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基于光纤飞秒光梳激发双光子吸收的大尺寸绝对距离测量研究

陈鹏飞  
【摘要】:长度测量作为光学精密测量领域的研究热点之一,对于众多的科研实验以及先进制造业等领域的发展具有重要的意义,比如:大型飞机零部件间的距离测量、精密机床的校准、微电子电板生产的精密测量等。基于飞秒光学频率梳的测距技术是一种新型的光学检测技术,通过获取飞秒激光的相位、频率、光谱等参数可以实现绝对距离的测量,具有可靠性高、测量精度高、非接触式等优点。随着我国计量领域的快速发展,大尺寸高精度高稳定性的实时绝对距离测量已经成为计量领域科研的核心方向。光学自相关方法可以发挥超快飞秒激光的优势,实现实时性大量程测距,因此研究基于光纤飞秒光学频率梳的自相关绝对测距技术具有重要的应用价值。本文围绕以上内容,开展的研究工作具体包括:首先,系统地阐述了飞秒光频梳的特点以及飞秒光梳测距技术的发展和研究现状。分析了硅双光子吸收的特性,构建了飞秒光梳激发硅双光子吸收的数学模型,建立了基于光学自相关的绝对距离测量理论模型,分析结果表明,双光子吸收产生的光学自相关函数可用于绝对距离测量。其次,本文提出了一种基于飞秒激光激发双光子吸收的光学自相关波形产生方法。将硅光电探测器引入到自相关测量系统,利用飞秒激光激发硅光电探测器的非线性效应直接获取自相关信号。实验搭建了基于迈克尔逊干涉仪结构的测量系统,实验结果表明,通过扫描干涉仪中的参考臂能够有效地获得脉冲的自相关波形,并实现飞秒激光脉冲宽度的精确测量。此外,本文设计了基于光学自相关方法的绝对距离测量系统,利用非平衡迈克尔逊干涉结构探测两路光脉冲时间延迟的变化,基于硅光电探测器的双光子吸收特性产生自相关信号。利用改进型Edlen公式修正折射率以分析系统的不确定度。实验结果表明,利用硅双光子吸收特性能够替代传统的飞秒激光测距系统中的非线性晶体,简化实验测量结构,并且可实时地测量绝对距离,获得了亚微米的测量精度,系统具有较好的稳定性。


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