CN105738911A - 一种飞秒激光干涉测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，飞秒激光器发出的光脉冲经第一光纤耦合器分束；经第一光纤耦合器出射的一部分光脉冲经第一光电探测器发射到一频率计数器；经第一光纤耦合器出射的另一部分光脉冲进入第二光纤耦合器，经第二光纤耦合器出射的一束光脉冲经长光纤出射到第一分光镜，经第一分光镜出的光脉冲发射到第一反射镜，经第一反射镜出射的光脉冲依次经第一分光镜和平面镜发射到第二分光镜；经第一分光镜出射的光脉冲发射到第二反射镜，经第二反射镜出射的光依次经第一分光镜和平面镜发射到第二分光镜；经第二光纤耦合器出射的另一束光脉冲发射到第二分光镜，经第二分光镜出射的两束光脉冲分别经过一带通滤波片后被相应光电探测器接收，两光电探测器的输出端经一锁相放大器连接信号处理系统。

Description

一种飞秒激光干涉测距系统

技术领域

本发明涉及一种激光距离测量系统，特别是关于一种飞秒激光干涉测距系统。

背景技术

随着航空航天技术以及先进制造等工业技术的迅速发展，对大量程、高精度的测距技术有迫切的需求。传统的激光干涉测距技术是增量式测距，需要在基线和被测位置之间架设导轨，并且在测量的过程中不能断光，对测量环境要求很高。因此传统的激光干涉测距技术已经无法满足航天以及大型制造业领域的测距要求。激光绝对距离测量是一种直接测量基线到目标物体之间距离的方法，不需要架设导轨，并且不存在断光续接的问题，在实际生产中有很好的应用前景。近几年来，飞秒激光在绝对距离测量领域的应用对测量性能带来了革命性的突破。

飞秒激光器发出的激光在时域上是一系列等间隔的超短脉冲(脉冲宽度在飞秒量级)，在频域上由大量等间隔的离散光谱线组成，相邻光谱线之间的间隔等于飞秒激光器输出脉冲的重复频率(f_rep，简称重频)，这些光谱线组成的光谱宽度为数十纳米。2004年，美国标准计量局(NIST)的叶军提出了将飞秒激光作为迈克尔逊干涉仪的光源进行测距的方法，构建测量臂和参考臂，当两臂的长度差是脉冲间隔(l_pp)一半的整数倍时，两脉冲发生重叠，产生干涉；当两臂的长度差不是脉冲间隔的整数倍时，通过改变重频使得两脉冲发生重叠。但是，这种方法的问题在于：在实验过程中需要不断地锁定、解锁重频，大大降低了测量速度；另外，由于重频的调谐量有限，导致测量范围较小。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效提高测量速度和测量范围的飞秒激光干涉测距系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，包括一飞秒激光器、两光纤耦合器、一长光纤、两分光镜、两角反射镜、一平面镜、两带通滤波片和三光电探测器；所述飞秒激光器发出的光脉冲经第一光纤耦合器分成两束；经所述第一光纤耦合器出射的一部分光脉冲经第一光电探测器发射到一频率计数器用于测量所述飞秒激光器的重频，所述频率计数器的输出端连接一信号处理系统；经所述第一光纤耦合器出射的另一部分光脉冲进入第二光纤耦合器，经所述第二光纤耦合器出射的一束光脉冲经所述长光纤出射到第一分光镜，经所述第一分光镜出的光脉冲发射到所述第一反射镜，经所述第一反射镜出射的光脉冲依次经所述第一分光镜和平面镜发射到第二分光镜；经所述第一分光镜出射的光脉冲发射到所述第二反射镜，经所述第二反射镜出射的光依次经所述第一分光镜和平面镜发射到所述第二分光镜；经所述第二光纤耦合器出射的另一束光脉冲发射到所述第二分光镜，经所述第二分光镜出射的两束光脉冲分别经过一所述带通滤波片后被相应所述光电探测器接收，两所述光电探测器的输出端经一锁相放大器连接所述信号处理系统。

