光学频率梳的绝对距离测量研究
《2024年高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》范文
《高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，光频梳（Optical Frequency Comb，简称OFC）在精密光谱、通信技术以及频率测量等领域得到了广泛的应用。
本文将主要探讨高质量的光频梳的产生原理、方法及其在频率测量中的应用研究。
二、光频梳的产生原理及方法光频梳是一种具有等间隔频率模式的光源，其产生原理主要基于激光器及非线性光学效应。
光频梳的产生方法主要包括基于锁模激光器、光纤光梳等。
其中，锁模激光器产生光频梳具有高稳定性、高相干性等特点，是产生高质量光频梳的重要手段。
（一）锁模激光器产生光频梳锁模激光器通过将多个模式激光的相位锁定，使其形成等间隔的频率模式，从而产生光频梳。
这种方法产生的光频梳具有高稳定性、高相干性等优点，被广泛应用于精密光谱、光学测量等领域。
（二）光纤光梳光纤光梳是一种基于光纤非线性效应的光频梳产生方法。
通过光纤中的四波混频、交叉相位调制等非线性效应，可以在光纤中形成光频梳。
该方法具有结构简单、成本低等优点，适用于大规模光通信网络和频率测量系统。
三、光频梳在频率测量中的应用光频梳在频率测量中具有极高的精度和稳定性，被广泛应用于微波信号的精确测量、光学频率标准以及天文学中的星体光谱分析等领域。
（一）微波信号的精确测量利用光频梳的等间隔频率模式，可以实现微波信号的精确测量。
通过将微波信号与光频梳进行混频、鉴相等操作，可以获得微波信号的精确频率值。
这种方法具有高精度、高分辨率等优点，被广泛应用于通信、雷达等领域。
（二）光学频率标准光频梳可以作为光学频率标准，实现高精度的光学频率测量。
通过将未知频率的光信号与光频梳进行拍频，可以得到未知光信号的准确频率值。
这种方法具有高精度、高稳定性等特点，被广泛应用于精密光谱学、量子信息等领域。
（三）天文学中的星体光谱分析光频梳还可以应用于天文学中的星体光谱分析。
通过将星体发射的光谱与已知的光频梳进行比对，可以获得星体光谱的精确频率信息，从而实现对星体的精确测量和性质分析。
光频率梳测距原理
光频率梳测距原理光频率梳测距原理的基本思想是利用飞行时间法测量光的往返时间，再通过光的速度和测得的时间计算出距离。
通过将激光脉冲从光源发射出去，经过一段距离后，脉冲被目标物体反射，返回到光源。
利用光的速度和测得的时间，就可以得到目标物体与光源之间的距离。
在光频率梳测距原理中，飞行时间法的关键是测量脉冲的到达时间。
通常使用以下步骤进行测量：1.发射激光脉冲：光源通过激光器产生高能量的脉冲光，通常使用超快激光器产生纳秒甚至飞秒级别的脉冲。
2.接收反射脉冲：光脉冲被目标物体反射后，被接收器捕获。
接收器通常是一个高灵敏度的光电探测器，可以将光信号转换为电信号。
3.记录到达时间：接收器将接收到的光信号转换为电信号后，通过计数器记录光脉冲到达接收器的时间。
这个时间即为往返的时间。
4.计算距离：根据光的速度和测得的时间，可以计算出目标物体与光源之间的距离。
光的速度通常使用光在真空中的速度，即299,792,458米/秒。
实际应用中，光频率梳测距原理可以通过不同的扩展和改进进行优化和增强。
一种常见的方法是使用多频光脉冲，通过更精确的测量和数据处理技术，提高测距精度和分辨率。
另一种方法是使用多路径干涉技术，通过检测光的相位变化，进一步提高测距精度和抗干扰能力。
光频率梳测距原理具有很多优点。
首先，它可以实现非常高的测距精度，比传统的测量方法要好得多。
其次，它具有较高的分辨率，可以检测到微小尺寸或变化。
第三，由于采用光传输，光频率梳测距原理具有非接触和非破坏性。
最后，光频率梳测距原理适用于各种材料和场景，包括固体、液体和气体。
总结起来，光频率梳测距原理是一种利用光的频率梳技术测量距离的方法。
它通过测量光脉冲的往返时间，结合光的速度，可以计算出目标物体与光源之间的距离。
光频率梳测距原理具有高精度、高分辨率、非接触和适用于各种材料和场景等优点，因此在科学研究、工业应用和地质勘探等领域有着广泛的应用前景。
