赵显宇 曲兴华 陈嘉伟 郑继辉 王金栋 张福民†
工作台面(天津大学, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072)
(2020 年1 月12日收到; 2020 年2 月16日收到修改稿)
提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法. 理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理, 并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素. 在实验中, 使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带, 并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展, 得到重复频率为10 GHz, 光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源, 可以实现无“死区”的绝对距离测量. 另外, 使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理, 可以修正系统误差, 提升测距精度. 实验结果表明, 在1 m的测量范围内, 使用该装置可以在任意位置达到 ± 15 µm以内的绝对测距精度. 关键词：光学频率梳, 电光调制, 光谱干涉, 绝对测距
PACS：06.20.–f, 06.30.Bp, 42.25.Hz DOI: 10.7498/aps.69.20200081
1 引 言
近年来, 高端装备制造的发展, 比如卫星编队飞行、大飞机、大型科研装置的制造与加工安装，对高精度的大尺寸测量提出了需求. 另一方面, 在超快激光和光学频率梳(optical frequency comb，以下简称“光频梳”)发明之后, 科学家们也一直在探究他们的应用. 自从2000年Minoshima和Matsumoto发明了一种基于超快激光纵模自拍频的相位法测距技术之后[1], 20年来, 科学家对基于超快激光和光频梳的绝对测距技术进行了广泛的研究, 陆续提出了几种测距方法. 具体可以分为基于时域脉冲的测距方法和基于频域特征的测距方法两大类. 其中扫描位移台干涉、调节腔长干涉和双光梳异步光学采样是三种主要的基于时域脉冲的测距手段[2−7], 他们依靠脉冲在空间上的相遇会产生互相关干涉条纹, 通过解算互相关条纹就可以判断脉冲的位置, 进而解算出待测距离; 而频域法又可以分为多波长干涉法和光谱干涉法两类, 多波长干涉法是通过光频梳不同纵模之间的波长差组建合成波长, 检测合成波长的相位变化来求解被测距离, 最典型的是纵模自拍频合成波长法[1]和多外差合成波长法[8−10]. 光谱干涉法又被称为散干涉法[11−16], 光频梳中不同的纵模代表不同波长的激光信号, 这些信号在经过相同的测量臂后一起与参考臂的信号相干涉, 不同波长的光干涉时的相位不同, 导致干涉后的条纹亮度就不同, 将干涉后的光频梳放在光谱仪上观察, 会看到光频梳光谱中出现一个类似正弦调制的包络, 这个包络的频率正与被测距离相关, 解算出包络的频率, 就可以推算出待测距离. 光谱干涉测距方法相对于扫描位移台干 * 国家重点研发计划(批准号: 2018YFB2003501, 2018YFF0212702)、国家自然科学基金(批准号: 516
广告宣传栏制作75380, 51775379)和天津市重点研发计划科技支撑重点项目(批准号: 18YFZCGX00920)资助的课题.投篮训练器>涡旋振荡器
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† 通信作者. E-mail: zhangfumin@tju.edu
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© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society wulixb.iphy.ac 物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 69, No. 9 (2020) 090601
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