基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量方法及装置

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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2π。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)：2976-2980。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频率进行控制，详见文献(2)：Accuracy of frequency-sweeping interferometry for absolute distance metrology，A.Cabral and J.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。

发明内容

针对上述问题，本发明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，本发明采取以下技术方案：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；2)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；3)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2)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所述计算机；所述锁相放大器的两路输入端分别电连接至所述第一、二光电探测器，其通讯端口电连接至所述计算机。

所述第一、二声光晶体的调制频率不同，其频差小于所述相位计的测量带宽。

所述波长计的工作波长覆盖所述可调谐激光器的所有频率，并且其测量精度优于100MHz。

所述飞秒光频梳系统的工作波长覆盖所述可调谐激光器的所有频率，并且其重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准信号。

所述相位计具有两路信号输入端，可测量每路输入正弦型号的相位。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置，其特征在于包括：

可调谐激光器，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，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，用于将单一频率激光转变成双频正交偏振激光器，并将带测量的距离信心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，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。

根据本发明的另一个方面，提供了基于上述频率扫描绝对距离测量装置的基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量方法，其特征在于该方法包括：

A)调节可调谐激光器，使其输出一单一频率激光，并将该激光锁定至飞秒光频梳系统，

B)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，

C)连续无跳模地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变化数目，

D)当可调谐激光器的输出激光被调谐至另一单一频率，重复步骤A)、B)，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，

E)由测得的激光频率扫描起始和终止频率、干涉相位整数部分以及频率扫描起止和终止干涉相位小数部分，计算得到待测测量光路反射面的绝对距离。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明采用波长计和飞秒光频梳系统用于锁定和测量可调节激光器的频率，因此激光频率扫描起、止频率和扫描频率范围可以得到精度的控制和测量，从而提高了系统对绝对距离测量的精确性和重复性。2、由于本发明将飞秒光频梳的重复频率和偏置频率溯源至微波频率基准，通过频率扫描绝对距离测量方法最终建立了距离测量结果与微波频率基准的联系，实现了距离测量结果的溯源。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的装置的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的频率扫描绝对距离测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

根据本发明的一个实施例的基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置，如图1所示，包括一可调谐激光器1、一保偏光纤系统2、一双频外差干涉仪3和一激光频率与干涉相位测量系统4。其中，可调谐激光器1的出射激光经保偏光纤系统2分别入射至双频外差干涉仪3和激光频率与干涉相位测量系统4的波长计401和飞秒光频梳系统402。双频外差干涉仪3的第一光电探测器314、第二光电探测器315电连接至激光频率与干涉相位测量系统4的相位计404，激光频率与干涉相位测量系统4的激光驱动器403电连接至可调谐激光器1。

根据本发明的一个实施例的基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量方法包括：

A)调节可调谐激光器1输出某一单一频率激光，将其锁定至飞秒光频梳系统402，

B)由激光频率与干涉相位测量系统4精确测得此时的工作激光频率和双频外差干涉仪3探测的两路干涉信号相位差。

C)连续无跳模的调谐可调谐激光器1的输出激光频率，由激光频率与干涉相位测量系统4记录双频外差干涉仪3探测的两路干涉信号相位差所产生的整数变化数目。

D)当可调谐激光器1输出激光调谐至另一单一频率，重复A)、B)步骤，测得此时的工作激光频率和双频外差干涉仪3探测的两路干涉信号相位差。

E)由测得的激光频率扫描起始和终止频率、干涉相位整数部分以及频率扫描起始和终止干涉相位小数部分，计算得到待测测量光路反射面的绝对距离。

如图1所示，基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置中的可调节激光器1用于输出单一频率、单一线偏振激光。本实施例中，可调节激光器1采用外腔半导体激光器，其输出波长约为633nm，通过改变其工作电流或工作电压，可实现大于100GHz的无跳模频率调谐。

