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基于飞秒光频梳的绝对距离测量技术研究

许艳  
【摘要】:长度作为七个基本物理量之一,其精确测量在前沿基础科学和先进技术应用中具有极为重要的意义。随着飞秒光频梳的出现,飞秒脉冲激光器开始应用于绝对距离测量。相对于传统测距方法中的连续激光、脉冲激光和白光等光源,锁定的飞秒脉冲激光器具有十分独特的优势,在时域上可以看作是一系列等间隔的脉冲序列,而频域上则可以提供从微波频率直到光频的一系列等间隔频率分布。本论文在国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持下,围绕飞秒光学频率梳绝对距离测量技术进行了深入的研究和探索。主要研究内容包括以下几个方面: (1)分析了现有各种绝对距离测量方法,介绍了飞秒光学频率梳绝对距离测量技术国内外研究现状及发展趋势。 (2)综述了基于飞秒光学频率梳的绝对距离测量原理,归纳了飞秒激光器光学频率梳的应用和激光频率锁定与溯源的基本原理。 (3)在色散脉冲传播理论的基础上,提出了飞秒光学频率梳引入非平衡迈克尔逊干涉仪的互相关离散模型。在考虑相速度、群速度和群延时色散前提下,建立了超短脉冲在不同中心波长、频谱形状和大气条件下绝对测距互相关模型。仿真结果表明,随着传播距离的增大互相关模型具有稳定啁啾和线性加宽;而大气压强、温度、湿度和二氧化碳含量的微小变化只引起互相关图形的移动,不产生任何线性加宽或啁啾。 (4)在飞秒绝对测距互相关离散模型的基础上,提出了飞秒光学频率梳引入非平衡迈克尔逊干涉仪中的互相关连续模型。基于连续模型和二次近似算法研究了互相关中最亮条纹的位置,得到互相关图案中最亮条纹的位置随延迟距离做非线性变化,当达到一定距离后,最亮条纹移动呈线性变化。提出了非线性色散深度的概念,当距离大于非线性色散深度时,互相关的形成由光谱轮廓确定,而相干模式的每个强度点只由一个固定频率确定。 (5)在白光色散干涉的基础上,提出了光谱分辨干涉飞秒绝对测距方法。分析了理想采样下以及光学频率梳滤出模式(3648和1824两个模式数量)情况下,光谱分辨干涉方法的性能指标。仿真结果表明光谱分辨干涉法的最小测量距离为6.3μm,非模糊范围为5.75mm,测量精度为±4μm。采用适当的组合测量方法,最大测量距离可以扩展到任意长度。研制了飞秒光谱分辨干涉法中用于滤出光梳模式的法布里-珀罗标准具,设计并实现了光谱分辨干涉法飞秒绝对测距实验装置,实验数据表明,测距范围达到±1mm,测量偏差达到±5μm。


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