[发明专利]一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置及方法

说明书

本发明公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对距离测量的装置及方法，属于飞秒激光测距领域。本发明公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器；还包括长度为m的单模长光纤和波片HWP5。本发明还公开基于所述的飞秒激光绝对测距装置实现的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距方法。本发明不需要已知迈克尔逊干涉测距装置中参考臂的长度，实现基于飞行时间法的连续范围的绝对距离测量，能够拓宽飞秒激光绝对距离测量的应用场合，在飞秒激光测距等工程领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于飞秒激光测距领域，特别涉及一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置及方法。

背景技术

典型的长度(或距离)测量方法一般分为两种。第一种方法是基于光学脉冲计数的非相干测量方法，即飞行时间法，其原理是通过测量脉冲信号往返的时间间隔实现的，适用于绝对距离的测量，但由于电子设备的精确度和分辨率有限，因此使用激光脉冲的飞行时间法的测量不能够实现微米量级的分辨力。第二种方法是基于干涉原理的相干光测量方法，即激光干涉法。其原理是通过相位积累来推算出位移增量。该方法虽然精度和分辨力较好，但不适用于绝对距离测量。飞秒光学频率梳的出现，为高精度的绝对距离的测量提供了一种新方法。相对于传统的采用连续激光、脉冲激光等光源测距而言，飞秒激光绝对距离测量具有独特的优势。

利用其频率的可溯源性，美国、德国、韩国和荷兰等国科学工作者相继开展了基于飞秒光学频率梳的高精度绝对距离测量的研究。2004年，美国华裔物理学家叶军提出利用光学频率梳的时域脉冲特性以及频率的相干性进行绝对距离的测量，原则上可以测量任意长的绝对距离而且精确度可以达到纳米量级。2006年，韩国首次提出利用飞秒光梳进行绝对测距的色散干涉光谱测量法，并实验证实了在1.46mm的非模糊范围达到了7nm的测距分辨力。2008年，欧洲科学家结合多波长干涉和动态绝对距离测量的超外差探测技术，在800mm的距离量程内实现了8nm的测量分辨力，且相对测量精度达到了10^-8量级。2009年，Coddington等人首次提出并实验论证了使用双光梳进行精密测距，采样时间60ms，测量误差为5nm，测量范围达30km。这种方案的不足之处是，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为复杂。2010年，Lee和S.W.Kim等人提出基于光学互相关的飞行时间法，并将飞行时间测量精度提高到纳米量级。2011年，日本科学家首次提出了基于多脉冲序列干涉的飞行时间法，并通过对标准量块进行测试实验，论证了该方法的测量分辨力优于4nm。2012年，荷兰科学家提出了多波长干涉与光谱干涉相结合的光梳测距新技术，最终达到了远优于λ/30的测距精度和15cm的非模糊度量程。

综上所述，现有技术中飞秒激光测距方法存在下述缺点：结构复杂，重复频率扫描范围小，目标距离附近存在死区等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大范围重频调制的飞秒激光绝对距离测量的装置及方法，不需要已知迈克尔逊干涉测距装置中参考臂的长度，实现基于飞行时间法的连续范围的绝对距离测量，能够拓宽飞秒激光绝对距离测量的应用场合。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器。

所述的飞秒激光光源用于向光学测量系统提供稳定光源；

所述的迈克尔逊干涉测距装置用于产生待测距离；

所述的波片HWP4用于保证来自迈克尔逊干涉测距装置的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；