CN106247954A - 一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量技术领域。本发明包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜等，使用可同时微调飞秒激光频率梳脉冲重复频率的方法和参考臂调节方法获得空间相干重叠条件，无须控制和要求节距变化个数增量，通过不同的互质重复频率下的空间相干重叠测量结果，以解包含测量臂长和节距的不定方程整数解的方式获得节距个数，从而达到距离测量目的。

Description

一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量技术领域。

背景技术

测长技术是人类最重要的基本工程技术之一。目前的使用测距方式的测长技术主要有时间法和空间法两类。空间法主要采用各种尺子直接测量距离和描述空间，如使用卡尺、皮尺、钢卷尺等等，距离有限并且准确度也有限。使用光波长作为尺子的测量方法即是通常的干涉测量法，可以获得更高的测量准确度和更长的距离。时间法主要借助于各种波动在空间或媒介中传输所需要的时间的测量，在均匀介质内传播速度恒定、传播方向不变的假设条件下获得空间距离，可以测量特别远的距离。例如使用声波、电磁波、光波等手段的各种雷达、测距机等等。但这些时间法使用的多数为脉冲测距原理，其测量准确度受到一定限制，不易达到很高。

以飞秒激光干涉测距为原理的测量方法，使用重复频率异常稳定的脉冲飞秒激光为激励光源，相当于在空中使用了一把具有精确刻度的精确激光尺，理论上可以获得更高的测量准确度，以及实现更远的测量距离。

但是，在飞秒激光干涉测距的测量原理中，它共包含两方面的内涵，一方面，待测距离是由测量臂和参考臂光程差所对应的空间距离；它共包含两部分，一部分是由光程差所包含信号重复周期个数(也称为测量节距个数)所对应的空间距离，另一部分是小于一个重复周期的时间差所对应的空间距离(小于一个节距的距离部分)，由相位差对应的时间差与光速乘积获得。当测量臂的信号与参考臂的信号产生空间相干重叠时，小于一个节距的距离部分为0，从而只有整数个节距的距离部分。确定了节距个数即可获得待测距离。

另一方面，飞秒激光干涉测距原理的实现上，需要使用同时微调飞秒激光重复频率和参考臂长度，以满足测量臂和参考臂的光程差达到相干重叠条件，并且两次调节过程中重复周期个数相差要求为1，从而使用解方程方法确定节距个数，进而由节距个数确定待测距离。这个干涉条件的调节要求比较苛刻，需要人工仔细调节方可实现仅差1个节距的要求，导致飞秒激光重复频率的调节范围极窄，对调节分辨力要求苛刻，一旦范围过宽、或调节分辨力不够，将无法实现只相差一个节距的要求，因此比较难以实现仪器自身的自动化调节，仅适合实验室内进行原理研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的飞秒激光干涉测距方法中测量臂和参考臂产生相干重叠的条件调整比较苛刻严格，不利于自动化实现的缺点，提出一种基于变频相干重叠原理的飞秒激光测长装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置，包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜、测量物镜、光电探测器、数据采集系统以及计算机。

飞秒激光频率梳用于产生重复频率f_req的飞秒激光，偏振片用于调整激光偏振方向，折光镜用于进行反射测量光；偏振分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，精密位移平台用于微调参考臂的臂长，参考镜为将参考臂的参考光反射回去，测量物镜用于将照射到测量臂上待测目标的测量光反射回去，光电探测器，用于将光信号变成电信号，并根据其信号的强弱判定是否出于最佳相干重叠状态。数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机，计算机用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。