光频梳绝对距离测量关键技术及应用
光频梳绝对距离测量关键技术及应用光频梳绝对距离测量是一种基于光学干涉和频谱分析的精密测量技术。
其关键技术主要包括光频梳的产生、光学干涉的测量和控制、以及数据处理和分析。
下面将详细介绍这些关键技术及其应用。
1.光频梳的产生
光频梳是一种具有多个等间隔频率分量的光信号，其产生方式通常是通过非线性光学效应或光参量振荡器等。
在绝对距离测量中，光频梳的频率范围和稳定性对测量精度有着重要影响。
因此，需要采用高精度、高稳定性的光频梳产生技术，以确保测量结果的准确性。
1.光学干涉的测量和控制
光学干涉是光频梳绝对距离测量的核心部分。
通过将待测距离与已知距离的光线进行干涉，可以得到干涉条纹的相位信息。
为了准确测量干涉条纹的相位，需要采用高灵敏度的光电探测器和高速数据采集系统。
同时，还需要对光学干涉系统进行精确的控制，包括光源的波长、干涉臂的长度和角度等，以确保干涉条纹的稳定性和可重复性。
1.数据处理和分析
在获得干涉条纹的相位信息后，需要进行数据处理和分析，以得出待测距离的绝对值。
这需要采用高性能的计算机和相
关软件，对干涉条纹进行快速傅里叶变换、相位解包等处理，以得到距离的绝对值。
同时，还需要对测量结果进行误差分析和校正，以提高测量精度。
应用方面，光频梳绝对距离测量技术在许多领域都有广泛的应用，如激光雷达、光学传感、精密测量等。
例如，在激光雷达中，光频梳绝对距离测量可以用于实现高精度、高分辨率的距离测量和地形测绘；在光学传感中，可以用于实现高灵敏度的气体、液体等物质的浓度和成分检测；在精密测量中，可以用于实现微米甚至纳米级别的距离测量和定位控制。
基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量
摘要 ：提 出使用飞秒激光器的光学频率梳测量绝对距 离的方法 。将一个飞秒激光器作为绝对距 离测量的光源 ，搭 建迈克 尔逊干涉结构 ，利用 色散干涉原 理进行相 应的光谱 分析 ，得到干涉光路的光学路径差 引起的相位 差，最终
计算 出干涉光路 的光学路 径差。实验结果表 明我们的长度 测量方法精确度 高，分辨力达到纳米量级。最小测量距
第３ ８卷第 ８ 期
２ １ 年 ８月 ０１
光 电工 程
Ｏｐ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎｉ ｔ — ｅ ｔｏ ｃＥｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖ＿ ． ８ ＮＯ ８ ０３． ． １ Ａｕ ｕ ｔ ２ １ ｇ ｓ， ０ １
文 章编号 ：１ ０ — ０ Ｘ（０ １０ — ０ ９ ０ ０ ３ ５ １ ２ １）８ ０ ７ — ５
离达到 ９ｇ ｍ，非模糊 范 围达到 ５ ５ ． ７ ｍｍ。相对 于传统 白光 色散干 涉技术 的有 限测量 范围，最大测量距 离可以扩展
到任 意 长度 。
关键词：绝对距 离测量；飞秒激光器；光学频率梳 ； 色散 干涉 中图分类号：Ｔ ９ １ Ｎ ４ ． Ｂ ２ ；Ｔ ２ ８１ 文献标志码 ：Ａ ｄ ｉ ０３ ６ ／ｉ ｎ１０ ．０Ｘ．０ １ ８０ ３ ｏ ：１ ． ９ ．ｓ．０ ３５ １ ２ １． ．１ ９ ｊｓ ０
Ａｂｓ ｌ ｅＤｉ ｔ ｎ ｅＭ ｅ ｓ ｅ ｅ ｓ ｄ ｏ ｈｅ Ｏ ｐ ｉ ａ ｏ ｕｔ ｓ ａ ｃ ａ ｕｒ ｍ ｎｔＢａ ｅ ｎ ｔ ｔｃ ｌ Ｆｒ ｑｕ ｎ ｙ Ｃｏ ｂ ｏ ｍ ｔ ｓ ｃ ｎｄ Ｌａ ｅ ｅ ｅ ｃ ｍ ｆａ Ｆｅ ｏ ｅ ｏ ｓ ｒ
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《2024年高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》范文
《高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》篇一一、引言光频梳（Optical Frequency Comb，OFC）技术是近年来光学领域的一项重要突破。
它通过激光器产生一系列等间隔的频率线，形成一个类似于无线电中的“梳子”的光谱图样。
