專利名稱：基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕對(duì)距離測(cè)量方法及裝置，特別是關(guān)于一種基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光干涉距離測(cè)量是通過探測(cè)參考光路和測(cè)量光路的相位差并根據(jù)干涉波前相位與光程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到測(cè)量光路相對(duì)于參考光路的距離差。參考光路和測(cè)量光路光程每變化一個(gè)干涉波長(zhǎng)，其相位差就變化2 π。參考光路和測(cè)量光路的相位差包括相位的整數(shù)部分和小數(shù)部分，即整周期的個(gè)數(shù)和剩余周期小數(shù)。根據(jù)探測(cè)相位的不同，激光干涉距離測(cè)量可分為增量式激光干涉測(cè)量和絕對(duì)距離激光干涉測(cè)量?jī)纱箢?。增量式激光干涉測(cè)量，通過固定參考光路光程、連續(xù)改變測(cè)量光路光程的方式，探測(cè)相位的變化量，從而得到參考光路和測(cè)量光路的相對(duì)距離變化。增量式激光干涉測(cè)量具有測(cè)量精度高、測(cè)量量程大和測(cè)量速度快等特點(diǎn)，但是測(cè)量光路的距離變化依賴于高精度位移導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)。絕對(duì)距離激光干涉測(cè)量，利用合成波長(zhǎng)的原理增加測(cè)量波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，同時(shí)探測(cè)相位的整數(shù)部分和小數(shù)部分，從而獲得測(cè)量光路的絕對(duì)距離。絕對(duì)距離激光干涉測(cè)量無需測(cè)量光路的移動(dòng)就可直接測(cè)得絕對(duì)距離，在工業(yè)和軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)合成波長(zhǎng)產(chǎn)生方式的不同，絕對(duì)距離激光干涉測(cè)量可以分為相移干涉法、多波長(zhǎng)干涉法和頻率掃描干涉法等。相移干涉法是在一個(gè)干涉周期內(nèi)引入干涉周期的可控變化，通過相應(yīng)的算法精確測(cè)量出相位小數(shù)部分，該方法可用于長(zhǎng)度小于一個(gè)干涉周期的絕對(duì)距離測(cè)量。多波長(zhǎng)干涉法是采用多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光拍頻產(chǎn)生波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于單個(gè)激光波長(zhǎng)的合成波長(zhǎng)，從而測(cè)得相位整數(shù)部分，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量。頻率掃描干涉法是利用可調(diào)諧激光器產(chǎn)生激光頻率的連續(xù)變化，形成合成波長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量?；诳烧{(diào)諧激光器的頻率掃描干涉法系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且其頻率掃描范圍可變，測(cè)量量程從幾毫米到幾十米，測(cè)量精度可達(dá)微米量級(jí)，該方法已成為當(dāng)前絕對(duì)距離測(cè)量研究的熱點(diǎn)方法之一。該方法詳見文獻(xiàn)(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為了提高測(cè)量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，常采用法布里_珀羅腔對(duì)可調(diào)諧激光器的掃描步頁率進(jìn)行控制，詳見文獻(xiàn)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-珀羅腔只能利用多光束干涉的原理對(duì)激光頻率進(jìn)行間接測(cè)量，并且其測(cè)量精度依賴于法布里-珀羅腔的物理腔長(zhǎng)穩(wěn)定度和精細(xì)度。此外，可調(diào)諧激光器的工作頻率也未能與現(xiàn)行的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建立聯(lián)系，該方法未能滿足計(jì)量學(xué)對(duì)測(cè)量應(yīng)具有溯源性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種頻率穩(wěn)定度高并且可溯源的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法及裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟1)設(shè)置一包括可調(diào)諧激光器、保偏光纖系統(tǒng)、雙頻外差干涉儀和激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)的基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置；其中，可調(diào)