优选地，所述长光纤与所述第一分光镜之间设置一准直透镜。

优选地，所述第二光纤耦合器与所述第二分光镜之间设置依次设置有一准直透镜和一声光调制器。

优选地，所述第一光纤耦合器的分光比为1:99，占1％能量的光束经所述第一光电探测器探测，占99％能量的光束进入所述第二光纤耦合器。

优选地，所述第二光纤耦合器量配比为50:50。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在测量臂或参考臂设置长光纤，增加基础光程差，解决传统飞秒激光干涉测距技术中测量范围小的问题。2、由于测量臂中设置有长光纤，光纤长度比较长且存在热胀冷缩效应，测量过程中很小的温度变化就会造成很大的长度变化，长度的变化带来迈克尔逊干涉仪两臂光程差的变化，这个变化会体现在测距的结果中，影响测距的精度，本发明设置有固定测量臂和可动测量臂，分别与参考臂形成两个迈克尔逊干涉系统，分别测量两个迈克尔逊系统的光程差，长光纤带来的光程属于两个迈克尔逊系统光程差中共有的部分，因此最终得到的两测量臂的长度差中消去了长光纤带来的光程影响，可以解决长光纤带来的光程差变化问题，能够有效避免长光纤所带来的漂移误差，有效提高测量精度。3、本发明采用扫描延迟线的方法，在扫描过程中同步采集锁相放大器和频率计数器的数据，获取两个干涉信号干涉强度、干涉相位以及重频值，通过信号分析系统可以得到两个不同的干涉峰值位置对应的干涉相位和重频值，从而可以通过迈克尔逊干涉原理计算出实际的距离信息，该方法不需要进行复杂的重频锁定、解锁步骤，因此大大提高了测量速度。4、本发明通过第一光纤耦合器将飞秒激光器出射的一部分光脉冲经第一光电探测器发射到频率计数器用于测量飞秒激光器的重频，因此本发明的飞秒激光器不需要锁定重频和偏频，可以自由运行飞秒激光器，重频通过频率计数器实时进行测量。5、本发明利用双波长形成的合成波长作为桥梁，将飞秒激光的粗测和干涉相位直接衔接起来，即实现了粗测向精测的直接过渡，可以广泛应用于航天以及大型工业现场的快速大范围干涉测距系统中。

附图说明

图1是本发明飞秒激光干涉测距系统的光路示意图；

图2是本发明归一化光谱强度示意图，实线所画曲线为飞秒激光的光谱分布图，短划线虚线所画曲线为经过带通滤波片F₁后中心波长为λ₁的窄带光谱，点划线所画曲线为经过带通滤波片F₂后中心波长为λ₂的窄带光谱，其中，横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为归一化强度；

图3是本发明基于迈克尔逊干涉仪的测距原理图；

图4是本发明实施例过程中扫描电动延迟线得到的干涉信号示意图，图(a)表示位置Ι处扫描重频，出现两次干涉信号示意图，图(b)表示位置II处再次扫描重频，出现两次干涉信号示意图，其中，表示可动测量臂得到的互相关信号，表示固定测量臂得到的互相关信号。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的飞秒激光干涉测距系统，包括飞秒激光器FL、光纤耦合器C₁、光纤耦合器C₂，长光纤LF、准直透镜CL₁、准直透镜CL₂、分光镜BS₁、分光镜BS₂、角反射镜CR₁、角反射镜CR₂、平面镜M、声光调制器AOM、带通滤波片F₁、带通滤波片F₂、光电探测器PD₁、光电探测器PD₂、光电探测器PD₃、频率计数器、锁相放大器和信号处理系统；

