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飞秒光频梳的任意长绝对测距

邢书剑 张福民 曹士英 王高文 曲兴华

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飞秒光频梳的任意长绝对测距

邢书剑, 张福民, 曹士英, 王高文, 曲兴华

Arbitrary and absolute length measurement based on femtosecond optical frequency comb

Xing Shu-Jian, Zhang Fu-Min, Cao Shi-Ying, Wang Gao-Wen, Qu Xing-Hua
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  • 高精度测距在工业、航空航天、科学研究等方面都具有重要应用, 而不断发展的激光测距技术始终处于前沿研究领域. 本文研究飞秒光频梳绝对测距技术, 拓展光梳在长度测量领域的应用. 在利用脉冲激光进行任意绝对长度测量中常用到飞行时间法, 然而其测量分辨力受限于电子器件的带宽, 仅为毫米量级. 为克服这一缺点, 本文研究了光梳多脉冲序列之间的时间相干性, 结合多脉冲序列干涉法和飞行时间法提出了任意长绝对测距的方法, 搭建了基于改进型Michelson干涉原理的任意绝对测长系统, 通过同时测量多脉冲序列的一阶和二阶互相关信号, 可以分别计算出飞行时间的时间差, 即可得到被测距离. 利用光梳作为光源进行了0.6m的绝对测距实验, 将测量结果与高精度激光位移传感器的测量值进行比较, 实验结果表明本系统具有良好的测量线性度, 并且测距精度可达±0.5μm.
    High-accuracy distance measurement plays an important role in many applications, such as industry measurement, Aerospace and scientific research. The continual development oflaser ranging technique is always a frontier topic of geometric measurement, therefore this paper develops the application of femtosecond optical frequency comb for length measurement. Time-of-flight principle for distance measurement is widely used by pulse laser, however, achievable resolution reaches only a few millimeters at best due to the limited bandwidth of electronics. In this paper, the temporal coherence of multiple pulse train is analyzed, and an arbitrary and absolute length measurement system is set up based on modified Michelson interferometer by combining multiple pulse train interference and time-of-flight method. The timing difference is separately calculated by the first-order and second-order optical cross-correlation signals, therefore the absolute distance is calculated. An experiment is conducted by measuring a 60 cm length, and the measurement result is compared with a high precision laser displacement sensor. The result shows a good measuring linearity, and the measurement precision of ±0.5 μm is achieved.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51105274);高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20120032130002)和精密测试及仪器国家重点实验室开放基金(批准号: pil1201)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51105274), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20120032130002), and State key laboratory of precision measuring technology and instruments (Grant No. pil1201).
    [1]

    Zhang Y C, Wu J Z, Li Y Q, Jin L, Ma J, Wang L R, Zhao Y T, Xiao L T, Jia S T 2012 Chin. Phys. B 21 113701

    [2]

    Yi L, Yuan J, Qi X H, Chen W L, Zhou D W, Zhou T, Zhou X J, Chen X Z 2009 Chin. Phys. B 18 1409

    [3]

    Zhang J T, Wu X J, Li Y, Wei H Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 100601 (in Chinese) [张继涛, 吴学建, 李岩, 尉昊赟 2012 物理学报 61 100601]

    [4]

    Meng F, Cao S Y, Cai Y, Wang G Z, Cao J P, Li T C, Fang Z J 2011 Acta Phys. Sin. 60 100601 (in Chinese) [孟飞, 曹士英, 蔡岳, 王贵重, 曹建平, 李天初, 方占军 2011 物理学报 60 100601]

    [5]

    Fang Z J, Wang Q, Wang M M, Meng F, Lin B K, Li T C 2007 Acta Phys. Sin. 56 5684 (in Chinese) [方占军, 王强, 王民明, 孟飞, 林百科, 李天初 2007 物理学报 56 5684]

    [6]

    Qin P, Chen W, Song Y J, Hu M L, Chai L, Wang Q Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 240601 (in Chinese) [秦鹏, 陈伟, 宋友建, 胡明列, 柴路, 王清月 2012 物理学报 61 240601]

    [7]

    Wang G C, Yan S H, Yang J, Lin C B, Yang D X, Zou P F 2013 Acta Phys. Sin. 62 070601 (in Chinese) [王国超, 颜树华, 杨俊, 林存宝, 杨东兴, 邹鹏飞 2013 物理学报 62 070601]

    [8]

    Lee J H, Kim Y J, Lee K, Lee S, Kim S W 2010 Nat. Photonics 4 716

    [9]

    Berg van den S A, Persijn S T, Kok G J P 2012 Phys. Rev. Lett. 108 183901

    [10]

    Matsumoto H, Wang X N, Takamasu K, Aoto T 2012Appl. Phys. Express 5 046601

    [11]

    Coddington I, Swann W C, Nenadovic L, Newbury N R 2009 Nat. Photonics 3 351

    [12]

    Salvadé Y, Schuhler N, Lévêque S, Floch L S 2008 Appl. Optics 47 2715

    [13]

    Minoshima K, Matsumoto H 2000 Appl. Optics 39 5512

    [14]

