光纤光梳激发双光子吸收的高精度绝对距离测量技术的研究

For the scientific problem on laser precision measurement, this project explores novel method for absolute distance measurement. Measurement principle and key technology for the large-scale/high-precision range finder has been researched, which carrying on theoretical and technological innovation from the fiber optical frequency comb (FOFC) and the measurement scheme. By combining the FOFC technology and the theory of two-photon absorption in GaAs, new distance measurement method has been proposed through stabilizing the repetition rate of the FOFC to the peak of two-photon transition spectrum. The silicon detector serves as the inherent optical cross-correlator, resulting in a very simple measurement configuration. In addition, a compact and portable fiber-laser frequency comb and a practical large-scale range-finder will be developed, so as to achieve relative measurement uncertainty of 10^(-8) L (several hundred nanometers at tens of meters) to meet the requirement of industry and national defense. The basic theory of proposed range finder had paved a solid foundation for further innovation and technology of systematic FOFC-based absolute distance measurement, which has great scientific significance and research value for the development of new large-scale metrical instruments.

本项目围绕激光精密测量的科学问题，探索绝对距离测量的新方法。从光纤飞秒光学频率梳和测量原理进行理论和技术的创新，研究基于光纤飞秒光梳的大量程、高精度绝对距离测量新方法及关键技术。将光纤飞秒光梳技术和砷化镓探测器的双光子吸收理论相结合，提出了一种通过将光纤飞秒光梳的重复频率锁定至双光子跃迁信号的峰值进行绝对距离测量的方法，探测器本身即为光学非线性器件，结构简单紧凑。同时，研制小型化、便携式的光纤飞秒光梳测距系统，实现大量程、高精度绝对距离的实时测量，距离测量的相对精度达10^(-8)L（范围几十米，精度在亚微米），满足工业和国防的重大需求。这些研究结果将构成新的系统的飞秒光梳测量绝对距离的理论与技术，对于发展新型的基准测量和精密的大尺寸计量仪器具有重要的科学意义和研究价值。

基于先进激光的几何量精密测量技术，在前沿基础科学和先进技术应用中发挥着巨大的作用。本项目围绕激光精密测量的科学问题，从激光光源和测量原理进行理论和技术的创新，研究大量程、跨尺度、高精度绝对距离、位移及振动测量的新方法及关键技术。开展了飞秒光纤光学频率梳的系统研究，完成了光学、电子学、机械及软件部分的设计；研究了光电探测器的双光子吸收理论模型，测量了飞秒脉冲的自相关函数，获得了0.89fs的测量分辨率；完成了基于光学自相关法测距的实验系统，并开展实验研究，利用自相关波形的谱峰位置实现待测目标的绝对距离测量，相对测量精度可达2.5×10-7。.此外，我们将光子学滤波引入激光回馈干涉系统，利用布拉格光栅的边缘滤波特性，实现光频波动的检测，大幅度提高了信噪比，进一步提出了基于探测器双光子吸收的二次探测方法，极大地抑制了高频谐波成分，简化了后续处理程序。我们还开展了激光干涉的动态锁相技术研究，利用自适应锁相放大器对干涉仪的输出进行测量，精确重构了目标物体的纳米级运动波形。我们还将反射光栅引入激光自混合干涉系统的外腔，设计了一种基于利特罗结构的激光自混合光栅干涉系统用于三维动态位移测量。本项目的扩展研究包括了蓝宝石光纤黑体腔辐射测温仪、基于激光鼠标的面内振动传感器、激光自混合干涉测振仪、基于金属球壳阵列的折射率传感器等等，这些测量装置具有结构简单、紧凑、精度高、测量结果稳定等优点，具有一定的商业推广价值。.课题研究期间，发表学术论文19篇，其中SCI收录15篇，申请发明专利6项，参加了多次国内外学术报告，其中邀请报告2次。指导博士硕士研究生13名，开发的基于双光子吸收的光纤飞秒激光测距仪获得了江苏省计量科学研究院校准证书，测量精度达微米级。综上所述，我们较好地完成了课题任务，发展了多项新型的高精度几何量测量方法，对精密测量领域的发展有重要的意义。