CN103412299A - 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 - Google Patents

Abstract

基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，包括两台重复频率有差异的飞秒激光频率梳、迈克尔逊干涉测距装置、第二类相位匹配非线性光学倍频结构以及数据采集和处理单元；其中两台重复频率有差异的飞秒激光频率梳用来实现时域上的光学扫描；第二类相位匹配非线性光学倍频结构用来在输入脉冲在时域上重合时产生倍频光；数据采集和处理单元探测倍频光信号，对所采集的数据进行差分计算，提取差分后数据中过零点在数组中的序号，计算参考臂与测量臂的长度差，本发明还提供了利用该装置的测量方法，本发明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。

Description

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

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。

所述第一飞秒激光频率梳1和第二飞秒激光频率梳2使用相同的激光增益介质，第一飞秒激光频率梳1输出重复频率为f_r+Δf_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r+Δf_r锁定至原子钟，并且该频率可调；第二飞秒激光频率梳2输出重复频率为f_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r锁定至原子钟。其中|Δf_r|最好小于0.02f_r。

本发明还提供了利用所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1）固定第二飞秒激光频率梳2的输出重复频率，在第一飞秒激光频率梳1的重复频率一定的情况下，通过探测倍频光信号，计算过零点在数组中的序号差，乘以相应的时间间隔和光速，得到迈克尔逊干涉测距装置中参考臂与测量臂长度差；

2）调节第一飞秒激光频率梳1的重复频率，按照步骤1中的方法再次计算参考臂与测量臂长度差；

3）利用两次测量得到的长度差，结合不同重复频率下的量程，计算参考臂与测量臂的真实长度差。

所述参考臂与测量臂长度差的计算方法是：数据采集和处理单元对所采集的数据进行差分计算，提取差分后数据中过零点在所采集的数据组成的数组中的序号，计算迈克尔逊干涉测距装置参考臂和测量臂的过零点在数组中的序号差，乘以相应的时间间隔和光速，得到参考臂与测量臂的距离差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.相比于直接使用交流探测器探测脉冲时间间隔，使用非线性光学采样的测量方式，可以准确复现飞秒脉冲的包络形状，从而实现精确的脉冲峰值定位，脉冲时间间隔测量更为准确。

2.使用重复频率不一致的两台飞秒光学频率梳，实现时域上的非线性光学扫描，距离测量结果可以溯源至频率基准，测量没有死区，速度快。

3.所使用的两台飞秒光学频率梳不需要偏置频率锁定单元，极大地简化激光器结构，测量装置体积小，具有广泛的工业应用前景。

附图说明

图1是基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置。

图2是非线性光学采样时域信号及测量原理图。

图3是扩大测量量程的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明的测量装置包括：第一飞秒激光频率梳1、第二飞秒激光频率梳2、迈克尔逊干涉测距装置、第二类相位匹配非线性光学倍频结构以及数据采集和处理单元，其中：

第一飞秒激光频率梳1输出重复频率为f_r+Δf_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r+Δf_r锁定至原子钟，并且该频率可调；第二飞秒激光频率梳2使用与第一飞秒激光频率梳1相同的激光增益介质，输出重复频率为f_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r锁定至原子钟。

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。其中二分之一波片HWP1用来调节输入迈克尔逊干涉测距装置宽光谱反射镜M1和M2的光功率；偏振分光棱镜PBS1用来将输入的线偏振周期飞秒脉冲分为两束正交偏振光，两束光分别入射宽光谱反射镜M1和M2；四分之一波片QWP1和QWP2和宽光谱反射镜M1和M2配合，将输入的线偏振光的偏振状态旋转90°后重新入射PBS1。

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。其中二分之一波片HWP2和偏振分光棱镜PBS2配合，用来调节输入第二类相位匹配非线性光学倍频结构两个臂的光功率。二分之一波片HWP3用来保证输入光的正交偏振方向与偏振分光棱镜PBS2的偏振方向吻合。倍频聚焦透镜L1和L2用来压缩输入光斑的腰斑半径，提高倍频效率。第二类相位匹配非线性倍频晶体C1和C2可以对输入的正交偏振光实现倍频，只有当输入光包含两个正交偏振态时才有倍频光输出。倍频耦合透镜L3和L4用来将倍频光聚焦到探测器D1和D2上，提高输入探测器D1和D2光强度。

