和军事等领域都有着广泛的应用。根据合成波长产生方式的不同，绝对距离激光干涉测量可以分为相移干涉法、多波长干涉法和频率扫描干涉法等。相移干涉法是在一个干涉周期内引入干涉周期的可控变化，通过相应的算法精确测量出相位小数部分，该方法可用于长度小于一个干涉周期的绝对距离测量。多波长干涉法是采用多个不同波长的激光拍频产生波长远大于单个激光波长的合成波长，从而测得相位整数部分，实现绝对距离测量。频率扫描干涉法是利用可调谐激光器产生激光频率的连续变化，形成合成波长以实现绝对距离测量。基于可调谐激光器的频率扫描干涉法系统简单，并且其频率扫描范围可变，测量量程从几毫米到几十米，测量精度可达微米量级，该方法已成为当前绝对距离测量研究的热点方法之一。该方法详见文献(1) :Distance measurement by the wavelength shift of laser diode light，H. Kikuta, K. Iwata and R. Nagata, Appl. Opt.，1986，25 (17) 2976-29800为了提高测量精度和系统稳定性，常采用法布里_珀罗腔对可调谐激光器的扫描步页率进行控制，详见文献⑵:Accuracy of frequency-sweeping interferometry for absolute distance metrology, A. Cabral and J. Rebordao, Opt. Eng. ,2007,46(07) 073602。但是，法布里-珀罗腔只能利用多光束干涉的原理对激光频率进行间接测量，并且其测量精度依赖于法布里-珀罗腔的物理腔长稳定度和精细度。此外，可调谐激光器的工作频率也未能与现行的计量标准建立联系，该方法未能满足计量学对测量应具有溯源性的要求。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种频率稳定度高并且可溯源的频率扫描绝对距离测量方法及装置。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量方法，其特征在于包括以下步骤1)设置一包括可调谐激光器、保偏光纤系统、双频外差干涉仪和激光频率与干涉相位测量系统的基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置；其中，可调谐激光器的出射激光经保偏光纤系统分别入射至双频外差干涉仪和激光频率与干涉相位测量系统的波长计、飞秒光频梳系统；双频外差干涉仪的两路光电探测器电连接至激光频率与干涉相位测量系统的锁相放大器，激光频率与干涉相位测量系统的激光驱动器电连接至可调谐激光器；幻调节可调谐激光器输出某一单一频率激光，将其锁定至飞秒光频梳系统，并由激光频率与干涉相位测量系统精确测得此时的工作激光频率和双频外差干涉仪探测的两路干涉信号相位差；幻连续无跳模的调谐可调谐激光器的输出激光频率，由激光频率与干涉相位测量系统记录双频外差干涉仪探测的两路干涉信号相位差所产生的整数相位的变化数目；4)当可调谐激光器输出激光调谐至另一单一频率， 重复幻步骤，测得此时的工作激光频率和双频外差干涉仪探测的两路干涉信号相位差；5) 由测得的激光频率扫描起、止频率、干涉相位整数部分以及频率扫描起、止干涉相位小数部分，计算得到待测光路反射面的绝对距离。一种基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于，它包括一可调节激光器、一保偏光纤系统、一双频外差干涉仪和一激光频率与干涉相位测量系统其中所述可调谐激光器输出单一频率、单一线偏振方向激光，通过改变其工作电流或电压可连续调谐其输出激光频率；所述保偏光纤系统包括依次设置在所述可调节激光器出射光路上的光隔离器、第一保偏光纤准直器、保偏光纤、保偏光纤耦合器和第二保偏光纤准直器；所述保偏光纤耦合器的输入端由保偏光纤连接至保偏光纤耦合器，其输出端由保偏光纤分别连接至第二保偏光纤准直器和激光频率与干涉相位测量系统的波长计、飞秒光频梳系统；所述保偏光纤系统保持激光偏振方向与入射激光偏振方向相同；所述双频外差干涉仪包括依次设置在所述第二保偏光纤准直器出射光路上的第一半透半反镜、第一声光晶体、第二声光晶体、第一反射镜、第二反射镜、第二半透半反镜、 1/2波片、偏振分光棱镜、第一 1/4波片、第二 1/4波片、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、第一偏振片、第二偏振片、第一光电探测器和第二光电探测器；所述保偏光纤准直器的出射激光为平行纸面方向的线偏振光；所述第一半透半反镜、第一声光晶体、第二声光晶体、第一反射镜和第二反射镜组成马赫-曾德干涉仪光路，第一声光晶体和第二声光晶体分别位于马赫-曾德干涉仪的两路，分别只选择第一声光晶体和第二声光晶体的+1级衍射光出射；所述1/2波片将入射激光偏振态旋转90°，出射激光偏振方向为垂直纸面方向；所述第二半透半反镜将两路入射光束等强度的分成两路，其中一路经所述第一偏振片后入射至所述第一光电探测器，所述第一偏振片光轴方向与两束激光偏振方向夹角均为45°，另一路入射至所述偏振分光棱镜；所述偏振分光棱镜根据入射光偏振方向的不同分别对其进行反射和透射，其中一路偏振方向平行纸面的光束经所述偏振分光棱镜反射后，入射至所述第一 1/4 波片，偏振方向旋转45°后出射至所述参考角锥棱镜，经反射后通过所述第一 