諧激光器的出射激光經(jīng)保偏光纖系統(tǒng)分別入射至雙頻外差干涉儀和激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)的波長(zhǎng)計(jì)、飛秒光頻梳系統(tǒng)；雙頻外差干涉儀的兩路光電探測(cè)器電連接至激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)的鎖相放大器，激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器電連接至可調(diào)諧激光器；幻調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器輸出某一單一頻率激光，將其鎖定至飛秒光頻梳系統(tǒng)，并由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差；幻連續(xù)無跳模的調(diào)諧可調(diào)諧激光器的輸出激光頻率，由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)記錄雙頻外差干涉儀探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差所產(chǎn)生的整數(shù)相位的變化數(shù)目；4)當(dāng)可調(diào)諧激光器輸出激光調(diào)諧至另一單一頻率， 重復(fù)幻步驟，測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差；5) 由測(cè)得的激光頻率掃描起、止頻率、干涉相位整數(shù)部分以及頻率掃描起、止干涉相位小數(shù)部分，計(jì)算得到待測(cè)光路反射面的絕對(duì)距離。一種基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于，它包括一可調(diào)節(jié)激光器、一保偏光纖系統(tǒng)、一雙頻外差干涉儀和一激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)其中所述可調(diào)諧激光器輸出單一頻率、單一線偏振方向激光，通過改變其工作電流或電壓可連續(xù)調(diào)諧其輸出激光頻率；所述保偏光纖系統(tǒng)包括依次設(shè)置在所述可調(diào)節(jié)激光器出射光路上的光隔離器、第一保偏光纖準(zhǔn)直器、保偏光纖、保偏光纖耦合器和第二保偏光纖準(zhǔn)直器；所述保偏光纖耦合器的輸入端由保偏光纖連接至保偏光纖耦合器，其輸出端由保偏光纖分別連接至第二保偏光纖準(zhǔn)直器和激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)的波長(zhǎng)計(jì)、飛秒光頻梳系統(tǒng)；所述保偏光纖系統(tǒng)保持激光偏振方向與入射激光偏振方向相同；所述雙頻外差干涉儀包括依次設(shè)置在所述第二保偏光纖準(zhǔn)直器出射光路上的第一半透半反鏡、第一聲光晶體、第二聲光晶體、第一反射鏡、第二反射鏡、第二半透半反鏡、 1/2波片、偏振分光棱鏡、第一 1/4波片、第二 1/4波片、參考角錐棱鏡、測(cè)量角錐棱鏡、第一偏振片、第二偏振片、第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器；所述保偏光纖準(zhǔn)直器的出射激光為平行紙面方向的線偏振光；所述第一半透半反鏡、第一聲光晶體、第二聲光晶體、第一反射鏡和第二反射鏡組成馬赫-曾德干涉儀光路，第一聲光晶體和第二聲光晶體分別位于馬赫-曾德干涉儀的兩路，分別只選擇第一聲光晶體和第二聲光晶體的+1級(jí)衍射光出射；所述1/2波片將入射激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，出射激光偏振方向?yàn)榇怪奔埫娣较颍凰龅诙胪赴敕寸R將兩路入射光束等強(qiáng)度的分成兩路，其中一路經(jīng)所述第一偏振片后入射至所述第一光電探測(cè)器，所述第一偏振片光軸方向與兩束激光偏振方向夾角均為45°，另一路入射至所述偏振分光棱鏡；所述偏振分光棱鏡根據(jù)入射光偏振方向的不同分別對(duì)其進(jìn)行反射和透射，其中一路偏振方向平行紙面的光束經(jīng)所述偏振分光棱鏡反射后，入射至所述第一 1/4 波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)45°后出射至所述參考角錐棱鏡，經(jīng)反射后通過所述第一 1/4波片偏振方向繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)所述偏振分光棱鏡透射后經(jīng)所述第二偏振片后入射至所述第二光電探測(cè)器，另一路偏振方向垂直紙面的光束經(jīng)所述偏振分光棱鏡透射后，入射至所述第二 1/4波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)45°后出射至所述測(cè)量角錐棱鏡，經(jīng)反射后通過所述第二 1/4波片偏振方向繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)所述偏振分光棱鏡反射經(jīng)所訴第二偏振片后入射至所述第二光電探測(cè)器，所述第二偏振片的光軸方向與兩路入射光偏振方向夾角均為 45° ；所述激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、波長(zhǎng)計(jì)、飛秒光頻梳系統(tǒng)、激光驅(qū)動(dòng)器和相位計(jì)大器；所述波長(zhǎng)計(jì)的光輸入端由所述保偏光纖連接至所述保偏光纖系統(tǒng)的某一出射端，其輸出端電連接至所述計(jì)算機(jī)；所述飛秒光頻梳系統(tǒng)的光輸入端由所述保偏光纖連接至所述保偏光纖系統(tǒng)的某一出射端，其輸出端電連接至所述計(jì)算機(jī)；所述激光驅(qū)動(dòng)器分別電連接至所述可調(diào)節(jié)激光器和所述計(jì)算機(jī)；所述鎖相放大器的兩路輸入端分別電連接至所述第一、二光電探測(cè)器，其通訊端口電連接至所述計(jì)算機(jī)。