[发明专利]基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置及方法

摘要

一种基于飞秒光频梳的台阶型表面形貌测量装置及方法，采用已将重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准的飞秒光频梳作为光源，分光后将其中的参考光经过一定的光程延迟后与测量光干涉，扫描飞秒光频梳的重复频率并获得每个台阶面对应像素接收到的光强的相干峰值位置，再利用相干峰值对应的重复频率和光程延迟量计算得到台阶的绝对距离；本发明克服了传统方法光路调节难度大和精度受限于压电陶瓷机械运动精度的缺点，且具有纵向分辨率高、测量范围大的优点，同时，飞秒光频梳的重复频率和偏置频率均锁定至铷钟频率基准，测量结果具有可溯源性。

主权项

一种基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，包括：飞秒光频梳(1)、铷钟(2)、第一单模光纤(3‑1)、第二单模光纤(3‑2)、第三单模光纤(3‑3)、单模光纤耦合器(4)、第一光纤准直器(5‑1)、第二光纤准直器(5‑2)、第一扩束镜(6‑1)、第二扩束镜(6‑2)、光程延迟器(7)、分光镜(8)、待测台阶型表面(9)、带成像透镜系统的CCD探测器(10)以及计算机(11)，其位置关系为：铷钟(2)电连接至飞秒光频梳(1)，为其提供频率基准信号，以锁定重复频率和偏置频率，从而使最终的测量结果具有可溯源性；飞秒光频梳(1)的输出通过第一单模光纤(3‑1)进入单模光纤耦合器(4)，单模光纤耦合器(4)按照2∶1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤(3‑2)和第三单模光纤(3‑3)；第二单模光纤(3‑2)的出射端连接第一光纤准直器(5‑1)，将飞秒脉冲激光准直成空间光，依次通过测量臂中的第一扩束镜(6‑1)和分光镜(8)，入射至待测台阶型表面(9)上，其反射光再由分光镜(8)反射至CCD探测器(10)上；第三单模光纤(3‑3)的出射端连接第二光纤准直器(5‑2)，将飞秒脉冲激光准直成空间光，进入参考臂中的光程延迟器(7)，由第二光纤准直器(5‑2)准直形成的空间光的光斑与光程延迟器(7)要求的光斑匹配，准直的空间光从光程延迟器(7)输出后，依次通过第二扩束镜(6‑2)和分光镜(8)，与测量光的反射光合光，并由CCD探测器(10)接收；CCD探测器(10)将接收到的每个台阶面对应的像素的光强值转化为电信号，传递给计算机(11)，同时计算机(11)控制飞秒光频梳(1)工作，扫描其重复频率，并通过CCD探测器(10)的输出信号得到每个台阶面对应像素光强随重复频率值变化的干涉光强图谱，计算每个台阶面的相干峰值对应的重复频率值，从而计算出台阶的绝对距离。