一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置的测长方法，实现步骤如下：

飞秒激光是脉冲光。使用脉冲测距原理测量目标点到发射端的距离。设光速c＝299792458m/s，飞秒激光频率梳的重复频率为f_rep，其“干涉节距”l_pp＝c/f_rep。飞秒激光经过折光镜反射，到达偏振分光镜，被一分为二，一路沿着参考臂到达位移台上的考镜反射镜，经参考反射镜反射，穿透偏振分光镜到达光电探测器，另外一路经过测量臂到达测量物镜，经测量物镜反射回来，再经偏振分光镜反射到达光电探测器与参考臂来的光合束干涉，从而产生强度随相干重叠状态而变化的电信号，当调整飞秒激光的重复频率使得照射到光电探测器上的测量光与参考光完全相干重叠时，测量臂与参考臂的光程差恰好等于整数个测量节距。数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机，计算机首先用于进行测量光和参考光相干重叠的判断，然后用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。

由于飞秒脉冲具有相干性，即光程差在l_pp的整倍数的一些离散的位置时产生相干重叠导致光电探测器获得的脉冲峰值信号最强，因此为测量任意位置的距离必须对参考臂的长度进行调节以达到相干重叠后进行测量。

设飞秒激光频率梳的重复频率为f_rep＝f₁，其“干涉节距”l_p1＝c/f₁。通过调节获得测量参考臂长L_c1，获得了干涉现象。则有干涉测距方程为：

$L_D+L_{c1}=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_{c1}---\left(1\right)$

即

$L_D=\frac{M\·l_{p1}}{2}$

其中，l_p1＝c/f₁为对应于飞秒激光重复频率f₁的“干涉节距”，待测距离L_D；M为测量臂与参考臂L_c1间的距离差值包含的测量节距l_p1的整倍数值。AB为初始零距离位置线，即测量物镜在该位置时，参考臂与测量臂的光程差为0。

其它不变，仅微调飞秒激光重复频率为f₂，并且满足条件f₂与f₁没有简单的倍数关系。其“干涉节距”l_p2＝c/f₂。通过调节获得测量参考臂长L_c2，即参考臂比初始位置伸长了L_c2-L_c1，移动获得干涉现象。则有干涉测距方程为：

$L_D=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_{c1}-L_{c2}---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂为对应于飞秒激光重复频率f₂的“干涉节距”，待测距离L_D；N为测量臂与参考臂L_c2间的光程差对应的距离差值包含的测量节距l_p2的整倍数值。

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为L_Dm，则有由式(2)和(1)所测距离L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1-N·l_p2＝L_c1-L_c2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm条件下解不定方程(3)的唯一整数解M、N。

若整数解唯一，则由式(1)计算获得被测距离L_D。

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f₃，并且满足条件f₃与f₁和f₂均没有简单的倍数关系，其“干涉节距”l_p3＝c/f₃。通过调节获得测量参考臂长L_c3，获得干涉现象。则有干涉测距方程为：

$L_D=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_{c3}---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃为对应于飞秒激光重复频率f₃的“干涉节距”，Q为待测距离L_D与参考臂L_c3间的距离差值包含的测量节距l_p3的整倍数值。

可得：

M·l_p1-Q·l_p3＝L_c1-L_c3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解满足Q·l_p3＜2L_Dm条件下，不定方程(3)的唯一整数解M、Q。

若整数解唯一，则由式(3)计算获得被测距离L_D。否则重复该过程，直到寻找到唯一解为止。获得待测距离L_D。

有益效果

本发明与传统测量方法相比，干涉法测距不需进行相位测量，且可望具有更远的测量距离，方法简捷，算法收敛并且容易实现。

其次，本发明在同时微调飞秒激光重复频率和参考臂长度时，可以任意调节测量参考臂长和飞秒激光的重复频率，以满足测量臂和参考臂的光程差达到干涉条件，不再要求两次调节过程中重复周期个数相差为1，然后使用解不定方程方法确定两个重复频率所分别对应的节距个数，进而由某一个重复频率的节距个数和对应的节距等确定待测距离。该方法适合仪器自身的自动化调节实现干涉测量条件，从而是一种适用于实现飞秒激光测距仪器的测量方法。

另外，本发明所述方法可用于不进行参考臂长调节而仅仅调节飞秒激光脉冲频率的情况，此时，L_c2-L_c1，仅需要更加仔细调节频率值使其满足上述测距方程所需的测量光与参考光产生相干重叠条件而已。