光频梳的独特性能和优越性使得它在各种科学领域，特别是在频率测量中发挥着越来越重要的作用。
本文旨在深入探讨高质量光频梳的产生机制，并探讨其在频率测量中的应用。
二、高质量光频梳的产生（一）光频梳的基本原理光频梳的产生主要依赖于激光器的非线性效应和精确的频率控制技术。
通过光学谐振腔中的激光器产生多个模式，这些模式之间具有固定的频率间隔，从而形成光频梳。
（二）高质量光频梳的产生方法为了产生高质量的光频梳，需要采用高稳定性、低噪声的激光器和精确的频率控制技术。
此外，还需要对光学谐振腔进行精细的调整和优化，以获得最佳的频率间隔和模式纯度。
（三）实验装置与实验方法实验装置主要包括激光器、光学谐振腔、光电探测器等。
实验方法包括对激光器进行非线性调制、对光学谐振腔进行精确调整等步骤。
通过这些步骤，我们可以获得高质量的光频梳。
三、光频梳在频率测量中的应用（一）光频梳在光学频率测量的优势光频梳具有高稳定性、高精度和高分辨率的特点，使得它在光学频率测量中具有显著的优势。
它可以实现高精度的频率测量和校准，为各种光学实验提供了可靠的频率参考。
（二）光频梳在绝对频率测量中的应用通过将光频梳与待测频率进行比较，可以实现高精度的绝对频率测量。
这种方法在通信系统、天文观测、量子计算等领域具有重要的应用价值。
（三）光频梳在光学仪器中的应用光频梳还广泛应用于各种光学仪器中，如光谱仪、干涉仪等。
它可以提高仪器的测量精度和稳定性，为科学研究提供了有力的支持。
四、实验结果与讨论（一）实验结果通过实验，我们成功产生了高质量的光频梳，并实现了高精度的频率测量。
实验结果表明，光频梳的频率稳定性、精度和分辨率均达到了较高的水平。
光频率梳测距原理
光频率梳测距原理光频率梳测距技术是一种基于激光技术的距离测量方法，它利用光频率梳的特殊性质实现高精度的距离测量。
本文将介绍光频率梳测距的原理及其应用。
1. 光频率梳的基本原理光频率梳是一种特殊的光源，它的光谱呈现出均匀分布的频率峰，就像梳子的齿一样。
这些频率峰之间的间距非常规律，可以精确地对应不同的光频率。
光频率梳的产生是通过将一个连续光源的光通过非线性光学效应进行频率转换而得到的。
2. 光频率梳测距原理在光频率梳测距中，首先需要将光频率梳与待测物体进行相互作用。
当激光经过待测物体反射回来时，光频率梳会对反射光进行频率分析。
由于光频率梳的频率峰之间的间距是已知的，通过测量反射光与光频率梳频率峰之间的相位差，就可以计算出待测物体与测量设备之间的距离。
3. 光频率梳测距的优势光频率梳测距技术具有许多优势。
首先，它可以实现非常高的测量精度，通常可以达到亚毫米甚至亚微米级别。
其次，光频率梳测距技术具有非接触性，能够在远距离范围内进行测量。
此外，光频率梳测距技术还具有快速测量速度和高重复性的特点。
4. 光频率梳测距的应用光频率梳测距技术在许多领域中得到了广泛的应用。
例如，在制造业中，它可以用于高精度的零件测量和质量控制。
在地质勘探中，光频率梳测距技术可以用于地下水位的监测和地壳运动的测量。
在航天领域，光频率梳测距技术可以用于卫星定位和导航。
此外，光频率梳测距技术还可以应用于光纤通信、医学影像等领域。
总结：光频率梳测距技术是一种基于光频率梳的特殊性质实现高精度距离测量的方法。
通过对光频率梳与待测物体反射光的频率分析，可以计算出待测物体与测量设备之间的距离。
光频率梳测距技术具有高精度、非接触性、快速测量速度和高重复性等优势，广泛应用于制造业、地质勘探、航天和光纤通信等领域。
随着激光技术的不断发展，光频率梳测距技术将进一步推动距离测量的精度和应用范围的拓展。
光频率梳测距原理
光频率梳测距原理引言：光频率梳测距原理是一种精确测量距离的技术，它利用光频率梳的特性来实现高精度的测距。
本文将介绍光频率梳测距原理的基本概念、工作原理、应用领域以及未来发展方向。
一、基本概念：光频率梳是一种能够产生非常稳定、均匀的光脉冲序列的装置。
它的频率是以确定的间隔均匀分布的，就像梳子的齿一样。
这种分布在频谱上呈现为一系列锐利的光谱线，因此被称为光频率梳。
光频率梳的频率间隔非常精确，可以用来测量时间和频率。