1/4波片偏振方向继续沿原方向旋转45°，经所述偏振分光棱镜透射后经所述第二偏振片后入射至所述第二光电探测器，另一路偏振方向垂直纸面的光束经所述偏振分光棱镜透射后，入射至所述第二 1/4波片，偏振方向旋转45°后出射至所述测量角锥棱镜，经反射后通过所述第二 1/4波片偏振方向继续沿原方向旋转45°，经所述偏振分光棱镜反射经所诉第二偏振片后入射至所述第二光电探测器，所述第二偏振片的光轴方向与两路入射光偏振方向夹角均为 45° ；所述激光频率与干涉相位测量系统包括计算机、波长计、飞秒光频梳系统、激光驱动器和相位计大器；所述波长计的光输入端由所述保偏光纤连接至所述保偏光纤系统的某一出射端，其输出端电连接至所述计算机；所述飞秒光频梳系统的光输入端由所述保偏光纤连接至所述保偏光纤系统的某一出射端，其输出端电连接至所述计算机；所述激光驱动器分别电连接至所述可调节激光器和本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于包括：可调谐激光器（１），用于产生单一频率、单一线偏振激光，且输出激光器频率可由其工作电压和电流控制；保偏光纤系统（２），用于将空间激光无反射的耦合进入保偏光纤，并将其分成等光强的三路光信号，且保持输出激光偏振方向与输入激光偏振方向一致；双频外差干涉仪（３），用于将单一频率激光转变成双频正交偏振激光器，并将待测量的距离信息转变为激光拍频信号的相位信息；激光频率与干涉相位测量系统（４），用于精密测量和锁定输入激光的频率，并测量两路交流信号的相位差。

【技术特征摘要】
1.基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于包括可调谐激光器(1)，用于产生单一频率、单一线偏振激光，且输出激光器频率可由其工作电压和电流控制；保偏光纤系统O)，用于将空间激光无反射的耦合进入保偏光纤，并将其分成等光强的三路光信号，且保持输出激光偏振方向与输入激光偏振方向一致；双频外差干涉仪(3)，用于将单一频率激光转变成双频正交偏振激光器，并将待测量的距离信息转变为激光拍频信号的相位信息；激光频率与干涉相位测量系统G)，用于精密测量和锁定输入激光的频率，并测量两路交流信号的相位差。2.根据权利要求1的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于所述激光频率与干涉相位测量系统(4)包括波长计G01)，用于粗测输入激光频率，测量精度优于IOOMHz ； 飞秒光频梳系统002)，用于精密测量输入激光频率，测量精度优于IkHz ； 激光驱动器003)，用于为可调谐激光器(1)提供所需的电压和电流驱动信号； 相位计004)，用于测量两路交流信号的相位差。3.根据权利要求1的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于保偏光纤系统(2)使来自一个可调谐激光器(1)的出射激光分别入射至双频外差干涉仪C3)和所述波长计(401) 和飞秒光频梳系统002)，且出射激光的偏振方向与可调谐激光器(1)的输出激光偏振方向一致。4.根据权利要求1的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于双频外差干涉仪(3)包括第一光电探测器(314)，用于将双频正交偏振激光转化为电信号； 第二光电探测器315，用于将带有待测距离信息的双频正交偏振激光转化为电信号； 其中，第一光电探测器(314)和第二光电探测器(31 分别电连接至相位计004)， 激光驱动器G03)电连接至可调谐激光器(1)。5.根据权利要求1的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于保偏光纤系统(2)包括光隔离器O00)，用于单方向传播激光，限制反射激光；第一保偏光纤准直器O01)，用于将空间激光耦合进入保偏光纤，且保证激光偏振方向一致；保偏光纤002)，用于传播激光，并保证激光的偏振方向与入射激光偏振方向相同； 保偏光纤耦合器O03)，用于将1路保偏光纤光信号等光强的分成3路保偏光纤光信号；第二保偏光纤准直器204，用于将保偏光纤中的激光准直输出为空间激光，且保证激光偏正方向不变；其中，来自一个可调节激光器(1)的激光经光隔离器(200)单向传播至第一保偏光纤准直器001)，进入保偏光纤002)，激光在保偏光纤(20 中传播时其偏振方向保持不变， 经保偏光纤耦合器(20 后分成等光强的三路激光，分别沿保偏光纤(20 传播至第二保偏光纤准直器(203)。6.根据权利要求1的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于双频外差干涉仪(3)进一步包括第一半透半反镜(300)，用于把第二保偏光纤准直器Q03)出射的单一线偏振激光分成透射和反射的等光强两束激光，第一声光晶体(301)，用于调制上述第一半透半反镜(300)透射的激光，并使得出射光频率相对入射光频率有所改变；第一反射镜(303)，用于把第一声光晶体(301)所调制的上述透射的激光的+1级衍射光反射至一个第二半透半反镜(305)，第二声光晶体(302)，用于调制上述第一半透半反镜(300)反射的激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴学健，张继涛，李岩，尉昊赟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11