附图说明

图1为本发明实施例1所述方案的装置结构示意图；

图2为本发明实施例2所述方案的装置结构示意图；

其中，1-飞秒激光频率梳1、2-偏振片、3-折光镜、4-偏振分光镜、5-精密位移平台、6-参考反射镜、7-测量物镜、8-光电探测器、9-数据采集系统、10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长方法和装置，包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳(1)，偏振片(2)，折光镜(3)，偏振分光镜(4)，精密位移平台(5)，参考反射镜(6)，测量物镜(7)，光电探测器(8)，数据采集系统(9)，计算机(10)。

飞秒激光频率梳(1)用于产生重复频率f_req的飞秒激光，偏振片(2)用于调整激光偏振方向，折光镜(3)用于进行反射侧测量光；偏振分光镜(4)将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，精密位移平台(5)用于微调参考臂的臂长，参考反射镜(6)为将参考臂的参考光反射回去，测量物镜(7)用于将照射到测量臂上的待测目标的测量光反射回去，光电探测器(8)，用于将光信号变成电信号，并根据其信号峰值的强弱判定是否出于最佳相干重叠状态。数据采集系统(9)于测量光电探测器的信号并将其传给计算机(10)，计算机(10)首先用于进行测量光和参考光相干重叠的判断，然后用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。

一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置的测长方法，具体实现步骤如下：

设飞秒激光频率梳(1)的重复频率为f_rep＝f₁＝300MHz，其“干涉节距”l_p1＝c/f₁＝c/300000000。通过调节获得测量参考臂长L_c1，获得相干重叠现象，确定0距离刻度线AB。则有干涉测长方程为：

$L_D+L_{c1}=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_{c1}---\left(1\right)$

其中，l_p1＝c/f₁为对应于飞秒激光重复频率f₁的“干涉节距”，待测距离L_D；M为测量臂与参考臂L_c1间的距离差值包含的测量节距l_p1的整倍数值。AB为初始零距离位置线，即测量物镜(7)在该位置时，参考臂与测量臂的光程差为0。

其它不变，仅微调飞秒激光重复频率为f₂＝299.876543MHz，并且满足条件f₂与f₁没有简单的倍数关系。其“干涉节距”l_p2＝c/f₂＝c/299876543。通过调节获得测量参考臂长L_c2，获得相干重叠现象。则有干涉测距方程为：

$L_D=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_{c1}-L_{c2}---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂为对应于飞秒激光重复频率f₂的“干涉节距”，待测距离L_D；N为测量臂与参考臂L_c2间的光程差对应的距离差值包含的测量节距l_p2的整倍数值。

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为L_Dm，则有由式(2)和(1)所测距离L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1-N·l_p2＝L_c1-L_c2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm条件下解不定方程(3)的唯一整数解M、N。

若整数解唯一，则由式(1)计算获得被测距离L_D。

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f₃，并且满足条件f₃与f₁和f₂均没有简单的倍数关系，其“干涉节距”l_p3＝c/f₃。通过调节获得测量参考臂长L_c3，获得干涉现象。则有干涉测距方程为：

$L_D=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_{c1}-L_{c3}---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃为对应于飞秒激光重复频率f₃的“干涉节距”，Q为待测距离L_D与测量臂L_c3间的距离差值包含的测量节距l_p3的整倍数值。

可得：

M·l_p1-Q·l_p3＝L_c1-L_c3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解满足Q·l_p3＜2L_Dm条件下，不定方程(3)的唯一整数解M、Q。

若整数解唯一，则由式(3)计算获得被测距离L_D。否则重复该过程，直到寻找到唯一解为止。获得待测距离L_D。

实施例2：固定参考臂长和仅仅进行频率微调方式的飞秒激光干涉测距。

一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长方法和装置，如图2所示，包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳(1)，偏振片(2)，折光镜(3)，偏振分光镜(4)，参考反射镜(6)，测量物镜(7)，光电探测器(8)，数据采集系统(9)，计算机(10)。具体过程如下：