如图1所示，基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置中的保偏光纤系统2包括光隔离器200、第一保偏光纤准直器201、保偏光纤202、保偏光纤耦合器203和第二保偏光纤准直器204，该系统用于将可调节激光器1输出的光束单方向分别传输至双频外差干涉仪3和激光频率与干涉相位测量系统4中的波长计401、飞秒光频梳402，并保持激光偏振态不变。其中，可调节激光器1输出的激光经光隔离器200单向传播至第一保偏光纤准直器201，进入保偏光纤202，激光在保偏光纤202中传播时其偏振方向保持不变，经保偏光纤耦合器203后分成等光强的三路激光，分别沿保偏光纤202传播至第二保偏光纤准直器203、波长计401以及飞秒光频梳系统402。

如图1所示，基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置中的双频外差干涉仪3包括第一半透半反镜300、第一声光晶体301、第二声光晶体302、第一反射镜303、第二反射镜304、第二半透半反镜305、1/2波片306、偏振分光棱镜307、第一1/4波片308、第二1/4波片309、参考角锥棱镜310、测量角锥棱镜311、第一偏振片312、第二偏振片313、第一光电探测器314和第二光电探测器315，该系统用于利用外差迈克尔逊干涉原理将待测绝对距离信息转化为干涉信号的相位信息。其中，第二保偏光纤准直器203的出射的激光偏振方向平行于纸面，由第一半透半反镜300分成透射和反射的等光强两束激光，透射光由第一声光晶体301调制后，其+1级衍射光经第一反射镜303反射至第二半透半反镜305，光束偏振方向平行于纸面；反射光由第二声光晶体302调制后，其+1级衍射光经第二反射镜304反射至1/2波片306透射光束偏振方向旋转至与纸面垂直方向，入射至第二半透半反镜305。两路光在第二半透半反镜305合并后再等光强分成两路，其中一路经第一偏振片312，其光轴方向与入射光束偏振方向夹角均为45°，入射至第一光电探测器314转化为电信号；另一路垂直入射至偏振分光棱镜307，根据入射光束偏振方向的不同而被反射或透射，其中偏振方向平行纸面的光束由偏振分光棱镜307反射至第一1/4波片308，出射光束偏振方向旋转45°后入射至参考角锥棱镜310，反射后透射第一1/4波片308，光束偏振方向继续沿原方向旋转45°，经偏振分光棱镜307透射后入射至第二偏振片313，其中偏振方向垂直纸面的光束透射偏振分光棱镜307至第二1/4波片309，出射光束偏振方向旋转45°后入射至参考角锥棱镜311，反射后透射第一1/4波片309，光束偏振方向继续沿原方向旋转45°，经偏振分光棱镜307反射至第二偏振片313，第二偏振片313光轴方向与两路光束偏振方向夹角均为45°，两路光束经第二偏振片313后入射至第二光电探测器315转化电信号。本实施例中，第一声光晶体301的调制频率为80MHz，第二声光晶体302的调制频率为80.1MHz。

