CN102944218B - 主动色散补偿的飞秒激光测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。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。本发明的装置体积小，操作灵活，具有广泛的工程应用前景。

Description

主动色散补偿的飞秒激光测距装置及方法

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；

3)采用光栅色散补偿理论分析，在测量激光波长一定时，选择刻蚀周期较易实现的900nm透射式光栅对作为空气色散补偿机构的主体部分，其中一个光栅固定于精密纳米位移台上，用于精确控制光栅对的间距，以便实现带有时域展宽和频率啁啾飞秒激光的精确色散补偿。

有益效果

本发明的装置体积小，操作灵活，具有广泛的工程应用前景。

对于实施方式中飞秒激光波长的选择，主要采用超短脉冲激光的空气传输理论进行分析。

对于实施方式中采用光栅周期和光栅间距控制色散补偿量的选择和控制，主要采用光栅色散补偿理论进行分析。

对于实施方式中飞秒激光脉冲宽度和相位测量的分析，主要是基于自相关理论的脉冲电场和相位重构计算理论。

附图说明

图1(a)是具有主动空气色散补偿功能的飞秒激光测距装置；

图1(b)为主动色散补偿扩大图；

“S”表示飞秒激光振荡器，通过高精度锁相稳频电路模块PLL，将飞秒激光振荡器的重复频率f_rep和偏移频率f_o锁定到微波原子钟频率上，形成飞秒激光频率梳系统FLFC，保证向飞秒激光测距系统中提供稳定的光源。

“L₁和L₂”表示飞秒激光扩束准直部分，该部分由两块共焦透镜组成，在实验过程中，根据待测距离长度的不同，可实现光斑大小可变的扩束准直，可保证在不同待测距离的情况下，飞秒激光在传输过程中发射角最小。

“BS”表示宽带分光镜，可实现宽光谱飞秒激光不等光强的分光，在待测光传输距离较远时，可使分光镜透射光强调大，尽量使参考光和测量光合束之前的光强相等。

“M_1-8”为一系列全反射镜，目的是保证飞秒激光在测距实验中反射损耗最小。

“G₁和G₂”是一对透射式光栅，并且光栅间距可通过纳米移动台调节。

“D”和“F”分别表示光阑和光学滤光片。

“FROG”为频率分辨光学开关测量装置。

图2和图3表示飞秒激光中心波长为1550nm的情况下，将色散补偿机构的光栅周期设定为1500nm、1200nm和900nm时，飞秒激光通过光栅对色散补偿装置后脉冲宽度随光栅对间距的变化关系图。

图4表示光栅周期为1200nm不变的情况下，理论分析了不同中心波长的飞秒激光入射色散补偿机构后脉冲宽度随光栅对间距的变化关系图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

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。

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；

3)采用光栅色散补偿理论分析，在测量激光波长一定时，选择刻蚀周期较易实现的900nm透射式光栅对作为空气色散补偿机构的主体部分，其中一个光栅固定于精密纳米位移台上，用于精确控制光栅对的间距，以便实现带有时域展宽和频率啁啾飞秒激光的精确色散补偿。

该装置具有三个主要部分，分别是由飞秒激光频率梳时间飞行测距部分、飞秒激光脉冲宽度和相位测量部分、飞秒激光空气色散补偿部分组成。实施方式是通过对测距系统中测量光学臂上受长距离空气色散影响的飞秒激光进行脉冲宽度和相位分析，并将分析结果实时反馈至计算机，通过色散补偿计算出所需补偿量，并驱动空气色散补偿机构，使其实现对带有时域展宽和频率啁啾的飞秒激光进行实时有效补偿。

所述的空气色散补偿部分由两块高密度透射式光栅和两块全反射镜来实现。通过精密控制两块光栅的间距来实现对飞秒激光脉冲宽度的压缩功能。

所述的光栅对可以是石英或其他透明材料。

在飞秒激光时间飞行测距实验中，使飞秒激光以利特洛角入射至由两光栅和两全反射镜组成的色散补偿机构中，以保证衍射光能量尽可能地集中到正(负)一级衍射级次上，并可以改变透射光栅的刻蚀深度等参数来调节光栅的衍射效率。