所述第一、二聲光晶體的調(diào)制頻率不同，其頻差小于所述相位計(jì)的測(cè)量帶寬。所述波長(zhǎng)計(jì)的工作波長(zhǎng)覆蓋所述可調(diào)諧激光器的所有頻率，并且其測(cè)量精度優(yōu)于 IOOMHz。所述飛秒光頻梳系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)覆蓋所述可調(diào)諧激光器的所有頻率，并且其重復(fù)頻率和偏置頻率鎖定至微波頻率基準(zhǔn)信號(hào)。所述相位計(jì)具有兩路信號(hào)輸入端，可測(cè)量每路輸入正弦型號(hào)的相位。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于包括可調(diào)諧激光器，用于產(chǎn)生單一頻率、單一線偏振激光，且輸出激光器頻率可由其工作電壓和電流控制；保偏光纖系統(tǒng)，用于將空間激光無反射的耦合進(jìn)入保偏光纖，并將其分成等光強(qiáng)的三路光信號(hào)，且保持輸出激光偏振方向與輸入激光偏振方向一致；雙頻外差干涉儀，用于將單一頻率激光轉(zhuǎn)變成雙頻正交偏振激光器，并將帶測(cè)量的距離信心轉(zhuǎn)變?yōu)榧す馀念l信號(hào)的相位信息；激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)，用于精密測(cè)量和鎖定輸入激光的頻率，并測(cè)量?jī)陕方涣餍盘?hào)的相位差。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了基于上述頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置的基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法，其特征在于該方法包括A)調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器，使其輸出一單一頻率激光，并將該激光鎖定至飛秒光頻梳系統(tǒng)，B)由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差，C)連續(xù)無跳模地調(diào)諧可調(diào)諧激光器的輸出激光頻率，由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)記錄雙頻外差干涉儀探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差所產(chǎn)生的整數(shù)變化數(shù)目，D)當(dāng)可調(diào)諧激光器的輸出激光被調(diào)諧至另一單一頻率，重復(fù)步驟A)、B)，測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差，E)由測(cè)得的激光頻率掃描起始和終止頻率、干涉相位整數(shù)部分以及頻率掃描起止和終止干涉相位小數(shù)部分，計(jì)算得到待測(cè)測(cè)量光路反射面的絕對(duì)距離。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明采用波長(zhǎng)計(jì)和飛秒光頻梳系統(tǒng)用于鎖定和測(cè)量可調(diào)節(jié)激光器的頻率，因此激光頻率掃描起、止頻率和掃描頻率范圍可以得到精度的控制和測(cè)量，從而提高了系統(tǒng)對(duì)絕對(duì)距離測(cè)量的精確性和重復(fù)性。2、由于本發(fā)明將飛秒光頻梳的重復(fù)頻率和偏置頻率溯源至微波頻率基準(zhǔn)，通過頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法最終建立了距離測(cè)量結(jié)果與微波頻率基準(zhǔn)的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了距離測(cè)量結(jié)果的溯源。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，如圖 1所示，包括一可調(diào)諧激光器1、一保偏光纖系統(tǒng)2、一雙頻外差干涉儀3和一激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4。其中，可調(diào)諧激光器1的出射激光經(jīng)保偏光纖系統(tǒng)2分別入射至雙頻外差干涉儀3和激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4的波長(zhǎng)計(jì)401和飛秒光頻梳系統(tǒng)402。