[发明专利]一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置及方法

权利要求书

1.一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，包括飞秒激光光源、原子钟、迈克尔逊干涉测距装置、波片HWP4、偏振分光棱镜PBS、平衡光学互相关组件、光电探测设备、伺服控制设备和频率计数器；

所述的飞秒激光光源用于向光学测量系统提供稳定光源；

所述的迈克尔逊干涉测距装置用于产生待测距离；

所述的波片HWP4用于保证来自迈克尔逊干涉测距装置的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；

所述的平衡光学互相关组件用于提取平衡光学互相关信号；

所述的光电探测设备用于将光信号转化为电信号；

所述的伺服控制设备用于飞秒激光器重复频率锁定；

所述的原子钟用于为飞秒激光器重复频率的锁定和频率计数器提供参考，实现测量基准的溯源；

其特征在于：

还包括长度为m的单模长光纤和波片HWP5；

所述的波片HWP5用于保证来自长度为m的单模长光纤光路的光脉冲的正交偏振方向和偏振分光棱镜PBS的偏振方向吻合；

由飞秒激光光源发出飞秒脉冲，所述的飞秒脉冲分为两束，一束进入迈克尔逊干涉测距装置，迈克尔逊干涉测距装置的输出光束经过波片HWP4调整偏振态；另一束进入长度为m的单模长光纤，并经过波片HWP5调整偏振态；所述的经过波片HWP4调整偏振态的光束和经过波片HWP5调整偏振态的光束在偏振分光棱镜PBS处合光，经过光电探测设备转换成光电信号，经过平衡光学互相关组件得到互相关信号，伺服控制设备将飞秒激光器的重复频率锁定到原子钟上。

2.如权利要求1所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉测距装置包括波片HWP1、波片HWP2、波片HWP3、分光棱镜BS、参考反射镜M1、目标反射镜M2；飞秒激光光源发出的光脉冲经波片HWP1入射至分光棱镜BS分光，一路经波片HWP2入射至参考反射镜M1，另一路经波片HWP3入射至目标反射镜M2，两路光经反射镜反射返回分光棱镜BS；

所述的波片HWP1用于调节输入迈克尔逊干涉测距装置参考反射镜M1和目标反射镜M2的光功率；

所述的分光棱镜BS用于将输入的飞秒脉冲分为两束正交光。

3.如权利要求2所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，其特征在于：所述的平衡光学互相关组件包括两对双色镜、一个倍频晶体、一个双折射晶体、一对凸透镜、平衡光电探测设备；

所述的两对双色镜用来分离基频光和倍频光；

所述的一个倍频晶体用于实现倍频功能；

所述的一个双折射晶体用于补偿延时；

所述的一对凸透镜用于汇聚光束；

所述的平衡光电探测设备用于将倍频光转换成电信号。

4.如权利要求3所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置，其特征在于：所述的平衡光电探测设备具有两个光电探测通道，能够同时输出两个通道的光强信号以及两信号之差；平衡光电探测设备输出的电信号S为两束倍频光光强之差，表达式为：

其中I₁₀、I₂₀分别为通过晶体前后的基频光强，L为倍频晶体的长度，T₁、T₂分别为两路脉冲的脉冲宽度，Δt为长度为m的单模长光纤光路脉冲与参考脉冲或测量脉冲在晶体中固定时间延迟，τ为长度为m的单模长光纤光路脉冲与参考脉冲或测量脉冲进入晶体前的时间延迟；参考脉冲或测量脉冲相对长度为m的单模长光纤光路脉冲的时间延迟决定平衡光学互相关信号的大小。

5.一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距方法，基于权利要求1、2、3或4所述的一种大范围重频调制的飞秒激光绝对测距装置实现，其特征在于：具体实现方法包括如下步骤：

步骤一：遮挡住迈克尔逊干涉测距装置中的测量光路，测量长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中的参考光路之差；调谐重复频率f_rep，并测量迈克尔逊干涉测距装置中的参考臂和长度为m的单模长光纤光路传送的两个相邻脉冲的时间间隔Δt；当脉冲重复频率为f_rep1时，在通过迈克尔逊干涉测距装置中参考臂和长度为m的单模长光纤光路不同臂传送的两个脉冲序列之间具有Δt1的时间间隔；当重复频率增加到f_rep2，通过不同臂传送的两个相邻脉冲之间具有相对于时间间隔Δt1更小的时间间隔Δt2；

则参考臂和光纤光路之间的路径差满足：

式中ΔL₁为长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考光路之差的粗略值；m₁为长度为m的单模光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考臂之间的脉冲整数倍；c为光速；n为空气折射率；f_rep1、f_rep2为重复频率；Δt1、Δt2由示波器探测得出，f_rep1、f_rep2通过频率计数器得到，进而确定m₁；

利用伺服控制设备控制飞秒激光器的腔长，调谐飞秒激光脉冲的间隔，将长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考臂之间的飞秒激光脉冲数锁定在整数m₁；通过测量飞秒激光器的重复频率，精确地确定脉冲间隔，从而精确地确定迈克尔逊干涉测距装置中测距光路的飞行时间；通过：得到长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考光路之差ΔL₁的精确值；

步骤二：测量长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中测量光路之差；首先挡住迈克尔逊干涉测距装置中参考光路，调谐飞秒激光器重复频率f_rep，并测量迈克尔逊干涉测距装置中测量臂和长度为m的单模长光纤传送的两个相邻脉冲的时间间隔Δt；根据步骤一求出长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考光路之差ΔL₂的精确值；

步骤三：长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中参考光路之差减去长度为m的单模长光纤光路与迈克尔逊干涉测距装置中测量光路之差得到迈克尔逊干涉测距装置中参考臂与测量臂的距离差，所述的迈克尔逊干涉测距装置中参考臂与测量臂的距离差即为待测距离，即实现大范围重频调制的飞秒激光绝对距离测量。