飞秒激光频率梳精密测距技术综述

高精度绝对距离测量在科技发展中具有重要的作用,传统的测量方法已无法满足日益提高的测量要求。光学频率梳是重频和相位完全锁定的锁模脉冲激光,具有很高的空间、时间和频率分辨率。基于光频梳的测距技术由于在大尺寸计量及未来空间任务中的应用潜力引起了极大关注。介绍了光频梳测距技术的发展与现状,重点介绍了5种测量原理,包括合成波长干涉法、多波长干涉法、色散干涉法、双光梳干涉法和飞行时间法。

结构紧凑的双波长连续波掺铒光纤激光器

多波长掺铒光纤激光器在波分复用光学通信等领域具有广阔的应用前景,引起了大量关注。为了满足不同场合的应用需求,本文报道了一种结构紧凑、基于非线性放大光纤环镜的双波长连续运转掺铒光纤激光器。该激光器采用全保偏光纤结构。除了光纤外,激光腔内只含有波分复用器、2×2光纤耦合器和光纤反射镜3个器件。非线性放大光纤环镜在腔内引入强度相关损耗,当腔内损耗随着入射光强增加而增加时,可以有效抑制腔内激光模式竞争。当强度相关损耗的抑制作用和激光模式竞争达到平衡时,激光器即可实现稳定的多波长输出。在260mW泵浦功率下,激光器运转在双波长振荡状态,输出波长分别为1560.5nm和1563.2nm,边模抑制比达到46.8dB。随着泵浦功率的提高,激光器依次工作在单波长、双波长和三波长运转状态。该激光器结构简单,操作方便,具有很好的应用前景。

基于增益光纤长度优化的双波长运转掺铒光纤锁模激光器

构建了可自启动的双波长运转掺铒光纤锁模激光器.通过优化增益光纤长度,利用掺铒光纤在1530nm附近的再吸收效应调节激光器的增益谱,使激光器在1530nm和1560nm附近具有相同的增益强度.实验中采用31cm掺铒光纤作为增益光纤,以透射式半导体可饱和吸收体作为锁模器件,实现了自启动双波长锁模运转.激光器锁模输出重复频率为58.01MHz,信噪比为58.2dB,最高输出功率为4.8mW.锁模输出的光谱在1532.4nm和1552.3nm处具有两个强度接近的谱峰,谱峰间距约为20nm.该激光器无需手动调节即可实现双波长运转,更便于实际使用.

滤波对8字腔掺铒光纤激光器锁模运转的影响

构建了基于损耗非对称非线性光学环镜的8字腔掺铒光纤锁模激光器,并讨论了腔内滤波带宽对腔内脉冲演化和激光器输出特性的影响.在非线性光学环镜中引入双向输出耦合器,耦合器和传输光纤位置的不对称产生非互易性,实现锁模运转.利用自制的可调谐滤波器实验研究了滤波带宽对激光器的影响.当滤波带宽为2.1 nm时,腔内脉冲的演化过程受滤波和孤子效应的共同作用,激光器顺时针和逆时针输出脉冲半高全宽分别为583.7fs和2.94 ps.随着滤波带宽增大,滤波的作用逐渐减弱,激光器两路输出脉冲参数逐渐接近,并接近傅里叶变换极限脉冲.当滤波带宽较大时,腔内脉冲的演化过程受增益谱和孤子效应的共同作用,激光器顺时针和逆时针输出脉冲均为变换极限脉冲,半高全宽约为440 fs.通过调节滤波器中心波长实现了对激光器输出脉冲光谱的连续调谐,调节范围大于30 nm.

偏振调制测距系统频率漂移误差及其补偿

偏振调制测距方法中,频率测量的稳定性是影响测距精度的关键因素。为提高偏振调制测距系统中频率测量精度,提出一种双向扫频频率测量方法。分析了偏振调制测距原理及测频精度与测距精度的关系,探讨了频率漂移量的影响因素和频率漂移规律,证明调制深度和热致附加相位差是影响频率漂移的重要因素。利用正向扫频和反向扫频时频率漂移方向相反的特点,提出频率漂移误差补偿方法,可在低调制深度条件下补偿热致附加相位差引起的频率漂移。对距离为15.23m的目标进行测量,频率测量标准差从3.822 9×104 Hz减小到5.807 5×103 Hz,测距误差从7.513 7mm减小到0.866 7mm,验证了该方法的有效性。

角反射器对调制偏振光的偏振响应研究

偏振调制测距方法利用往返调制偏振光传递待测距离相位信息,角反射器作为其合作目标,其对调制偏振光的偏振响应会影响系统性能。为研究该响应,提出调制偏振光的复信号描述方法,在测量系统的全局坐标系下,结合偏振传递参数获得反射调制偏振光的复信号表示。分析了正入射时未镀膜实心(BK7)和空心(Au膜层)角反射器对调制偏振光的偏振响应特性;比较三种常用金属膜层对调制偏振光的保偏性能,并分析角反射器姿态角对保偏特性的影响。计算结果表明:Ag膜层对调制偏振光的保偏性能优于Au膜层和Al膜层;全局坐标系下调制偏振光振幅比受偏摆角影响显著,相位延迟受俯仰角影响显著。研究结果可为偏振调制测距系统的优化设计提供理论指导。

基于多头读数布局的圆光栅自校准方法研究

针对测角系统在线校准问题,提出了一种基于多读数头布局的自校准方法。通过多组传感器的测量数据,利用圆封闭原则和傅里叶级数的性质,建立测量值与误差之间的函数关系,并基于多读数头布局原理,对自校准读数头布局进行优化,以提高校准方法对误差的抑制能力,实现单读数头测角传感器的自校准。设计了单轴转台,搭建了自校准测角系统,并进行了实验验证。实验结果表明:测角系统采用自校准方法后,单读数头测角传感器的测角误差为6.10″,在相同的测量环境下,其校准精度接近借助外部参考标准的传统谐波标定方法。自校准方法可有效抑制测角误差,显著提高测量精度。