雙頻外差干涉儀3的第一光電探測(cè)器314、第二光電探測(cè)器315電連接至激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4的相位計(jì)404，激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4的激光驅(qū)動(dòng)器403電連接至可調(diào)諧激光器1。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法包括A)調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器1輸出某一單一頻率激光，將其鎖定至飛秒光頻梳系統(tǒng)402，B)由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4精確測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀3探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差。C)連續(xù)無跳模的調(diào)諧可調(diào)諧激光器1的輸出激光頻率，由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4記錄雙頻外差干涉儀3探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差所產(chǎn)生的整數(shù)變化數(shù)目。D)當(dāng)可調(diào)諧激光器1輸出激光調(diào)諧至另一單一頻率，重復(fù)A)、B)步驟，測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀3探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差。E)由測(cè)得的激光頻率掃描起始和終止頻率、干涉相位整數(shù)部分以及頻率掃描起始和終止干涉相位小數(shù)部分，計(jì)算得到待測(cè)測(cè)量光路反射面的絕對(duì)距離。如圖1所示，基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置中的可調(diào)節(jié)激光器1 用于輸出單一頻率、單一線偏振激光。本實(shí)施例中，可調(diào)節(jié)激光器1采用外腔半導(dǎo)體激光器，其輸出波長(zhǎng)約為633nm，通過改變其工作電流或工作電壓，可實(shí)現(xiàn)大于IOOGHz的無跳模頻率調(diào)諧。如圖1所示，基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置中的保偏光纖系統(tǒng)2 包括光隔離器200、第一保偏光纖準(zhǔn)直器201、保偏光纖202、保偏光纖耦合器203和第二保偏光纖準(zhǔn)直器204，該系統(tǒng)用于將可調(diào)節(jié)激光器1輸出的光束單方向分別傳輸至雙頻外差干涉儀3和激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4中的波長(zhǎng)計(jì)401、飛秒光頻梳402，并保持激光偏振態(tài)不變。其中，可調(diào)節(jié)激光器1輸出的激光經(jīng)光隔離器200單向傳播至第一保偏光纖準(zhǔn)直器201，進(jìn)入保偏光纖202，激光在保偏光纖202中傳播時(shí)其偏振方向保持不變，經(jīng)保偏光纖耦合器203后分成等光強(qiáng)的三路激光，分別沿保偏光纖202傳播至第二保偏光纖準(zhǔn)直器203、波長(zhǎng)計(jì)401以及飛秒光頻梳系統(tǒng)402。如圖1所示，基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置中的雙頻外差干涉儀 3包括第一半透半反鏡300、第一聲光晶體301、第二聲光晶體302、第一反射鏡303、第二反射鏡304、第二半透半反鏡305、1/2波片306、偏振分光棱鏡307、第一 1/4波片308、第二 1/4波片309、參考角錐棱鏡310、測(cè)量角錐棱鏡311、第一偏振片312、第二偏振片313、第一光電探測(cè)器314和第二光電探測(cè)器315，該系統(tǒng)用于利用外差邁克爾遜干涉原理將待測(cè)絕對(duì)距離信息轉(zhuǎn)化為干涉信號(hào)的相位信息。其中，第二保偏光纖準(zhǔn)直器203的出射的激光偏振方向平行于紙面，由第一半透半反鏡300分成透射和反射的等光強(qiáng)兩束激光，透射光由第一聲光晶體301調(diào)制后，其+1級(jí)衍射光經(jīng)第一反射鏡303反射至第二半透半反鏡305， 光束偏振方向平行于紙面；反射光由第二聲光晶體302調(diào)制后，其+1級(jí)衍射光經(jīng)第二反射鏡304反射至1/2波片306透射光束偏振方向旋轉(zhuǎn)至與紙面垂直方向，入射至第二半透半反鏡305。兩路光在第二半透半反鏡305合并后再等光強(qiáng)分成兩路，其中一路經(jīng)第一偏振片312，其光軸方向與入射光束偏振方向夾角均為45°，入射至第一光電探測(cè)器314轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；另一路垂直入射至偏振分光棱鏡307，根據(jù)入射光束偏振方向的不同而被反射或透射，其中偏振方向平行紙面的光束由偏振分光棱鏡307反射至第一 1/4波片308，出射光束偏振方向旋轉(zhuǎn)45°后入射至參考角錐棱鏡310，反射后透射第一 1/4波片308，光束偏振方向繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)偏振分光棱鏡307透射后入射至第二偏振片313，其中偏振方向垂直紙面的光束透射偏振分光棱鏡307至第二 1/4波片309，出射光束偏振方向旋轉(zhuǎn) 45°后入射至參考角錐棱鏡311，反射后透射第一 1/4波片309，光束偏振方向繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)偏振分光棱鏡307反射至第二偏振片313，第二偏振片313光軸方向與兩路光束偏振方向夾角均為45°，兩路光束經(jīng)第二偏振片313后入射至第二光電探測(cè)器315轉(zhuǎn)化電信號(hào)。