    Joo K N, Kim S W 2006 Opt. Express 14 5954

    [15]

    Joo K N, Kim Y, Kim S W 2008Opt. Express 16 19799

    [16]

    Ye J 2004 Opt. Lett. 29 1153

    [17]

    Cui M, Schouten R N, Bhattacharya N, Berg van den S A 2008 J. Eur. Opt. Soc-rapid 3 08003

    [18]

    Dong W, Takahashi S, Takamasu K, Matsumoto H 2011 Opt. Express 19 4881

    [19]

    Kilpelä A, Pennala R, Kostamovaara J 2001 Rev. Sci. Instrum 72 2197

    [20]

    Dong W, Takahashi S, Takamasu K, Matsumoto H 2009 Opt. Express 17 7012

    [21]

    Dong W, Takahashi S, Takamasu K, Matsumoto H 2011Jpn. J. Appl. 50 022701

    [22]

    Dong W, Matsumoto H 2012 J. Europ. Opt. Soc. Rap. 7 12050

  • [1]

    Zhang Y C, Wu J Z, Li Y Q, Jin L, Ma J, Wang L R, Zhao Y T, Xiao L T, Jia S T 2012 Chin. Phys. B 21 113701

    [2]

    Yi L, Yuan J, Qi X H, Chen W L, Zhou D W, Zhou T, Zhou X J, Chen X Z 2009 Chin. Phys. B 18 1409

    [3]

    Zhang J T, Wu X J, Li Y, Wei H Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 100601 (in Chinese) [张继涛, 吴学建, 李岩, 尉昊赟 2012 物理学报 61 100601]

    [4]

    Meng F, Cao S Y, Cai Y, Wang G Z, Cao J P, Li T C, Fang Z J 2011 Acta Phys. Sin. 60 100601 (in Chinese) [孟飞, 曹士英, 蔡岳, 王贵重, 曹建平, 李天初, 方占军 2011 物理学报 60 100601]

    [5]

    Fang Z J, Wang Q, Wang M M, Meng F, Lin B K, Li T C 2007 Acta Phys. Sin. 56 5684 (in Chinese) [方占军, 王强, 王民明, 孟飞, 林百科, 李天初 2007 物理学报 56 5684]

    [6]

    Qin P, Chen W, Song Y J, Hu M L, Chai L, Wang Q Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 240601 (in Chinese) [秦鹏, 陈伟, 宋友建, 胡明列, 柴路, 王清月 2012 物理学报 61 240601]

    [7]

    Wang G C, Yan S H, Yang J, Lin C B, Yang D X, Zou P F 2013 Acta Phys. Sin. 62 070601 (in Chinese) [王国超, 颜树华, 杨俊, 林存宝, 杨东兴, 邹鹏飞 2013 物理学报 62 070601]

    [8]

    Lee J H, Kim Y J, Lee K, Lee S, Kim S W 2010 Nat. Photonics 4 716

    [9]

    Berg van den S A, Persijn S T, Kok G J P 2012 Phys. Rev. Lett. 108 183901

    [10]

    Matsumoto H, Wang X N, Takamasu K, Aoto T 2012Appl. Phys. Express 5 046601

    [11]

    Coddington I, Swann W C, Nenadovic L, Newbury N R 2009 Nat. Photonics 3 351

    [12]

    Salvadé Y, Schuhler N, Lévêque S, Floch L S 2008 Appl. Optics 47 2715

    [13]

    Minoshima K, Matsumoto H 2000 Appl. Optics 39 5512

    [14]

    Joo K N, Kim S W 2006 Opt. Express 14 5954

    [15]

    Joo K N, Kim Y, Kim S W 2008Opt. Express 16 19799

    [16]

    Ye J 2004 Opt. Lett. 29 1153

    [17]

    Cui M, Schouten R N, Bhattacharya N, Berg van den S A 2008 J. Eur. Opt. Soc-rapid 3 08003

    [18]

    Dong W, Takahashi S, Takamasu K, Matsumoto H 2011 Opt. Express 19 4881

    [19]

    Kilpelä A, Pennala R, Kostamovaara J 2001 Rev. Sci. Instrum 72 2197

    [20]

    Dong W, Takahashi S, Takamasu K, Matsumoto H 2009 Opt. Express 17 7012

    [21]

    Dong W, Takahashi S, Takamasu K, Matsumoto H 2011Jpn. J. Appl. 50 022701

    [22]