而光频率梳测距原理则是利用光频率梳的特性来实现高精度的距离测量。
二、工作原理：光频率梳测距原理的基本思想是利用光频率梳的频率间隔和测量物体反射的光的时间差来计算距离。
当激光照射到目标物体上时，部分光线会被反射回来。
通过测量反射光的时间差，可以计算出光的传播时间，从而得到距离。
具体实现光频率梳测距的方法有多种，其中一种常用的方法是利用干涉原理。
将光频率梳的光和反射光进行干涉，通过测量干涉条纹的移动来计算光的传播时间，进而计算出距离。
这种方法具有高精度、高可靠性的特点，广泛应用于科学研究和工业领域。
三、应用领域：光频率梳测距原理在许多领域都有广泛的应用。
其中一个重要的应用是在激光测距仪中。
激光测距仪是一种常用的测距设备，利用光频率梳测距原理可以实现高精度的测距。
这种测距仪广泛应用于建筑、测绘、地质勘探等领域。
光频率梳测距原理还可以应用于雷达测距。
传统的雷达测距方法一般利用电磁波的传播时间来计算距离，而光频率梳测距原理可以实现更高的测距精度。
因此，在一些对测距精度要求较高的应用场景中，如航天、军事等领域，光频率梳测距技术被广泛采用。
四、未来发展方向：随着科技的不断进步，光频率梳测距原理在未来有着广阔的发展前景。
一方面，随着光学技术的发展，光频率梳的性能将进一步提高，频率间隔将更加精确，测距精度将更高。
另一方面，光频率梳测距原理将与其他测距技术相结合，例如与激光雷达、相位测量等技术的结合，可以实现更多样化的测距应用。
基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法研究
基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法研究作为一项重大的前沿基础科学研究,引力波的高精度太空探测对激光测距技术提出了百万千米量级测量范围、皮米量级测量精度的极限挑战。
在卫星编队飞行等尖端航天领域中,对激光测距技术的需求也达到了数千米至数百千米范围内纳米量级的测量精度。
现有经典的激光绝对距离测量技术已经完全无法满足上述需求。
近十年来,光学频率梳的出现促进了激光绝对距离测量技术的发展,为满足上述需求提供了潜在可能。
但现有基于光学频率梳的多波长激光干涉测距方法仍存在难以同步生成多尺度合成波长以兼顾测量范围、速度与精度,现有频率梳模型与生成方法影响测量精度和各梳齿干涉测距相位难以高精度、快速分离与提取的问题,无法完全满足上述科学与技术领域对绝对距离测量的要求。
本课题旨在针对上述问题,为激光绝对距离测量技术提出一种具备兼顾大范围、快速和高精度测距潜力,且便于实现量值溯源的多波长激光干涉测量方法,对该方法进行原理分析及实验室条件20米范围的实验验证。
研究成果经继续改进及优化,可推广应用于空间引力波探测和卫星编队飞行控制等前沿科学技术领域。
本课题主要研究内容如下:针对现有基于光学频率梳的多波长干涉测距法难以同步生成多尺度合成波长导致测量范围、速度与精度难以兼顾的问题,结合经典多波长激光干涉测距原理和光学频率梳等间隔梳状多光谱的特性,提出了一种基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法,该方法以中心梳齿偏频锁定、梳齿间距稍有不同的外差双光学频率梳作为光源,利用其中的众多梳齿同步生成了多个不同尺度的粗测和精测合成波长,对光学频率梳中多梳齿的干涉测距信息进行了融合处理,以此建立了基于外差双光学频率梳多波长干涉测距方法的完整理论模型。
分析及实验结果表明,该方法可实现大范围、快速、高精度距离测量,对中心15条光学频率梳梳齿所生成第8阶合成波长的干涉测距信息进行有机融合,可将距离20m处静止目标30min连续监测过程中,测相误差引入的距离测量不确定度从21.3?m减小为8?m。
双光梳绝对距离测量实验研究
双光梳绝对距离测量实验研究
武腾飞;韩继博;白毓;邢帅;张磊
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2022(42)3
【摘要】长度测量作为几何量测量关键共性基础技术之一,在科学研究、高端装备制造及空间探测等领域有着重要的应用。
双光梳绝对测距技术充分发挥了光学频率梳的时域超短脉冲和频域高分辨特性,实现了高测量速率的绝对距离测量。