本實(shí)施例中，第一聲光晶體301的調(diào)制頻率為80MHz，第二聲光晶體302的調(diào)制頻率為80. IMHz。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雙頻外差干涉儀3的中，第一半透半反鏡300、第一聲光晶體301、第二聲光晶體302、第一反射鏡303、第二反射鏡303和第二半透半反鏡304 組成馬赫-曾德干涉儀，其中第一聲光晶體301的調(diào)制頻率為80MHz，第二聲光晶體302的調(diào)制頻率為80. IMHz ；第一光電探測(cè)器314將調(diào)制頻率分別為80MHz和80. IMHz的兩路光束拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率為IOOkHz的正弦電信號(hào)P ；偏振分光棱鏡307、第一 1/4波片308、第二 1/4波片309、參考角錐棱鏡310和測(cè)量角錐棱鏡311組成邁克爾遜干涉儀，固定參考角錐棱鏡310的位置，對(duì)于某一測(cè)量角錐棱鏡311的位置，由第二光電探測(cè)器315將調(diào)制頻率分別為80MHz和80. IMHz的兩路光束拍頻所產(chǎn)生的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化為IOOkHz的正弦電信號(hào) P’；比較P和P’的相位差，就可以得到測(cè)量光與參考光干涉信號(hào)的相位差；1/2波片306、第一 1/4波片308、第二 1/4波片309、第一偏振312片和第二偏振片313用于改變激光偏振方向。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置中的激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4包括計(jì)算機(jī)400、波長(zhǎng)計(jì)401、飛秒光頻梳系統(tǒng) 402、激光驅(qū)動(dòng)器403和相位計(jì)404，該系統(tǒng)用于控制并測(cè)量可調(diào)節(jié)激光器1的輸出激光頻率以及測(cè)量雙頻外差干涉儀3的兩路干涉信號(hào)的相位差。其中，計(jì)算機(jī)400用于接受波長(zhǎng)計(jì)401、飛秒光頻梳系統(tǒng)402和相位計(jì)404的的輸出信號(hào)，并輸出對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器403的控制信號(hào)；波長(zhǎng)計(jì)401的光輸入端連接至保偏光纖系統(tǒng)2的某一光纖輸出端，其輸出端電連接至計(jì)算機(jī)400，用于粗測(cè)可調(diào)諧激光器1的輸出激光頻率；飛秒光頻梳系統(tǒng)402的光輸入端連接至保偏光纖系統(tǒng)2的某一光纖輸出端，其輸出端電連接至計(jì)算機(jī)400，用于精確測(cè)量和鎖定可調(diào)諧激光器1的輸出激光頻率；激光驅(qū)動(dòng)器403輸入端電連接至計(jì)算機(jī)400，其輸出端電連接至可調(diào)節(jié)激光器1，用于驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光器1并控制其輸出激光頻率和功率；相位計(jì) 404的兩路輸入端分別電連接至第一光電探測(cè)器312和第二光電探測(cè)器313，其輸出端電連接至計(jì)算機(jī)400，用于測(cè)量?jī)陕份斎虢涣餍盘?hào)的相位差。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)4中，在激光頻率測(cè)量方面，波長(zhǎng)計(jì)401基于干涉原理對(duì)可調(diào)節(jié)激光器1的實(shí)時(shí)激光頻率進(jìn)行粗測(cè)，其測(cè)量精度為60MHz，飛秒光頻梳系統(tǒng)402通過將其重復(fù)頻率和偏振頻率鎖定至微波頻率基準(zhǔn)，將飛秒光頻梳的光波頻率溯源至微波頻率基準(zhǔn)，通過測(cè)量光頻梳與待測(cè)激光拍頻S，可對(duì)激光頻率進(jìn)行精確測(cè)量，將S反饋至激光驅(qū)動(dòng)器403可鎖定可調(diào)節(jié)激光器1的輸出激光頻率；在干涉相位測(cè)量方面，第一光電探測(cè)器314和第二光電探測(cè)器315得到的光電信號(hào)P和P’輸入至相位計(jì)404，測(cè)得P和P，的實(shí)時(shí)相位差Δρ，并將其傳輸至計(jì)算機(jī)400。如圖1、圖2所示，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置中，參考臂與測(cè)量臂的相位差^可表示為
權(quán)利要求