    Dong W, Matsumoto H 2012 J. Europ. Opt. Soc. Rap. 7 12050

  • [1] 梁旭, 林嘉睿, 吴腾飞, 赵晖, 邾继贵. 重复频率倍增光频梳时域互相关绝对测距. 物理学报, 2022, 71(9): 090602. doi: 10.7498/aps.71.20212073
    [2] 饶冰洁, 张攀, 李铭坤, 杨西光, 闫露露, 陈鑫, 张首刚, 张颜艳, 姜海峰. 用于光腔衰荡光谱测量的多支路掺铒光纤飞秒光梳系统. 物理学报, 2022, 71(8): 084203. doi: 10.7498/aps.71.20212162
    [3] 王国超, 李星辉, 颜树华, 谭立龙, 管文良. 基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析. 物理学报, 2021, 70(4): 040601. doi: 10.7498/aps.70.20201225
    [4] 赵显宇, 曲兴华, 陈嘉伟, 郑继辉, 王金栋, 张福民. 一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法. 物理学报, 2020, 69(9): 090601. doi: 10.7498/aps.69.20200081
    [5] 任杰, 阮锡超, 陈永浩, 蒋伟, 鲍杰, 栾广源, 张奇玮, 黄翰雄, 王朝辉, 安琪, 白怀勇, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈裕凯, 陈朕, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 高可庆, 顾旻皓, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 洪杨, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 江浩雨, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 穆奇丽, 宁常军, 齐斌斌, 任智洲, 宋英鹏, 宋朝晖, 孙虹, 孙康, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张林浩, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 中国散裂中子源反角白光中子源束内伽马射线研究. 物理学报, 2020, 69(17): 172901. doi: 10.7498/aps.69.20200718
    [6] 陈嘉伟, 王金栋, 曲兴华, 张福民. 光频梳频域干涉测距主要参数分析及一种改进的数据处理方法. 物理学报, 2019, 68(19): 190602. doi: 10.7498/aps.68.20190836
    [7] 王义, 张秋楠, 韩冬, 李元景. 多气隙电阻板室飞行时间谱仪技术. 物理学报, 2019, 68(10): 102901. doi: 10.7498/aps.68.20182192
    [8] 马金栋, 吴浩煜, 路桥, 马挺, 时雷, 孙青, 毛庆和. 基于飞秒锁模光纤激光脉冲基频光的差频产生红外光梳. 物理学报, 2018, 67(9): 094207. doi: 10.7498/aps.67.20172503
    [9] 彭博, 曲兴华, 张福民, 张天宇, 张铁犁, 刘晓旭, 谢阳. 飞秒脉冲非对称互相关绝对测距. 物理学报, 2018, 67(21): 210601. doi: 10.7498/aps.67.20181274
    [10] 赵冠凯, 刘军, 李儒新. 基于多光子脉冲内干涉相位扫描法对飞秒激光脉冲进行相位测量和补偿的研究. 物理学报, 2014, 63(16): 164207. doi: 10.7498/aps.63.164207
    [11] 王国超, 颜树华, 杨俊, 林存宝, 杨东兴, 邹鹏飞. 一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距新方法的理论分析. 物理学报, 2013, 62(7): 070601. doi: 10.7498/aps.62.070601
    [12] 秦鹏, 陈伟, 宋有建, 胡明列, 柴路, 王清月. 基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量. 物理学报, 2012, 61(24): 240601. doi: 10.7498/aps.61.240601
    [13] 元晋鹏, 姬中华, 杨艳, 张洪山, 赵延霆, 马杰, 汪丽蓉, 肖连团, 贾锁堂. 飞行时间质谱探测磁光阱中超冷分子离子的实验研究. 物理学报, 2012, 61(18): 183301. doi: 10.7498/aps.61.183301
    [14] 葛绪雷, 马景龙, 郑轶, 鲁欣, 蒋刚, 李玉同, 魏志义, 张杰. 多脉冲序列飞秒钛宝石激光的啁啾脉冲放大. 物理学报, 2012, 61(21): 214206. doi: 10.7498/aps.61.214206
    [15] 周丹丹, 任煜轩, 刘伟伟, 龚雷, 李银妹. 时间飞行法测量光阱刚度的实验研究. 物理学报, 2012, 61(22): 228702. doi: 10.7498/aps.61.228702
    [16] 张淑平, 杨泽超, 彭亚晶, 王英慧, 刘玉强, 杨延强. Alq3和CdSeS量子点掺杂体系的载流子输运性质的研究. 物理学报, 2009, 58(1): 518-522. doi: 10.7498/aps.58.518
    [17] 雷 亮, 文锦辉, 焦中兴, 赖天树, 林位株. 飞秒脉冲振幅和相位的无干涉条纹重构法测量. 物理学报, 2008, 57(1): 307-312. doi: 10.7498/aps.57.307
    [18] 姚良骅, 冯北滨, 陈程远, 冯 震, 李 伟, 焦一鸣. 中国环流器二号A(HL-2A)超声分子束注入最新结果. 物理学报, 2008, 57(7): 4159-4165. doi: 10.7498/aps.57.4159
    [19] 耿 涛, 闫树斌, 王彦华, 杨海菁, 张天才, 王军民. 用短程飞行时间吸收谱对铯磁光阱中冷原子温度的测量. 物理学报, 2005, 54(11): 5104-5108. doi: 10.7498/aps.54.5104
    [20] 刘淑荣, 江伟林, 刘家瑞, 林荫浓. 用飞行时间法研究Si溅射离子簇质谱的结构效应. 物理学报, 1991, 40(5): 703-708. doi: 10.7498/aps.40.703
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-04-11
  • 修回日期:  2013-07-15
  • 刊出日期:  2013-09-05

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