当前课程知识点：光电仪器设计 > 第7章 光电仪器新进展 > 7.3 飞秒光梳测距2 > 7.3 飞秒光梳测距2
大家好 这节课我们接着讲飞秒光梳测距
上一节课最后我们提了一个问题
就是这幅图上所示的
空间光尺的刻度太大
造成的测量盲区该如何解决
下面我们来介绍解决方案
双光梳测量系统
看看测量盲区是如何被消除的
首先来看这个光路的上半部分
这个是和空间光尺法非常类似的
一个光梳发出的光脉冲序列
称之为信号光
到达分光镜后分成两束
其中一束到达参考臂后返回
另外一束到达测量臂后返回
由于这两个臂长不相等
所以返回的光束合束之后
是空间上错开的两个脉冲序列
也就是右边图上显示的
深蓝色和浅蓝色的脉冲序列
在空间光尺法的系统当中
是要通过改变重频
使得深蓝色和浅蓝色的脉冲发生重合
但由于调节范围很有限
很难做到这一点
如果我们换一个思路
想办法精确地测出
两个脉冲序列的时间延迟τ
也能得到被测距离
双光梳的系统正是采用这样的一个思路
我们来看左边光路图的下半部分
我们通过另外一台光梳作为本振光
它的重频和信号光有微小的差别
图中显示的是1kHz的差别
相比56MHz的重频是很小的一个值
本振光发出的脉冲序列是
右边图上显示的红色脉冲序列
脉冲周期和信号脉冲有微小的差别
因此当信号光和本振光脉冲序列
在分光镜BS2上合光之后
每经过一个传播周期
红色脉冲相对两个蓝色脉冲
就会产生微小的时间滑移
随着这个时间滑移的累积
红色脉冲就实现了
对深蓝色脉冲和浅蓝色脉冲的一个采样
得到下面这幅图所示的两个干涉波包
这两个波包是红色脉冲
分别对深蓝色和浅蓝色两个脉冲序列
采样之后所得到的
然后采用快速傅立叶变换的方法
可以得到两个波包之间的时间延迟Δt
这个Δt和我们要求的
信号光两个脉冲序列的时间延迟τ
之间有定量的比例关系
因此就可以通过求出τ
进而来求解这个被测距离
有同学也许要问
能不能直接去测
信号光两个脉冲序列的时间延迟
这也是可以的
但由于电子器件响应
和信号处理精度的限制
这就类似于市面上的
基于飞行时间法的激光测距仪
测量精度很差
而双光梳测距系统中
是通过光采样的方法
将这个小的时间间隔
放大成一个很大的时间间隔来测量
测出之后再按照比例换算成距离
能大大地提高测量精度
下面我们再介绍另外一种
典型的测距方法
叫模间拍频法
介绍这个之前
我们需要了解一下
将飞秒光梳的脉冲
入射到光电探测器上
会输出什么样的信号
上面这幅图显示的是光梳的光谱图
当它被光电探测器接收之后
由于带宽的限制
光频无法直接探测
探测器输出的信号频谱
是不同光谱线之间的拍频
包括1倍的重频
2倍的重频 3倍的重频等等
最高的拍频受限于探测器的带宽
当光梳的光传播一定距离时
每根光谱线的相位都会随之变化
它们的拍频的相位也会相应地变化
这就是模间拍频法测量的理论基础
下面我们来看这个系统
具体是怎么实现的
从飞秒光梳发出的光
到分光镜BS1分成两束
其中一束直接入射到探测器PD1上
另外一束经过分光镜BS2后
又分成两束
其中一束到达反射镜M后
返回到探测器PD2
另外一束作为测量光束
经过扩束镜到达测量靶镜C之后返回
通往反射镜M的光束
和靶镜C的光束
在快门S1和S2的控制之下轮流工作
我们这儿先忽略反射镜M的光束
在探测器PD1
和PD2上得到的拍频的相位差
就反映了被测距离
可以通过这个公式来计算
式子当中m代表拍频取重频的m倍
相位Δϕm是两探测器得到的
同一拍频的相位差
测量的策略是先用最低的拍频进行粗测
实现较大的测量范围
并用它来确定
高次拍频跨的整数级次Nm
然后用高次拍频
实现精测 来提高测量精度
有同学可能好奇
通往反射镜M的光束是干什么用的
在测距的公式当中并没有体现出来
这是因为拍频相位差来自于两个探测器
和相应的信号处理系统
存在着电路引入的漂移
因此通过反射镜M的光束和测量光束
轮流去和参考光束比对相位
就能够监测和消除
电路所引入的相位漂移
下面我们对飞秒光梳测距这一部分内容
做一下总结
包括上一节课和这一节课的内容
首先请大家明确为什么要研究
飞秒光梳绝对距离测量
这是因为传统的干涉测距有很多的限制
课上介绍的空间光尺法测距
请大家重点掌握其基本原理
以及脉冲对准的关键技术
从其测量盲区的问题
我们引出了双光梳测距的方法
请大家掌握这个测量盲区
是怎么样被消除的
最后我们还介绍了模间拍频法
也请大家理解掌握其基本原理
这一小节课就讲到这儿
-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
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