在根据本发明的一个实施例的双频外差干涉仪3的中，第一半透半反镜300、第一声光晶体301、第二声光晶体302、第一反射镜303、第二反射镜303和第二半透半反镜304组成马赫-曾德干涉仪，其中第一声光晶体301的调制频率为80MHz，第二声光晶体302的调制频率为80.1MHz；第一光电探测器314将调制频率分别为80MHz和80.1MHz的两路光束拍频信号转化为频率为100kHz的正弦电信号P；偏振分光棱镜307、第一1/4波片308、第二1/4波片309、参考角锥棱镜310和测量角锥棱镜311组成迈克尔逊干涉仪，固定参考角锥棱镜310的位置，对于某一测量角锥棱镜311的位置，由第二光电探测器315将调制频率分别为80MHz和80.1MHz的两路光束拍频所产生的干涉信号转化为100kHz的正弦电信号P’；比较P和P’的相位差，就可以得到测量光与参考光干涉信号的相位差；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用于改变激光偏振方向。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置中的激光频率与干涉相位测量系统4包括计算机400、波长计401、飞秒光频梳系统402、激光驱动器403和相位计404，该系统用于控制并测量可调节激光器1的输出激光频率以及测量双频外差干涉仪3的两路干涉信号的相位差。其中，计算机400用于接受波长计401、飞秒光频梳系统402和相位计404的的输出信号，并输出对激光驱动器403的控制信号；波长计401的光输入端连接至保偏光纤系统2的某一光纤输出端，其输出端电连接至计算机400，用于粗测可调谐激光器1的输出激光频率；飞秒光频梳系统402的光输入端连接至保偏光纤系统2的某一光纤输出端，其输出端电连接至计算机400，用于精确测量和锁定可调谐激光器1的输出激光频率；激光驱动器403输入端电连接至计算机400，其输出端电连接至可调节激光器1，用于驱动可调谐激光器1并控制其输出激光频率和功率；相位计404的两路输入端分别电连接至第一光电探测器312和第二光电探测器313，其输出端电连接至计算机400，用于测量两路输入交流信号的相位差。

在根据本发明的一个实施例的激光频率与干涉相位测量系统4中，在激光频率测量方面，波长计401基于干涉原理对可调节激光器1的实时激光频率进行粗测，其测量精度为60MHz，飞秒光频梳系统402通过将其重复频率和偏振频率锁定至微波频率基准，将飞秒光频梳的光波频率溯源至微波频率基准，通过测量光频梳与待测激光拍频S，可对激光频率进行精确测量，将S反馈至激光驱动器403可锁定可调节激光器1的输出激光频率；在干涉相位测量方面，第一光电探测器314和第二光电探测器315得到的光电信号P和P’输入至相位计404，测得P和P’的实时相位差并将其传输至计算机400。

如图1、图2所示，在根据本发明的一个实施例的基于飞秒光频梳的频率扫描绝对距离测量装置中，

参考臂与测量臂的相位差可表示为

其中，L为参考臂与测量臂的光程差，λ为激光波长，N为相位差相对于2π周期的整数部分，ε为相位差相对于2π周期的数部分。频率(波长)扫描测量时激光器波长从λ连续变化至λ+Δλ，同理，参考臂与测量臂的相位差可表示为

其中，为激光波长为λ对应的参考臂与测量臂的相位差，其相位整数部分为N₁，相位小数部分为ε₁，为激光波长为λ+Δλ对应的参考臂与测量臂的相位差，其相位整数部分为N₂，相位小数部分为ε₂。由以上公式可得，频率扫描引起的参考臂与测量臂的相位差的变化可表示为

其中，ΔN和Δε分别为频率扫描引起的参考臂与测量臂相位差变化的整数部分和小数部分，频率(波长)扫描引起的瞬时合成波长λ_s＝λ(λ+Δλ)/Δλ，则上式可表示为

由此可得，参考臂与测量臂的光程差L为

$L=(\mathrm{\Delta N}+\mathrm{\Delta ϵ}){\lambda }_s=(\mathrm{\Delta N}+\mathrm{\Delta ϵ})\frac{\lambda (\lambda +\mathrm{\Delta \lambda })}{\mathrm{\Delta \lambda }}---\left(6\right)$

由此可得，通过测量激光起始和终止波长以及频率(波长)扫描过程中参考臂和测量臂相位差变化的整数部分和小数部分，由公式(6)可得参考臂与测量臂的光程差，从而得到待测目标物的绝对距离。

本发明利用频率扫描绝对距离测量原理，采用波长计和飞秒光频梳系统对激光频率进行精确控制和测量，可以有效提高绝对距离测量精确性和重复性。同时，飞秒光频梳系统搭建了微波频率基准与激光频率的桥梁，最终使得绝对距离测量结果溯源至频率基准，满足计量学要求。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。