[发明专利]主动色散补偿的飞秒激光测距装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光测距领域，特别是主动色散补偿的飞秒激光测距装置及方法。

背景技术

激光以其单色性和相干性好、方向性强的优点，在涉及大尺寸加工测量、地球形貌绘制、空间遥感探测和卫星间精密定位中的精密位移测量方面发挥着重要的作用。通常的激光测距法分为干涉测量法和非干涉测量法两类，非干涉测量法通过将激光传输的时间飞行信号转换为待测目标距离，适合于绝对距离测量应用，但此方法的测量精度和分辨力受限于电子仪器的响应时间。而传统的干涉测量法则是采用相位累积推算出位移增量，这种方法的精度和分辨力较高，但是不适合于绝对距离测量。飞秒光学频率梳提供了一种有效的方法来解决高精度绝对距离测量问题。目前飞秒光学频率梳测距主要包括多波长干涉测距法、结合非相干原理和相干原理的测距法、基于时间飞行原理的非干涉测距法和集成时间飞行、光谱分辨干涉及合成波长的测距法。

国际上已有美国、日本、德国、荷兰等国相继开展了飞秒激光高精度测距技术研究工作。早在2000年，日本国家工业研究院的K.Minoshima利用锁模飞秒光纤激光器实现了240m距离的高精度测量，文中提出利用10GHz的高频飞秒脉冲来达到μm量级的测量分辨力的可能性。2004年，美国物理学家叶军提出结合非相干的飞行时间法和干涉法的测距技术，明确指出该方法可实现分辨力达一个光学波长，测距范围达上千公里的优势，该文对未来飞秒激光测距的发展具有重要的指导意义。之后荷兰学者和美国学者分别对叶军的思想进行了实验验证。2008年，韩国科学家K.N.Joo提出基于飞秒光梳的组合干涉测量技术。该技术结合了合成波长干涉测量法、时间飞行法和光谱分辨干涉测量法等三种测量原理的优点，实现了快速和大动态范围测量。2010年，韩国科学家J.Lee和Y. Kim等人在Nature Photonics上发表文章，采用基于时间飞行原理的非干涉方法来实现长距离测量，从而将时间飞行测距法的测量精度提高到纳米量级。

不同于纳秒和皮秒脉冲激光测距，飞秒激光由于其具有宽光谱的特点，飞秒脉冲在空气中传输其低频成分比高频成分的传播速度快，在传播较远距离后会导致严重的时域脉冲展宽和频域附加啁啾的现象，可以称之为群速色散。而群速色散直接影响飞秒激光的测距精度，因此，为了实现高精度飞秒激光测距，如何对受大气环境影响后展宽的飞秒脉冲进行有效精确的色散补偿是飞秒激光测距领域亟待解决的问题。韩国高等科学技术研究院学者S-W Kim提出采用采用一系列单模光纤和棱镜对组合的空气色散补偿方案，但该方案操作复杂，体积较大，在工程应用领域有一定的局限性。

本发明是关于解决飞秒激光测距中的空气色散补偿问题。发明中提出采用了基于透射式光栅对的空气色散补偿方案，对比以前使用单模光纤和棱镜对组成的空气色散补偿机构而言，该方案具有结构紧凑、操作方便的优点，不仅对将来飞秒激光测距中的色散补偿需求具有一定的参考价值，而且利于实际工程测量应用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供主动色散补偿的飞秒激光测距装置及方法，该装置体积小，操作灵活，具有广泛的工程应用前景。

本发明的技术解决方案如下：

主动色散补偿的飞秒激光测距装置，该装置包括飞秒激光频率梳FLFC、激光隔离部分ISO、飞秒激光扩束准直部分、迈克尔逊测距装置部分、飞秒激光脉宽及相位测量部分FROG和数据采集及处理部分；

所述的飞秒激光频率梳FLFC包括飞秒激光振荡器部分、微波原子钟部分、重复频率锁相电路部分和载波包络相移锁相电路部分；

所述的迈克尔逊测距装置部分还包括色散补偿部分，色散补偿部分包括透射式光栅对G1和G2、宽光谱反射镜M1和M2以及微位移移动台；

飞秒激光频率梳FLFC产生的激光依次经过激光隔离部分ISO、飞秒激光扩束准直部分、迈克尔逊测距装置部分、飞秒激光脉宽及相位测量部分FROG后用计算机对接收到的数据进行采集并处理；

上述的光栅对为是石英或其他透明材料；

利用上述装置进行主动色散补偿的方法包括如下步骤：

1)通过短脉冲空气传输理论分析对比，在测量距离一定的情况下，采用受空气色散影响较小的中心波长为1550nm的飞秒激光作为测量光源；

2)对在空气中经过长距离传输后的飞秒脉冲激光进行测量，通过分光镜将展宽后的飞秒激光导入具有飞秒脉宽和相位测量功能的装置(例如，频率分辨光学开关测量装置)，可实现定量测量受空气色散影响后的飞秒脉冲激光。随后将测量结果反馈至空气色散补偿部分以便后续处理；