基于光学频率梳强度信息的绝对测距技术#张福民，吴翰钟*（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072）510152025303540摘要：采用光学频率梳的绝对距离测量技术有着重要作用。本文提出一种采用光学频率梳光强实现绝对距离测量的新方法。分析了光梳发出的脉冲的时间相干性，计算了光强与被测距离之间的关系，得到了干涉条纹峰值点的位置与被测距离之间的关系。实验结果表明，该方法可以实现绝对距离测量，测量误差为13nm。该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量。关键词：光学频率梳；绝对测距；光强中图分类号：TB89AbsolutedistancemeasurebytheintensityusingopticalfrequencycombZHANGFumin,WUHanzhong(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandInstrument,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:High-accuracyrangingsystemisofkeyimportanceinbothfuturespace-basedsciencesandinlarge-scalemanufacturing.Anapproachbasedonthelightintensityisdemonstratedforabsolutedistancemeasurementatlongrangeusingtheopticalfrequencycomb.Thetemporalcoherencefunctionofthepulsesemittedfromtheopticalcombisanalyzed.Themeasurementprincipleisintroduced.Thepeakpositionoftheinterferencefringeisanalyzed,whichcancontributetothedistancemeasurement,andnumeroussimulationsaredevelopedcorrespondingly.Theexperimentresultsshowthatabsolutedistancemeasurementcanberealized.Theprecisionis13nm.Thismethodcanbeusedtomeasurealargescaledistance.Keywords:Opticalfrequencycomb;Absolutedistancemeasurement;Intensity0引言高精度的绝对距离测量技术在科学研究、航空航天和工业生产上发挥着重要的作用。在星体间的距离测量、卫星飞行导航和大规模的工业制造等领域[1]。飞秒光学频率梳（以下简称为光梳）的出现开启了绝对距离测量领域的新篇章。飞秒光学频率梳在时域内是一连串等距的脉冲序列，在频域内是一系列等频率间隔的单独的纵模，由于在频域内形似一把梳子。光梳有两个重要的参数：重复频率frep和初始频率偏移fceo。这两个参数都可以被锁定在外部的频率基准上，比如Rb钟或Cs钟，于是这两个参数就具有了跟外部频率基准一样的超高的稳定度（10-16）。过去的十几年时间里，科学家们提出了许多基于光梳的绝对距离测量方法[2]。2000年，Minoshima和Matsumoto应用锁模飞秒激光器设计了一个高精度的测距仪，在长达240m的测量范围内实现了每米8µm的测量精度[3]；2004年，JunYe在理论上提出了一种结合非相干的时间飞行法和相干的时间飞行法的测距方案，这个方案基于飞秒脉冲的时间相干性，理论上可以达到亚波长量级的测量精度[4]；2006年，Joo和Kim提出了一种通过干涉色散来测距的方案，在测量距离0.89m范围内，可以达到7nm的测量精度[5]；2006年，N.Schuhler基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100032120062)作者简介：张福民(1982-)，男，副教授，主要研究方向：大尺寸测量.zhangfumin@tju.edu.cn-1-和Y.Salvadé提出一种多波长干涉的测距方法，这个方法可以拓宽非歧义范围，同时精度可以达到每米0.2µm[6]；2009年，I.Coddington等人提出了一种采用双光梳结合非相干和相干45505560的时间飞行法的测距方案，实验中测量距离为1.14km，精度为纳米量级[7]；2012年，Matsumoto等人设计了一种超外差测距干涉仪，在403.2m的距离范围内测量误差为2.6µm[8]。本文提出了一种采用光学频率梳通过光强实现绝对距离测量的新方法，该方法可以用于大尺寸绝对距离测量。论文分为四个部分：第一部分分析了脉冲的时间相干性，建立了时间相干函数；第二部分介绍了通过光强实现绝对距离测量的原理，并进行了仿真分析；第三部分分析了干涉条纹峰值点的位置变化规律，并进行了仿真分析，对绝对测量有参考价值。第四部分介绍了测距实验，实验结果表明该方法可以实现绝对距离测量，测量精度为13nm。1脉冲的时间相干性分析图1所示为测距实验原理图，OFC是光学频率梳，OI是光隔离器，BS是分光棱镜，MR是参考镜，MT是目标镜，Lens是透镜...