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。

第一飞秒激光频率梳1发出的光脉冲进入迈克尔逊干涉测长装置，M1所在的一路为参考臂，M2所在的一路为测量臂。输入光经过二分之一波片HWP1后进入偏振分光棱镜PBS1。HWP1用来调节PBS1分光后参考臂和测量臂的光功率。经过PBS1分光后的两路光分别经过四分之一波片QWP1和QWP2入射到宽光谱反射镜M1和M2上，经反射后再次经过QWP1和QWP2，两次经过四分之一波片，偏振态旋转90°，两臂的反射光在PBS1中合光，经过HWP3调节偏振方向后进入PBS2。

第二飞秒激光频率梳2发出的光脉冲经过HWP2后入射到PBS2上，与第一飞秒激光频率梳1发出的光脉冲合光。HWP2的作用与HWP1的作用相同，用来调节PBS2两个臂的光强。第二飞秒激光频率梳2使用与第一飞秒激光频率梳1相同的激光增益介质，输出重复频率为f_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r锁定至原子钟。由于使用相同的增益介质，因此两台激光器的光谱范围基本一致。两台激光器的脉冲时域关系如图2所示，两台激光器重复频率差对应的单周期脉冲的时间间隔ΔT_r为

$\mathrm{\Δ}{T}_r=\frac{1}{f_r}-\frac{1}{f_r+\mathrm{\Δ}{f}_r}=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_r}{f_r(f_r+\mathrm{\Δ}{f}_r)}\≈\frac{\mathrm{\Δ}{f}_r}{f_r^2}---\left(1\right)$

因此，两台激光器的输出脉冲在时域上表现为以ΔT_r为步长，重叠频率为Δf_r的光学扫描。

两台光学频率梳的光脉冲在PBS2中合光，形成正交偏振光进入倍频光路。倍频光路由倍频聚焦透镜、第二类相位匹配非线性倍频晶体和倍频耦合透镜三部分组成。倍频光I(2ω)可以表示为

$I\left(2\mathrm{\ω}\right)=\frac{2{\mathrm{\ω}}^2{d}^2{L}^2}{n_{\mathrm{o\ω}}{n}_{\mathrm{e\ω}}{n}_{2\mathrm{\ω}}{c}^3{\mathrm{\ϵ}}_0}\·\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}{A}\·{\sin c}^2\left(\frac{\mathrm{\ΔkL}}{2}\right)---\left(2\right)$

其中，ω为基频光频率，d为倍频系数，L为倍频晶体长度，n_oω为基频光o光在倍频晶体中的折射率，n_eω为基频光e光在倍频晶体中的折射率，n_2ω为倍频光在倍频晶体中的折射率，c为真空中光速，ε₀为真空介电常数，A为入射激光束的腰斑面积，P₁(ω)和P₂(ω)为入射正交偏振光的光功率，Δk为波矢失配量

Δk＝k_2ω-k_oω-k_eω              (3)

其中k_2ω为倍频光波矢，k_oω为基频光o光波矢，k_eω为基频光e光波矢。在满足相位匹配条件即Δk=0时，倍频光I(2ω)简化为

$I\left(2\mathrm{\ω}\right)=\frac{2{\mathrm{\ω}}^2{d}^2{L}^2}{n_{\mathrm{o\ω}}{n}_{\mathrm{e\ω}}{n}_{2\mathrm{\ω}}{c}^3{\mathrm{\ϵ}}_0}\·\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}{A}---\left(4\right)$

由式(4)可知，使用倍频聚焦透镜L1和L2，可以压缩输入光束腰斑面积A，提高倍频效率。由式(4)可知，在倍频过程中，只有当正交偏振的两个光脉冲在时域上相互重合的时候才有倍频光产生，利用这一特性，当采样频率与飞秒激光频率梳的脉冲重复频率相同时，可以实现基于非线性倍频原理的光学采样。倍频耦合透镜L3和L4用来将倍频光聚焦到探测器D1和D2上，提高输入探测器D1和D2光强度。