设定测量装置的参考臂长为固定不变的恒定值L_c。

通过调节飞秒激光频率梳1的重复频率获得相干重叠现象，设此时其重复频率为f_rep＝f₁＝300MHz其“干涉节距”l_p1＝c/f₁＝c/300000000。则有干涉测距方程为：

$L_D+L_c=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_c---\left(1\right)$

其中，l_p1＝c/f₁为对应于飞秒激光重复频率f₁的“干涉节距”，待测距离L_D；M为测量臂与参考臂L_c间的距离差值包含的测量节距l_p1的整倍数值。

其它不变，仅微调飞秒激光频率梳(1)的重复频率获得相干重叠现象，设此时其重复频率为f_rep＝f₂＝299.876543MHz，其“干涉节距”l_p2＝c/f₂＝c/299876543。则有干涉测距方程为：

$L_D+L_c=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_c---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂为对应于飞秒激光重复频率f₂的“干涉节距”，待测距离L_D；N为测量臂与参考臂L_c间的距离差值包含的测量节距l_p2的整倍数值。

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为L_Dm，则有由式(2)和(1)所测距离L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1＝N·l_p2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm条件下解不定方程(3)的唯一整数解M、N。

若整数解唯一，则由式(1)计算获得被测距离L_D。

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率获得干涉现象，设此时其重复频率为f_rep＝f₃，其“干涉节距”l_p3＝c/f₃。则有干涉测距方程为：

$L_D+L_c=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_c---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃为对应于飞秒激光重复频率f₃的“干涉节距”，待测距离L_D；Q为测量臂与参考臂L_c间的距离差值包含的测量节距l_p3的整倍数值。

可得：

M·l_p1＝Q·l_p3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解满足Q·l_p3＜2L_Dm条件下，不定方程(5)的唯一整数解M、Q。

若整数解唯一，则由式(3)计算获得被测距离L_D。否则重复该过程，直到寻找到唯一解为止。获得待测距离L_D。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置，其特征在于：包括重复频率可以控制的飞秒激光频率梳、偏振片、折光镜、偏振分光镜、精密位移平台、参考反射镜、测量物镜、光电探测器、数据采集系统以及计算机；

飞秒激光频率梳用于产生重复频率f_req的飞秒激光，偏振片用于调整激光偏振方向，折光镜用于进行反射测量光；偏振分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，精密位移平台用于微调参考臂的臂长，参考镜为将参考臂的参考光反射回去，测量物镜用于将照射到测量臂上待测目标的测量光反射回去，光电探测器，用于将光信号变成电信号，并根据其信号的强弱判定是否出于最佳相干重叠状态；数据采集系统用于测量光电探测器的信号并将其传给计算机；计算机用于计算飞秒激光的节距以及求解节距个数，并给出距离测量结果。

2.一种基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置的测长方法，其特征在于，实现步骤如下：

1)基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置采用重复频率可以控制的飞秒激光频率梳(1)，偏振片(2)，折光镜(3)，偏振分光镜(4)，精密位移平台(5)，参考反射镜(6)，测量物镜(7)，光电探测器(8)，数据采集系统(9)，计算机(10)进行测量时：

设飞秒激光频率梳(1)的重复频率为f_rep＝f₁，其“干涉节距”l_p1＝c/f₁；通过调节获得测量参考臂长L_c1，获得相干重叠现象，确定0距离刻度线AB，则有干涉测长方程为：

$L_D+L_{c1}=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_{c1}---\left(1\right)$

其中，l_p1＝c/f₁为对应于飞秒激光重复频率f₁的“干涉节距”，待测距离L_D；M为测量臂与参考臂L_c1间的距离差值包含的测量节距l_p1的整倍数值；AB为初始零距离位置线，即测量物镜(7)在该位置时，参考臂与测量臂的光程差为0；

仅微调飞秒激光重复频率为f₂，并且满足条件f₂与f₁没有简单的倍数关系；其“干涉节距”l_p2＝c/f₂，通过调节获得测量参考臂长L_c2，获得相干重叠现象，则有干涉测距方程为：