飞秒激光器FL发出光脉冲经能量配比为99:1的光纤耦合器C₁分成两束，占1％能量的光束经光电探测器PD₃探测，进入频率计数器测量飞秒激光器FL的重频，频率计数器将测量结果发送到信号处理系统；占99％能量的光束进入能量配比为50:50的光纤耦合器C₂，经光纤耦合器C₂出射的其中一束光脉冲依次经长光纤LF和准直透镜CL₁出射到分光镜BS₂，经分光镜BS₂反射的光脉冲发射到角反射镜CR₂，经角反射镜CR₂反射的光脉冲经分光镜BS₂反射并经平面镜M反射到分光镜BS₁；经分光镜BS₂透射的光脉冲发射到角反射镜CR₁，经角反射镜CR₁反射的光发射到分光镜BS₂，经分光镜BS₂透射的光脉冲经平面镜M反射到分光镜BS₁；经光纤耦合器C₂出射的另一束光脉冲依次经准直透镜CL₂和声光调制器AOM发射到第分光镜BS₁。

经分光镜BS₂混合出射的两束光脉冲与经声光调制器AOM出射的光脉冲在分光镜BS₁处再次混合，经分光镜BS₁反射和透射的两束光脉冲分别经带通滤波片F₁与带通滤波片F₂后得到两个不同波长的干涉信号，两个不同波长的干涉信号分别被光电探测器PD₁和光电探测器PD₂接收，光电探测器PD₁和光电探测器PD₂的输出端分别连接到锁相放大器，锁相放大器用于记录干涉信号的幅值与相位，并将干涉信号的幅值与相位发送到信号处理系统进行处理得到所需测量的距离值。

在一个优选的实施例中，长光纤LF的长度可以为N×l_pp，N为需要测量范围放大倍数，l_pp为相邻脉冲空间间隔。

在一个优选的实施例中，如图2所示的实线所画曲线表示飞秒激光器FL输出脉冲的光谱分布必须具有较大的宽度，通常选取为20nm以上，光脉冲经过带通滤波片F₁和带通滤波片F₂之后的中心波长分别为λ₁和λ₂，二者的光谱分布如图2所示的虚线部分，这两者的中心波长在飞秒激光器FL输出脉冲的光谱内，其中，λ₁和λ₂的选取应满足：根据粗测精度选取，使得粗测精度优于λ_s/4，λ_s＝λ₁λ₂/(λ₂-λ₁),为λ₁和λ₂的合成波波长。

下面通过具体实施例进一步说明本发明的飞秒激光干涉测距系统的测量原理。

本发明是基于迈克尔逊干涉仪实现，基于飞秒激光的迈克尔逊干涉仪的原理如图3所示，飞秒激光器FL发出一系列等间隔的脉冲，相邻脉冲的间隔为l_pp＝c/f_rep，其中，c为光速，f_rep是飞秒激光器输出脉冲的重频。当第一个光脉冲到达分光镜BS后分为两束，其中一束光脉冲进入参考臂，另一束光脉冲进入测量臂(图中a、b为进入参考臂的参考光脉冲，c、d为进入测量臂的测量光脉冲)。两光脉冲分别经反射镜M₁和反射镜M₂反射到分光镜BS，再次经分光镜BS后得到光脉冲为a’、b’、c’和d’。本发明将反射镜M₁关于分光镜BS的镜面对称位置定义为等臂长位置，反射镜M₂到等臂长位置的距离L为测量臂即为测量距离。

当L为l_pp/2的整数倍时(称之为干涉条件)，脉冲a’与c’，b’与d’正好重合，光电探测器PD能够探测到干涉信号；

当L不为l_pp/2的整数倍时，通过改变重频f_rep，从而改变l_pp，使光脉冲a’与c’，b’与d’重合，从而可以探测到干涉信号，这种方法的距离计算公式为：

2L＝N×l_pp(1)

式中，N为整数部分，L为测量臂与参考臂的长度差。假设l_pp的最大改变量为δl_pp，由改变重频能带来的光程差改变量(即测量范围)为N×δl_pp，因此在重频最大改变量一定的情况下，只能通过增大整数部分N来增大测量范围。本发明在系统中加入长光纤LF，增大基础光程差，从而增大了整数部分N，扩大测量范围。这种方法的精度为几微米，利用这种方法判断两光脉冲对准具有一定的对准偏差δ。本发明通过构建合成波长λ_s，利用合成波长的相位将对准偏差δ进行细分，可以将测距的精度进一步地提高。对于中心波长分别为λ₁和λ₂的干涉信号，根据干涉原理，光脉冲在基线位置和测量位置的干涉相位差与对准偏差δ的关系为：