目前双光梳测距存在测量范围小、测量精度低的问题,为解决此问题,提出了一种基于双光梳测距技术与相位测距技术相结合的方案,采用双光梳测距技术实现非模糊距离范围内长度的高精度测量,利用相位测距技术实现非模糊距离整数倍测量及指示功能,作为双光梳测距高精度测量的有效补充。
搭建实验系统对该方案的可行性进行验证,结果表明在0~70 m的测量范围内,测量误差小于±5μm。
【总页数】6页(P50-55)
【作者】武腾飞;韩继博;白毓;邢帅;张磊
【作者单位】航空工业北京长城计量测试技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TB96
【相关文献】
1.基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量
2.光频链接的双光梳气体吸收光谱测量
3.光学频率梳啁啾干涉实现绝对距离测量
4.基于红外双频光拍频的绝对距离测量方法研究
5.基于小波变换的双光梳高精度绝对距离测量方法
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《2024年高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》范文
《高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》篇一一、引言随着现代科学技术的不断发展，频率计量学与光子技术的结合愈发紧密。
其中，高质量的光频梳产生技术以及其应用成为了众多领域的研究热点。
光频梳作为一种具有高精度、高稳定性和高分辨率的频率源，在通信、光谱学、精密测量等领域发挥着重要作用。
本文将详细介绍高质量的光频梳产生技术及其在频率测量中的应用研究。
二、高质量光频梳的产生1. 光频梳的基本原理光频梳，又称光学频率梳或光梳，是一种具有等间隔频率的激光输出。
其基本原理是通过非线性光学效应将低频的激光信号转化为高频的激光信号，从而形成一系列等间隔的频率线。
这些频率线在频域上呈现出类似于“梳子”的形状，因此得名光频梳。
2. 产生高质量光频梳的技术(1) 非线性光学技术：利用非线性光学晶体，将输入的激光信号通过级联非线性过程进行频谱展宽，产生大量频率线，从而形成高质量的光频梳。
(2) 光学锁相技术：通过将多个光频梳线进行锁相，使它们具有相同的相位关系，从而提高光频梳的稳定性和精度。
(3) 优化设计：优化光频梳的谐振腔、激光器等关键部件的设计和参数，以提高光频梳的输出质量和稳定性。
三、光频梳在频率测量中的应用1. 光通信领域在光通信领域，光频梳作为一种高精度的频率源，被广泛应用于光纤传输中的波长/频率锁定和补偿系统。
通过将光频梳的输出作为参考信号，可以实现精确的波长/频率校准和调整，提高光纤通信系统的传输质量和效率。
2. 光谱学领域在光谱学领域，光频梳可被用于实现高分辨率的光谱分析。
利用光频梳产生的等间隔频率线作为参考信号，可以精确地测量和分析样品的吸收、发射等光谱特性，为科学研究提供有力支持。
3. 精密测量领域在精密测量领域，光频梳可用于高精度的测距和定位系统。
例如，将光频梳应用于光纤陀螺仪中，可实现高精度的角速度测量和定位功能；此外，光频梳还可用于气体成分和压力等物理量的高精度测量。
四、实验研究及结果分析本部分将详细介绍实验研究的过程及结果分析。
基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量