$L_D=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_{c1}-L_{c2}---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂为对应于飞秒激光重复频率f₂的“干涉节距”，待测距离L_D；N为测量臂与参考臂L_c2间的光程差对应的距离差值包含的测量节距l_p2的整倍数值；

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为L_Dm，则有由式(2)和(1)所测距离L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1-N·l_p2＝L_c1-L_c2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm条件下解不定方程(3)的唯一整数解M、N；

若整数解唯一，则由式(1)计算获得被测距离L_D；

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率为f₃，并且满足条件f₃与f₁和f₂均没有简单的倍数关系，其“干涉节距”l_p3＝c/f₃；通过调节获得测量参考臂长L_c3，获得干涉现象，则有干涉测距方程为：

$L_D=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_{c1}-L_{c3}---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃为对应于飞秒激光重复频率f₃的“干涉节距”，Q为待测距离L_D与测量臂L_c3间的距离差值包含的测量节距l_p3的整倍数值；

可得：

M·l_p1-Q·l_p3＝L_c1-L_c3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解满足Q·l_p3＜2L_Dm条件下，不定方程(3)的唯一整数解M、Q；

若整数解唯一，则由式(3)计算获得被测距离L_D，否则重复该过程，直到寻找到唯一解为止，获得待测距离L_D；

2)基于变频干涉原理的飞秒激光测长装置采用重复频率可以控制的飞秒激光频率梳(1)，偏振片(2)，折光镜(3)，偏振分光镜(4)，参考反射镜(6)，测量物镜(7)，光电探测器(8)，数据采集系统(9)，计算机(10)进行测量时：

设定测量装置的参考臂长为固定不变的恒定值L_c；

通过调节飞秒激光频率梳1的重复频率获得相干重叠现象，设此时其重复频率为f_rep＝f₁，其“干涉节距”l_p1＝c/f₁，则有干涉测距方程为：

$L_D+L_c=\frac{M\·l_{p1}}{2}+L_c---\left(1\right)$

其中，l_p1＝c/f₁为对应于飞秒激光重复频率f₁的“干涉节距”，待测距离L_D；M为测量臂与参考臂L_c间的距离差值包含的测量节距l_p1的整倍数值；

其它不变，仅微调飞秒激光频率梳(1)的重复频率获得相干重叠现象，设此时其重复频率为f_rep＝f₂，其“干涉节距”l_p2＝c/f₂，则有干涉测距方程为：

$L_D+L_c=\frac{N\·l_{p2}}{2}+L_c---\left(2\right)$

其中，l_p2＝c/f₂为对应于飞秒激光重复频率f₂的“干涉节距”，待测距离L_D；N为测量臂与参考臂L_c间的距离差值包含的测量节距l_p2的整倍数值；

由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为L_Dm，则有由式(2)和(1)所测距离L_D均相等，且L_D≤L_Dm，可得：

M·l_p1＝N·l_p2 (3)

在M·l_p1＜2L_Dm和N·l_p2＜2L_Dm条件下解不定方程(3)的唯一整数解M、N；

若整数解唯一，则由式(1)计算获得被测距离L_D；

若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率获得干涉现象，设此时其重复频率为f_rep＝f₃，其“干涉节距”l_p3＝c/f₃，则有干涉测距方程为：

$L_D+L_c=\frac{Q\·l_{p3}}{2}+L_c---\left(4\right)$

其中，l_p3＝c/f₃为对应于飞秒激光重复频率f₃的“干涉节距”，待测距离L_D；Q为测量臂与参考臂L_c间的距离差值包含的测量节距l_p3的整倍数值，

可得：

M·l_p1＝Q·l_p3 (5)

在式(1)(2)的解M上求解满足Q·l_p3＜2L_Dm条件下，不定方程(5)的唯一整数解M、Q；

若整数解唯一，则由式(3)计算获得被测距离L_D；否则重复该过程，直到寻找到唯一解为止，获得待测距离L_D。