[发明专利]一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置及方法，属于长度测量技术领域。本发明包括飞秒激光器、滤波片、分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜、第二为凹面反射镜、聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器等，使用微调飞秒激光频率梳脉冲重复频率的方法取代了同时需要较大范围机械运动的参考臂调节和飞秒激光频率梳重复频率双重调节过程，通过不同的互质重复频率下的相位测量结果，以解不定方程形式判断重复周期个数，从而达到较快速的距离测量目的。本发明无须调节测量臂长，也不需要重复周期个数只能变化一个的苛刻条件即可实现距离测量。

主权项

1.一种基于变频测相原理的飞秒激光测长装置的测长方法，其特征在于：所用硬件包括飞秒激光器、滤波片、分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜、第二为凹面反射镜、聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一带通滤波器以及第二带通滤波器。/n飞秒激光器用于产生重复频率f_ra、含有多个波长分量的飞秒激光，滤波片用于进行选通滤光，选出所需要的激光波长；分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂和测量臂，第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜、第一凹面反射镜以及第二凹面反射镜分别用于激光扩束和准直；聚焦透镜，用于激光汇聚，第一光电探测器、第二光电探测器用于将光信号变成电信号；第一带通滤波器以及第二带通滤波器用于将电脉冲滤成正弦波；相位计在重复频率f_ra或其高次谐波上进行相位测量，并被转换成时间差用于列写测距方程。/n其方法实现步骤为：/n飞秒激光器输出重复频率f_ra的飞秒激光经过滤波片选通滤波后输出固定波长的脉冲光，经分光镜分别去往参考臂和测量臂，参考臂用于给测长确定零位置点；参考光经第一平面反射镜、第一角耦反射棱镜、第二角耦反射棱镜反射后，被第一光电探测器变成电脉冲信号，然后经过第一带通滤波器变成参考正弦信号进入相位计一端；测量光经第二凹面反射镜、第一凹面反射镜扩束和准直，然后经第二角耦反射棱镜、第三平面反射镜反射,以及聚焦透镜聚焦，被第二光电探测器变成电脉冲信号，然后经过第二带通滤波器变成测量正弦信号进入相位计另一端；待测距离D即为测量臂长DM与参考臂长DR间的光程差DM-DR；相位计在重复频率f_ra上的相位差读值为计算机和变重复频率距离测量方法部分用于将相位量值转换成时间量值，并给出测距方程，待测距离D用公式(1)至(4)表示：/n /n /n /n /n其中，q为飞秒脉冲节距l_a的整倍数，q值由解有限区间内的不定方程确定；v_g为飞秒激光在空气中的群速度，f_ra为飞秒激光的重复频率，δ_a为小数部分修正距离，c是光在真空中的速度，中心波长为λ的飞秒激光在空气中的折射率用n表示，d为微分运算符；为相位计在重复频率f_ra上的相位差读值；零距离刻度线AB表明当测量目标第二角耦反射镜CM2位于AB处情况下，参考臂与测量臂的光程差为0，相位计读值为0°，即DM＝DR，D＝0；当AB位置确定后，可以通过调整参考臂长度令其与测量臂的光程差为0获得参考臂镜CM1的位置；/n其它不变，微调飞秒激光重复频率f_ra为f_rb，并且满足条件f_rb与f_ra没有简单的倍数关系；/n获得相位差读值为/n /n /n /n其中，p为飞秒脉冲节距l_b的整倍数，p值由解有限区间内的不定方程确定；f_rb为飞秒激光的重复频率，δ_b为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rb上的相位差读值；/n由于测长装置的量程是有限的，设其最大量程为D_m，则有由式(5)和(1)所测距离D均相等，且D≤D_m，可得公式(8)/np·l_b-q·l_a＝δ_a-δ_b (8)/n在p·l_b＜2D_m和q·l_a＜2D_m条件下解不定方程(8)的唯一整数解对p、q；/n若整数解对唯一，则由式(5)计算获得被测距离D；/n若整数解不唯一，则需要继续微调飞秒激光重复频率f_rb为f_rc，并且满足条件f_rc与f_rb和f_ra均没有简单的倍数关系，获得相位差读值为/n /n其中，r为飞秒脉冲节距l_c的整倍数，r值由解有限区间内的不定方程的唯一解来确定；f_rc为飞秒激光的重复频率，δ_c为小数部分修正距离，为相位计在重复频率f_rc上的相位差读值；/n有不定方程：/nr·l_c-q·l_a＝δ_a-δ_c (10)/n /n继续在上述式(8)的整数解对应的距离点上验证是否唯一满足式(10)的解，直至找到满足式(10)的唯一解为止，结束寻找，则被测距离D按式(9)计算确定。/n