[发明专利]基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于飞秒激光测距领域，特别涉及一种基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置及方法。

背景技术

激光由于光子简并度高，因此具有方向性好、相干长度长等诸多优点，在机械制造、空间遥感、卫星编队飞行以及距离测量方面发挥重要作用。光学频率梳是在锁模激光器基础上发展出的一种宽光谱相干激光光源，其各纵模可溯源至频率基准。利用其频率的可溯源性，美国、荷兰、德国以及韩国等国家相继开展了基于光学频率梳的高精度绝对距离测量工作。2004年，美国物理学家J.Ye提出利用光学频率梳的时域脉冲特性以及频率相干特性进行绝对距离测量，理论上可以实现优于一个光学波长的分辨精度。2008年，荷兰学者M.Cui对J.Ye的方案进行实验验证，测量精度在百纳米量级。这个实验方案的不足之处在于，待测长度受到光学频率梳重复频率调节范围的限制，只能测量某些分立的特定长度，不能实现连续的绝对距离测量。2009年，I.Coddington提出基于线性光学采样的双光学频率梳绝对距离测量方案，采样时间为60ms，测量误差为5nm，测量范围可达30km。这种方案的不足之处在于，测量原理基于线性光学采样，两台光学频率梳的重复频率和偏置频率都需要锁定，偏置频率锁定系统尤其复杂。2010年，Joohyung Lee提出基于平衡互相关的飞行时间绝对距离测量方案，在室外对0.7km的目标进行测量实验，当采样时间为5ms时，测量结果Allan方差为117nm。这种方案使用非相干测量技术，但测量原理继承了J.Ye的方案，因此也只能测量某些分立的长度值。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置及方法，不需要锁定偏置频率，实现基于飞行时间法的连续范围的绝对距离测量，从而拓宽飞秒激光绝对距离测量的应用场合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，包括：

用于实现时域光学扫描的重复频率有差异的第一飞秒激光频率梳1和第二飞秒激光频率梳2；

用于产生待测距离的迈克尔逊干涉测距装置；

用于当两台飞秒激光频率梳的光脉冲时域重合时产生倍频光信号的第二类相位匹配非线性光学倍频结构；

用于探测倍频光信号并通过差分方式处理所探测的数据、提取过零点在数组中的序号、计算参考臂与测量臂长度差的数据采集和处理单元。

所述迈克尔逊干涉测距装置包括二分之一波片HWP1、偏振分光棱镜PBS1、四分之一波片QWP1、四分之一波片QWP2，宽光谱反射镜M1和宽光谱反射镜M2，第一飞秒激光频率梳1发出的光脉冲经过二分之一波片HWP1后在偏振分光棱镜PBS1形成正交偏振光，正交偏振光的一路经四分之一波片QWP1后入射至宽光谱反射镜M1，另一路经四分之一波片QWP2后入射至宽光谱反射镜M2，两路光的偏振状态分别被旋转90°后又反射回偏振分光棱镜PBS1，并在偏振分光棱镜PBS1合光。

所述宽光谱反射镜M1和宽光谱反射镜M2上镀金或银。

所述第二类相位匹配非线性光学倍频结构包括二分之一波片HWP2、二分之一波片HWP3、偏振分光棱镜PBS2、倍频聚焦透镜L1、倍频聚焦透镜L2、第二类相位匹配非线性倍频晶体C1、第二类相位匹配非线性倍频晶体C2、倍频耦合透镜L3和倍频耦合透镜L4；来自偏振分光棱镜PBS1的合光经过二分之一波片HWP3后入射到偏振分光棱镜PBS2，第二飞秒激光频率梳2发出的光脉冲经过二分之一波片HWP2后入射到偏振分光棱镜PBS2，两束光在偏振分光棱镜PBS2合光形成正交偏振光，正交偏振光的一路依次经倍频聚焦透镜L1、第二类相位匹配非线性倍频晶体C1和倍频耦合透镜L3后输入至数据采集和处理单元，另一路依次经倍频聚焦透镜L2、第二类相位匹配非线性倍频晶体C3和倍频耦合透镜L4后输入至数据采集和处理单元。

所述数据采集和处理单元包括探测器D1、探测器D2和高速数据采集卡以及控制单元3，探测器D1接收来自倍频耦合透镜L3的一路光，探测器D2接收来自倍频耦合透镜L4的一路光，接收信号均送至高速数据采集卡以及控制单元3进行处理。

所述高速数据采集卡以及控制单元3使用与第二飞秒激光频率梳2相同的频率对探测器D1和探测器D2进行采样。