[发明专利]基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，包括：飞秒光频梳(1)、铷钟(2)、第一单模光纤(3-1)、第二单模光纤(3-2)、第三单模光纤(3-3)、单模光纤耦合器(4)、第一光纤准直器(5-1)、第二光纤准直器(5-2)、第一扩束镜(6-1)、第二扩束镜(6-2)、光程延迟器(7)、分光镜(8)、待测台阶型表面(9)、带成像透镜系统的CCD探测器(10)以及计算机(11)，其位置关系为：

铷钟(2)电连接至飞秒光频梳(1)，为其提供频率基准信号，以锁定重复频率和偏置频率，从而使最终的测量结果具有可溯源性；

飞秒光频梳(1)的输出通过第一单模光纤(3-1)进入单模光纤耦合器(4)，单模光纤耦合器(4)按照2∶1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤(3-2)和第三单模光纤(3-3)；

第二单模光纤(3-2)的出射端连接第一光纤准直器(5-1)，将飞秒脉冲激光准直成空间光，依次通过测量臂中的第一扩束镜(6-1)和分光镜(8)，入射至待测台阶型表面(9)上，其反射光再由分光镜(8)反射至CCD探测器(10)上；

第三单模光纤(3-3)的出射端连接第二光纤准直器(5-2)，将飞秒脉冲激光准直成空间光，进入参考臂中的光程延迟器(7)，由第二光纤准直器(5-2)准直形成的空间光的光斑与光程延迟器(7)要求的光斑匹配，准直的空间光从光程延迟器(7)输出后，依次通过第二扩束镜(6-2)和分光镜(8)，与测量光的反射光合光，并由CCD探测器(10)接收；

CCD探测器(10)将接收到的每个台阶面对应的像素的光强值转化为电信号，传递给计算机(11)，同时计算机(11)控制飞秒光频梳(1)工作，扫描其重复频率，并通过CCD探测器(10)的输出信号得到每个台阶面对应像素光强随重复频率值变化的干涉光强图谱，计算每个台阶面的相干峰值对应的重复频率值，从而计算出台阶的绝对距离。

2.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，参考光和测量光合光时由光程延迟器(7)和空间光部分产生的总的光程差为N个脉冲距离间隔。

3.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述飞秒光频梳(11)的中心波长为1560nm，偏置频率f₀为20MHz，重复频率f_r为250MHz，可调谐的最大范围为3MHz，调谐的分辨率为0.01Hz，其重复频率和偏置频率均锁定至铷钟(2)的频率基准。

4.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述单模光纤耦合器(4)将入射光按照2∶1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤(3-2)和第三单模光纤(3-3)，而反射镜8反射光和透射光的分光比为1∶1，使得最后CCD探测器(10)探测到的参考脉冲和测量脉冲的光强近似相等，提高得到的干涉条纹的对比度。

5.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述光程延迟器(7)采用Corning ULE 7972材料制成。

6.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述第一扩束镜(6-1)用于扩束测量光，第二扩束镜(6-2)用于扩束参考光，使得扩束后两光斑尺寸匹配。