式中，m₁和m₂分别为波长λ₁和λ₂对应的整数级次部分，Δl_pp是飞秒激光在基线位置和测量位置的脉冲间隔差。

将公式(2)和公式(3)进行联立，得到：

式中，λ_s＝λ₁λ₂/(λ₂-λ₁)，为λ₁和λ₂的合成波波长。只要得到式(4)中的整数级次部分m_s的准确值，即能准确的得到偏差δ的值，从而可以得到更高精度的距离L。如果想得到精确的整数级次部分m_s的值，只需要粗测的精度小于λ_s/4即可，m_s的具体计算为现有技术，在此不再赘述。本实施例假设λ₁＝1.54μm，λ₂＝1.57μm，利用上述方法构造的λ_s＝80.6μm，粗测的精度为几微米，例如5μm，该精度小于λ_s/4，因此可以采用现有技术得到精确的m_s值。

基于上述测量原理，本发明的飞秒激光快速干涉测距系统中具有两条测量臂，分别是由角反射镜CR₁构成的可动测量臂和由角反射镜CR₂构成的固定测量臂，两条测量臂与准直透镜CL₂和声光调制器AOM构成的参考臂组成两个迈克尔逊干涉仪，当测量臂与参考臂的长度差满足上述的干涉条件时产生干涉信号。固定测量臂与可动测量臂的长度一般不同，因此在扫描重频的过程中，两个迈克尔逊干涉仪分别会出现满足上述干涉条件的位置(位置Ι处和位置ΙΙ处)，可以得到如图4所示的干涉信号与时间图，找到干涉信号峰值位置对应的干涉相位值以及重频值，利用上述的计算方法即可得到两测量臂之间的长度差L₁，如图(a)所示。移动可动测量臂，再次扫描重频，得到第二组干涉相位和重频值，可以计算出第二次的长度差L₂，如图(b)所示，L₂-L₁为可动测量臂移动的距离即为实际需要测量的距离D。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各光学元件可以采用常用的支架进行支撑固定，且光学元件的位置等都是可以有所变化的，只要满足本发明的光路传播条件即可，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，包括一飞秒激光器、两光纤耦合器、一长光纤、两分光镜、两角反射镜、一平面镜、两带通滤波片和三光电探测器；

所述飞秒激光器发出的光脉冲经第一光纤耦合器分成两束；经所述第一光纤耦合器出射的一部分光脉冲经第一光电探测器发射到一频率计数器用于测量所述飞秒激光器的重频，所述频率计数器的输出端连接一信号处理系统；

经所述第一光纤耦合器出射的另一部分光脉冲进入第二光纤耦合器，经所述第二光纤耦合器出射的一束光脉冲经所述长光纤出射到第一分光镜，经所述第一分光镜出的光脉冲发射到所述第一反射镜，经所述第一反射镜出射的光脉冲依次经所述第一分光镜和平面镜发射到第二分光镜；经所述第一分光镜出射的光脉冲发射到所述第二反射镜，经所述第二反射镜出射的光依次经所述第一分光镜和平面镜发射到所述第二分光镜；经所述第二光纤耦合器出射的另一束光脉冲发射到所述第二分光镜，经所述第二分光镜出射的两束光脉冲分别经过一所述带通滤波片后被相应所述光电探测器接收，两所述光电探测器的输出端经一锁相放大器连接所述信号处理系统。

2.如权利要求1所述的一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，所述长光纤与所述第一分光镜之间设置一准直透镜。

3.如权利要求1所述的一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，所述第二光纤耦合器与所述第二分光镜之间设置依次设置有一准直透镜和一声光调制器。

4.如权利1～3任一项所述的一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器的分光比为1:99，占1％能量的光束经所述第一光电探测器探测，占99％能量的光束进入所述第二光纤耦合器。

5.如权利1～3任一项所述的一种飞秒激光干涉测距系统，其特征在于，所述第二光纤耦合器量配比为50:50。