基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量许艳;周维虎;刘德明;丁蕾【摘要】The method of measuring absolute distance with the optical frequency comb of a femtosecond laser was proposed. A femtosecond laser was used as the light source of performing absolute distance measurement. A Michelson type interferometer structure was built. Exploiting the principle of the dispersive interference, the spectrum was analyzed. Then, the phase difference which was caused by the optical path difference of optical interference was obtained. Finally, the optical path length difference was measured. The experiment result shows that our length measurement method has high accuracy with the resolution of nanometer level. The minimum measurable distance is 9 urn, and the non-ambiguity range of length measurement' is 5.75 mm. Compared to the limited measuring range of traditional white light interferometry, the maximum distance can be extended to arbitrary length.%提出使用飞秒激光器的光学频率梳测量绝对距离的方法.将一个飞秒激光器作为绝对距离测量的光源,搭建迈克尔逊干涉结构,利用色散干涉原理进行相应的光谱分析,得到干涉光路的光学路径差引起的相位差,最终计算出干涉光路的光学路径差.实验结果表明我们的长度测量方法精确度高,分辨力达到纳米量级.最小测量距离达到9 μm,非模糊范围达到5.75 mm.相对于传统白光色散干涉技术的有限测量范围,最大测量距离可以扩展到任意长度.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2011(038)008【总页数】6页(P79-83,89)【关键词】绝对距离测量;飞秒激光器;光学频率梳;色散干涉【作者】许艳;周维虎;刘德明;丁蕾【作者单位】华中科技大学光电子科学与工程学院,武汉430074;江西理工大学应用科学学院,江西赣州341000;中国科学院光电研究院,北京100094;中国科学院光电研究院,北京100094;华中科技大学光电子科学与工程学院,武汉430074;中国科学院光电研究院,北京100094【正文语种】中文【中图分类】TB921;TN2480 引言长度(距离)是七大基本物理量之一，对于长度的精确测量在科学和技术方面都具有十分重要的意义。
光学频率梳频域干涉实现绝对测距
光学频率梳频域干涉实现绝对测距*吴翰钟1) 张福民1)† 曲兴华1）1)(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)摘 要基于光学频率梳的绝对距离测量技术在航空航天、工业生产等领域发挥着重要的作用。
本文在理论上详细研究了基于光学频率梳的频域干涉绝对距离测量技术，分析了频域干涉实现绝对距离测量的原理，进行了数值模拟，采用四种方法实现了绝对距离的测量，指出数据处理过程中，滤波窗函数对测量结果是有影响的。
比较了不同的方法之间测量结果的差异，结果表明，数据处理过程繁多会引入不同程度的测量误差，简练直接的数据处理方法引入的测量误差较小。
为了消除数据处理过程中，滤波窗函数引入的测距不确定性，采用小波变换重建光谱相位，消除了滤波窗函数引入的误差，使测距结果精确唯一。
PACS ：06.30.Bp ，06.60.Jn ，42.25.Hz ，42.62.Eh1 引 言科学家们对自然界的认识是永无止境的，那些超快的粒子运动和极微观的物理现象很早就引起了人们的研究兴趣[1]。
探究这些超快和极微观的世界，需要一种超快且极为精密的工具，光学频率梳就这样应运而生了。
跟许多具有划时代意义的发明或者技术一样，光学频率梳在概念上并不复杂。