高速数据采集卡以及控制单元3用来采集倍频光信号，采样及数据处理示意图如图2所示。当使用与飞秒激光频率梳重复频率相同的采样频率进行采样时，数据点之间的绝对时间间隔为T_r，可以表示为

$T_r=\frac{1}{f_r}---\left(5\right)$

其中f_r为第二飞秒激光频率梳2的重复频率。以第二飞秒激光频率梳2的输出光信号作为参考系，第一飞秒激光频率梳1的输出光信号以ΔT_r为步长相对于参考系移动，数据刷新间隔为T_r。因此，在使用第二飞秒激光频率梳2的输出光信号作为参考系时，数据点之间的绝对时间间隔T_r转换为有效时间间隔ΔT_r。由此，脉冲的时间间隔Δt为

Δt＝N·ΔT_r          (6)

其中N为差分信号过零点之间的间隔的数据点个数，ΔT_r为单周期脉冲的时间间隔。对应的绝对距离L为

$L=\frac{c}{2n_g}\·\mathrm{\Δt}---\left(7\right)$

其中c为真空中光速，n_g为脉冲中心波长对应的群速度折射率。

绝对距离测量量程受到第一飞秒激光频率梳1的重复频率限制，量程L_max为

$L_{\max }=\frac{c}{2n_g}\·\frac{1}{f_r+\mathrm{\Δ}{f}_r}---\left(8\right)$

为了扩大量程，需要调节第一飞秒激光频率梳1的重复频率。如图3所示，设重复频率为f_r+Δf_r时，所测距离为L；重复频率为f_r+Δf_r’时，所测距离为L’，联立方程，

L_abs＝m·NAR+L(9)

L_abs＝m′·NAR′+L′

L_abs为所测量的绝对距离，m和m’为光脉冲间隔的整周期数且m’=m，NAR和NAR’为重复频率为f_r+Δf_r和f_r+Δf_r’时对应的量程

$\mathrm{NAR}=\frac{c}{{2n}_g}\·\frac{1}{f_r+\mathrm{\Δ}{f}_r}$ (10)

${\mathrm{NAR}}^{\′}=\frac{c}{{2n}_g}\·\frac{1}{f_r+\mathrm{\Δ}{f}_r^{\′}}$

其中，c为真空中光速，n_g为脉冲中心波长对应的群速度折射率。通过求解方程组(9)可以得到待测目标的绝对距离，由此实现无死区绝对距离测量。

Claims (10)

1.一种基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，所述宽光谱反射镜M1和宽光谱反射镜M2上镀金或银。

4.根据权利要求2所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求4所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，所述第一飞秒激光频率梳（1）和第二飞秒激光频率梳（2）使用相同的激光增益介质，第一飞秒激光频率梳（1）输出重复频率为f_r+Δf_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r+Δf_r锁定至原子钟，并且该频率可调；第二飞秒激光频率梳（2）输出重复频率为f_r的线偏振周期飞秒脉冲，重复频率f_r锁定至原子钟。

8.根据权利要求7所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置，其特征在于，所述|Δf_r|<0.02f_r。

9.利用权利要求1所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）固定第二飞秒激光频率梳（2）的输出重复频率，在第一飞秒激光频率梳（1）的重复频率一定的情况下，通过探测倍频光信号，计算过零点在数组中的序号差，乘以相应的时间间隔和光速，得到迈克尔逊干涉测距装置中参考臂与测量臂长度差；

2）调节第一飞秒激光频率梳（1）的重复频率，按照步骤1）中的方法再次计算参考臂与测量臂长度差；

3）利用两次测量得到的长度差，结合不同重复频率下的量程，计算参考臂与测量臂的真实长度差。

10.根据权利要求9所述的基于非线性光学采样的飞秒激光绝对距离测量装置的测量方法，其特征在于，所述参考臂与测量臂长度差的计算方法是：数据采集和处理单元对所采集的数据进行差分计算，提取差分后数据中过零点在所采集的数据组成的数组中的序号，计算迈克尔逊干涉测距装置参考臂和测量臂的过零点在数组中的序号差，乘以相应的时间间隔和光速，得到参考臂与测量臂的距离差。

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