利用光梳和频率扫描技术实现大量程高精度绝对距离测量

绝对距离测量技术在各个领域应用广泛，但其测量范围和精度往往是一对矛盾体，无法兼顾。本申请提出利用光梳和频率扫描技术实现绝对距离测量的原理和方法，有望在3至4米的测量范围内实现优于10纳米的测量不确定度，且测量结果具有可溯源性。该方法的核心由飞秒光梳和频率扫描外差干涉仪系统两部分组成。采用一支大范围连续可调谐的半导体激光器进行频率连续扫描，在外差干涉仪基础上，构建出一组合成波长链，从而将测量范围扩大至米级。同时，为了实现纳米量级的测量精度，需要对扫描频率进行有效锁定和精确测量。结合光梳可在宽光谱范围内输出固定频率间隔谱线的特性，将半导体激光器锁定至一套由飞秒光纤激光器组成的光频梳系统。通过将该光梳系统的输出频率锁定至时间频率基准，可实现距离测量结果的溯源。

本研究的整体目标是实现一种大范围高精度的绝对距离测量方法，且测量结果具有计量学上的可溯源性。通过三年的系统研究，本课题较为圆满地完成了预定的研究计划，执行情况概况如下：（1）完成了利用频率扫描构建合成波长的理论研究。从合成波长的基本理论出发，基于当前高性能半导体激光器和光学频率梳的典型性能参数，构建了一套完整的理论分析方法。该方法解决了合成波长链的建立和传递条件，对实际设计提供了理论依据。（2）掌握了可调谐半导体激光器的频率扫描和测量技术。在实验上实现了半导体激光器和光频梳的锁定；掌握了半导体激光器的调谐频率精确测量和锁定技术；在实验上实现了半导体激光器的频率溯源。（3）实现了干涉相位的精确解调。研制出一套外差信号相位测量系统 （基于FPGA技术的相位卡），相位测量准确度优于0.1°。（4）建立了两套绝对距离测量实验装置，成功对本课题提出的测量原理进行了实验验证。本课题取得的主要成果包括：在行业内主要学术期刊（如 Applied Optics, Measurement Science and Technology, Review of Scientific Instruments 等）发表学术论文9篇（其中SCI收录8篇），其中发表于Measurement Science and Technology的研究论文（题目为：Interferometric diameter determination of a silicon sphere using a traceable single laser frequency synthesizer）被评为该杂志2013年度Outstanding Paper，表明本工作得到了国际同行的高度认可。另外，获中国国家发明专利一项（已授权）.