当前课程知识点：光电仪器设计 > 第7章 光电仪器新进展 > 7.2 飞秒光梳测距1 > 7.2 飞秒光梳测距1
大家好 这节课开始给大家介绍
飞秒光梳在测距方面的应用
其实飞秒光梳有很多突出的优点和特性
因此也有很广泛的应用
这幅图是美国标准计量局的
科学家总结的飞秒光梳的应用领域
包括时间频率基准
光谱计量和测距等等几个方面
其中测距的研究是这节课要关注的
上一节课我们也介绍了
长度计量的发展历程
其中干涉仪的测距
已经能够实现很高的精度
那还有没有必要来研究飞秒光梳测距呢
要回答这个问题
需要了解一下传统干涉仪测距的缺点
干涉仪测量时
测量范围在二分之一波长以内时
可以直接通过相位变化来确定被测距离
当被测距离大于二分之一波长时
是无法确定这个绝对距离的
因此二分之一波长被称之为非模糊距离
那么要测比这个值大的距离该怎么办呢
一般需要将被测目标放在导轨上
从初始位置移动到被测位置
在移动过程中进行条纹计数
再结合这两个位置的干涉相位信息
来确定被测距离
这种方法也被称之为增量式测距
大家可以想象一下为什么要导轨呢
没有导轨直接移动行不行
答案是不行
因为在移动过程当中
需要一直维持着干涉信号
不能中断
所以从直观上来讲
这个方法有很多限制
因为不是在任何地方
都适合来架设这样一个导轨
要解决这个问题
就要研究绝对距离测量的方法
飞秒光梳的诞生
极大地促进了绝对距离测量技术的发展
下面我们就介绍几种典型的
飞秒光梳测距系统
第一种我把它称之为空间光尺法
测量系统结构很简单
从光梳发出的飞秒脉冲序列
我们把相邻脉冲的空间间隔记为Dpp
当脉冲到达分光镜时分成两束
一束去参考臂
另外一束去测量臂
由于参考臂和测量臂不相等
当参考臂的脉冲回到探测器时
测量臂的脉冲还在途中
但如果两个臂的臂长之差
也就是我们要测的距离
为二分之一的Dpp的整数倍的时候
测量臂的脉冲就会和
后面的参考臂脉冲发生重合
在实际测量一个未知距离的时候
我们通过扫描飞秒光梳的重频
使得参考臂脉冲和测量臂脉冲重合
此时被测距离可以用这个公式来表示
二分之一的Dpp
就是这个空间光尺的刻度
可以通过光速c除以重频来计算
而重频可以通过频率计测量得到
因此 只需确定整数m
即可得到准确的被测距离
由于Dpp很大
一般在米量级
所以通过其他粗测方法
比如说在市面上卖的激光测距仪
就能够用来确定这个整数m
这样我们就能精确地测定被测距离
现在我们回顾一下测量过程
想一想决定这种测量方法精度的关键
到底是什么
这种方法通过扫描重频
寻找参考臂脉冲
和测量臂脉冲重合的位置
问题是如何判断两个脉冲重合了
或者说这两个脉冲对准了
脉冲对准的精度就决定了测距的精度
在这类方法刚出现的时候
大家采用的是
通过强度极值来判定的方法
也就是在扫描重频的过程中
可以得到两个脉冲叠加的强度包络
认为强度最大时
两个脉冲对准
这种方法一般能达到1微米左右的精度
但是也有一定的缺点
比如说对于光的强度噪声比较敏感
因为这个强度噪声会直接影响找极值
另外一方面
1微米左右的精度
对于一般测量场合是够用了
但是无法满足纳米量级的
超高精度测距的需求
针对这个问题
我们实验室曾经提出了一种
双波长外差干涉对准的方法
在这个系统中
我们通过PPLN倍频晶体产生倍频光
让基频光和倍频光同时入射到分光镜上
其中一束到参考臂
在参考臂当中
用分色镜和两个声光调制器
对基频光和倍频光分别进行移频
通过分光镜的另外一束光进入测量臂
最后参考臂和测量臂的光束合束之后
由分色镜将两个波长的信号分开探测
这个对准方法的基本思路是
利用倍频光波长和基频光波长的一半
有一定的差别
利用这个差别
构建了一个虚拟的合成波长
在对准的过程中
采用三步来进行
第一步是用上面介绍的强度对准方法
实现微米级的精度
然后过渡到合成波的相位
提高对准精度
最后再过渡到基频光的干涉相位
进一步提高对准精度 达到纳米量级
课上我们只介绍
提高脉冲对准精度的基本思路
详细的原理大家可以读文献来了解
脉冲对准的问题解决了
我们再来看看这个系统
有没有别的问题
前面介绍了
相邻脉冲间隔Dpp很大
而飞秒光梳重频的调谐范围
是非常有限的
因此这种方法在测距的时候
存在一个很大的可能是
无论我们怎么样去调节这个重频
都无法得到
让参考臂和测量臂的脉冲发生重合
这也就是一个很大的测量盲区
这个测量盲区
是由于空间刻尺的刻度太大
所造成的
那有什么办法来解决呢
这将在我们下一节课来介绍
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