1.基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于包括可調(diào)諧激光器(1)，用于產(chǎn)生單一頻率、單一線偏振激光，且輸出激光器頻率可由其工作電壓和電流控制；保偏光纖系統(tǒng)O)，用于將空間激光無反射的耦合進(jìn)入保偏光纖，并將其分成等光強(qiáng)的三路光信號(hào)，且保持輸出激光偏振方向與輸入激光偏振方向一致；雙頻外差干涉儀(3)，用于將單一頻率激光轉(zhuǎn)變成雙頻正交偏振激光器，并將待測(cè)量的距離信息轉(zhuǎn)變?yōu)榧す馀念l信號(hào)的相位信息；激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)G)，用于精密測(cè)量和鎖定輸入激光的頻率，并測(cè)量?jī)陕方涣餍盘?hào)的相位差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于所述激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)(4)包括波長(zhǎng)計(jì)G01)，用于粗測(cè)輸入激光頻率，測(cè)量精度優(yōu)于IOOMHz ； 飛秒光頻梳系統(tǒng)002)，用于精密測(cè)量輸入激光頻率，測(cè)量精度優(yōu)于IkHz ； 激光驅(qū)動(dòng)器003)，用于為可調(diào)諧激光器(1)提供所需的電壓和電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 相位計(jì)004)，用于測(cè)量?jī)陕方涣餍盘?hào)的相位差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于保偏光纖系統(tǒng)(2)使來自一個(gè)可調(diào)諧激光器(1)的出射激光分別入射至雙頻外差干涉儀C3)和所述波長(zhǎng)計(jì)(401) 和飛秒光頻梳系統(tǒng)002)，且出射激光的偏振方向與可調(diào)諧激光器(1)的輸出激光偏振方向一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于雙頻外差干涉儀(3)包括第一光電探測(cè)器(314)，用于將雙頻正交偏振激光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 第二光電探測(cè)器315，用于將帶有待測(cè)距離信息的雙頻正交偏振激光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 其中，第一光電探測(cè)器(314)和第二光電探測(cè)器(31 分別電連接至相位計(jì)004)， 激光驅(qū)動(dòng)器G03)電連接至可調(diào)諧激光器(1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于保偏光纖系統(tǒng)(2)包括光隔離器O00)，用于單方向傳播激光，限制反射激光；第一保偏光纖準(zhǔn)直器O01)，用于將空間激光耦合進(jìn)入保偏光纖，且保證激光偏振方向一致；保偏光纖002)，用于傳播激光，并保證激光的偏振方向與入射激光偏振方向相同； 保偏光纖耦合器O03)，用于將1路保偏光纖光信號(hào)等光強(qiáng)的分成3路保偏光纖光信號(hào)；第二保偏光纖準(zhǔn)直器204，用于將保偏光纖中的激光準(zhǔn)直輸出為空間激光，且保證激光偏正方向不變；其中，來自一個(gè)可調(diào)節(jié)激光器(1)的激光經(jīng)光隔離器(200)單向傳播至第一保偏光纖準(zhǔn)直器001)，進(jìn)入保偏光纖002)，激光在保偏光纖(20 中傳播時(shí)其偏振方向保持不變， 經(jīng)保偏光纖耦合器(20 后分成等光強(qiáng)的三路激光，分別沿保偏光纖(20 傳播至第二保偏光纖準(zhǔn)直器(203)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，其特征在于雙頻外差干涉儀(3)進(jìn)一步包括第一半透半反鏡(300)，用于把第二保偏光纖準(zhǔn)直器Q03)出射的單一線偏振激光分成透射和反射的等光強(qiáng)兩束激光，第一聲光晶體(301)，用于調(diào)制上述第一半透半反鏡(300)透射的激光，并使得出射光頻率相對(duì)入射光頻率有所改變；第一反射鏡(303)，用于把第一聲光晶體(301)所調(diào)制的上述透射的激光的+1級(jí)衍射光反射至一個(gè)第二半透半反鏡(305)，第二聲光晶體(302)，用于調(diào)制上述第一半透半反鏡(300)反射的激光，并使得出射光頻率相對(duì)入射光頻率有所改變；第二反射鏡(304)，用于把所述第二聲光晶體(302)調(diào)制的激光的+1級(jí)衍射光反射至第二半透半反鏡(305)，來自第一反射鏡(303)和第二反射鏡(304)的上述+1級(jí)衍射光在第二半透半反鏡(30 合并后再等光強(qiáng)地分成兩路，1/2波片(306)，用于將出射光的偏振方向相對(duì)入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ； 第二半透半反鏡(305)，用于將由第一反射鏡(303)和第二反射鏡(304)分別反射的激光分成透射和反射的等光強(qiáng)兩束激光；偏振分光棱鏡(307)，用于根據(jù)入射光的偏振方向，分別對(duì)其進(jìn)行透射的反射； 第一 1/4波片(308)，用于將出射光的偏振方向相對(duì)于入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)45° ； 