飞秒激光频率梳测距部分是由飞秒激光振荡器部分、微波原子钟部分、重复频率和载波包络相移锁相电路部分、飞秒激光扩束准直部分、激光隔离器和迈克尔逊测距装置部分组成。

色散补偿机构保证从该机构中出射的飞秒激光和入射至该机构的飞秒激光的传输方向保持始终平行，以便有利于飞秒激光测距中待测信号的有效采集。

迈克尔逊测距装置中参考光臂中的直角棱镜固定于压电陶瓷上，移动精度小于10纳米。

激光隔离器(ISO)具有在宽光谱范围内的激光隔离功能，通常隔离的光谱范围为50纳米左右。

全反射镜对具有宽光谱范围的飞秒激光具有高反作用，可以镀金或银等其他具有较高的激光破坏阈值的反射材料。

实施例

采用基于微纳光学技术微电子刻蚀工艺，制作成所需的高效透射式石英光栅。两块光栅占空比f＝0.5，便于制作，提高光栅的制作质量。光栅的周期为500nm～1000nm，光栅周期较小时，可以使光栅对在较小的调节范围内实现较大的空气色散补偿。

如图1所示，首先对经过测量臂的飞秒激光在受空气色散影响后，在时域上发生展宽和在频率上携带啁啾，将其引入脉冲宽度和相位测量装置，根据飞秒激光脉冲电场和相位重构理论计算，可得飞秒激光脉冲时域的变化量，由于在飞秒激光互相关时间飞行测距技术中，脉冲宽度起着关键作用。因此，如何准确定量压缩飞秒激光脉冲宽度所需的色散补偿量至关重要。具体计算分析设计方案在下面详细阐述。

如图2和3，例如，选用中心波长为1550nm，初始飞秒激光脉冲宽度为60fs的飞秒激光在空气中传输1000m后，采用超短脉冲激光的空气传输理论，计算得脉冲宽度展宽为487fs左右，所以为了保证测距精度，采用光栅色散补偿理论，对比分析了三种光栅周期的计算结果，可知在光栅周期为900nm时，要将展宽后的飞秒激光压缩至傅里叶变换极限水平，那么启动固定光栅的纳米移动平台，使光栅对间距控制在0.166mm点附近即可实现脉冲压缩。但本发明的保护范围不仅限于900nm，如果具有更小周期的透射式光栅的加工质量逐渐提高，那么采用周期小于900nm的光栅色散补偿机构，也在本发明的保护范围之内。对于其他待测距离的色散补偿方案，分析和实施方法同上，如图4所示，在光栅周期不变的情况下，选择中心波长较长的飞秒激光进行测距时，脉冲的展宽量会更小，对精度的影响也相应的减小。

最后，将色散补偿后的飞秒激光再次通过飞秒脉宽和相位测量装置做验证实验，观测解算出的飞秒激光相位分布图，以便确定补偿后的飞秒激光是否达到傅里叶变换极限水平，通过实验结果和理论分析对比，来进一步保证飞秒测距精度。

本装置系统有效的利用了飞秒激光测量精度高、范围大以及可实现绝对距离测量的优点，采用小型化的色散补偿机构，满足了飞秒激光互相关时间飞行测距技术所需的色散补偿要求。该系统结构紧凑，操作方便，便于实现具有实时色散补偿功能的飞秒激光高精度测距应用。本装置可以用于激光测距技术和大型工件数字化装配和加工等工程领域，具有较强的应用价值。

Claims (1)

1.一种主动色散补偿的方法，该方法所使用的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；

其特征在于包括如下步骤：

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；

3)采用光栅色散补偿理论分析，在测量激光波长一定时，选择刻蚀周期较易实现的900nm透射式光栅对作为空气色散补偿机构的主体部分，其中一个光栅固定于精密纳米位移台上，用于精确控制光栅对的间距，以便实现带有时域展宽和频率啁啾飞秒激光的精确色散补偿。