第二 1/4波片(309)，用于將出射光的偏振方向相對(duì)于入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)45° ； 參考角錐棱鏡(310)，用于反射入射光束，并使得反射光束與入射光束平行 測(cè)量角錐棱鏡(311)，用于反射入射光束，并使得反射光束與入射光束平行； 第一偏振片(312)，用于使得入射的雙頻正交偏振激光有相同的偏振分量； 第一偏振片(313)，用于使得入射的雙頻正交偏振激光有相同的偏振分量； 第一光電探測(cè)器(314)，用于將雙頻正交偏振激光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 第二光電探測(cè)器315，用于將帶有待測(cè)距離信息的雙頻正交偏振激光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 其中，在第二半透半反鏡(30 合并后再等光強(qiáng)地分成兩路的光束中的一路光束經(jīng)第一偏振片(31 透射至第一光電探測(cè)器(314)，另一路光束垂直入射至偏振分光棱鏡 (307)，根據(jù)入射光束偏振方向不同而被分為透射和反射兩路光束，由偏振分光棱鏡(307) 反射的光束經(jīng)第一 1/4波片(308)透射后，出射光偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)參考角錐棱鏡 (310)反射后再經(jīng)第一 1/4波片(308)透射后，其光束偏振方向繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)偏振分光棱鏡(307)透射后經(jīng)第二偏振片(31 至第二光電探測(cè)器(315)，由偏振分光棱鏡(307)透射的光束經(jīng)第二 1/4波片(309)透射后，出射光束偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)測(cè)量角錐棱鏡(311)反射后再經(jīng)第二 1/4波片(309)透射后，其光束偏振方向繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn) 45°，經(jīng)偏振分光棱鏡(307)反射后經(jīng)第二偏振片(31 至第二光電探測(cè)器(315)。
7.基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量方法，其特征在于該方法基于根據(jù)權(quán)利要求2-6中任何一項(xiàng)的的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置，并包括A)調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器(1)，使其輸出一單一頻率激光，并將該激光鎖定至飛秒光頻梳系統(tǒng)(402)，B)由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)(4)精確測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀( 探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差，C)連續(xù)無跳模地調(diào)諧可調(diào)諧激光器(1)的輸出激光頻率，由激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)(4)記錄雙頻外差干涉儀C3)探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差所產(chǎn)生的整數(shù)變化數(shù)目，D)當(dāng)可調(diào)諧激光器(1)的輸出激光被調(diào)諧至另一單一頻率，重復(fù)步驟A)、B)，測(cè)得此時(shí)的工作激光頻率和雙頻外差干涉儀( 探測(cè)的兩路干涉信號(hào)相位差，E)由測(cè)得的激光頻率掃描起始和終止頻率、干涉相位整數(shù)部分以及頻率掃描起止和終止干涉相位小數(shù)部分，計(jì)算得到待測(cè)測(cè)量光路反射面的絕對(duì)距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于飛秒光頻梳的頻率掃描絕對(duì)距離測(cè)量裝置及基于該裝置的絕對(duì)距離測(cè)量方法，該裝置包括可調(diào)諧激光器(1)，用于產(chǎn)生單一頻率、單一線偏振激光，且輸出激光器頻率可由其工作電壓和電流控制；保偏光纖系統(tǒng)(2)，用于將空間激光無反射的耦合進(jìn)入保偏光纖，并將其分成等光強(qiáng)的3路光信號(hào)，且保持輸出激光偏振方向與輸入激光偏振方向一致；雙頻外差干涉儀(3)，用于將單一頻率激光轉(zhuǎn)變成雙頻正交偏振激光器，并將待測(cè)量的距離信息轉(zhuǎn)變?yōu)榧す馀念l信號(hào)的相位信息；激光頻率與干涉相位測(cè)量系統(tǒng)(4)，用于精密測(cè)量和鎖定輸入激光的頻率，并測(cè)量?jī)陕方涣餍盘?hào)的相位差。
文檔編號(hào)G01J9/02GK102183234SQ201110068000
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者吳學(xué)健, 尉昊赟, 張繼濤, 李巖 申請(qǐng)人:清華大學(xué)