时域内，光学频率梳是一个连续的脉冲序列，可以表示为()()()train R E t E t t mT δ=⊗-∑；频域内，光学频率梳是一连串离散的单独的纵模，可以表示为()()()train R E E h ωωδωω=⨯-∑。
科学家们更喜欢把它表示成rep ceo f mf f =+，f rep 是重复频率，f ceo 是初始频率偏移，这就是光学频率梳的两个参数，将这两个参数锁定到一个精确的外部频率源，光学频率梳就成为了一个方便的计量工具。
就这样，光学频率梳实现了微波频标跟光学频标的完美连接[2-8]。
光学频率梳的出现给精密计量领域带来了革命性的改变，人们利用光学频率梳实现了气体密度[9]、物体表面形貌[10]、空气折射率[11]、频率[12]、以及距离[13]等的绝对测量，测量的精度或者分辨率都达到了前所未有的水平。
一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法
一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法*赵显宇 曲兴华 陈嘉伟 郑继辉 王金栋 张福民†(天津大学, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072)(2020 年1 月12日收到; 2020 年2 月16日收到修改稿)提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法. 理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理, 并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素. 在实验中, 使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带, 并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展, 得到重复频率为10 GHz, 光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源, 可以实现无“死区”的绝对距离测量. 另外, 使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理, 可以修正系统误差, 提升测距精度. 实验结果表明, 在1 m的测量范围内, 使用该装置可以在任意位置达到 ± 15 µm以内的绝对测距精度.关键词：光学频率梳, 电光调制, 光谱干涉, 绝对测距PACS：06.20.–f, 06.30.Bp, 42.25.Hz DOI: 10.7498/aps.69.202000811 引 言近年来, 高端装备制造的发展, 比如卫星编队飞行、大飞机、大型科研装置的制造与加工安装,对高精度的大尺寸测量提出了需求. 另一方面, 在超快激光和光学频率梳(optical frequency comb,以下简称“光频梳”)发明之后, 科学家们也一直在探究他们的应用. 自从2000年Minoshima和Matsumoto发明了一种基于超快激光纵模自拍频的相位法测距技术之后[1], 20年来, 科学家对基于超快激光和光频梳的绝对测距技术进行了广泛的研究, 陆续提出了几种测距方法. 具体可以分为基于时域脉冲的测距方法和基于频域特征的测距方法两大类. 其中扫描位移台干涉、调节腔长干涉和双光梳异步光学采样是三种主要的基于时域脉冲的测距手段[2−7], 他们依靠脉冲在空间上的相遇会产生互相关干涉条纹, 通过解算互相关条纹就可以判断脉冲的位置, 进而解算出待测距离; 而频域法又可以分为多波长干涉法和光谱干涉法两类, 多波长干涉法是通过光频梳不同纵模之间的波长差组建合成波长, 检测合成波长的相位变化来求解被测距离, 最典型的是纵模自拍频合成波长法[1]和多外差合成波长法[8−10]. 光谱干涉法又被称为色散干涉法[11−16], 光频梳中不同的纵模代表不同波长的激光信号, 这些信号在经过相同的测量臂后一起与参考臂的信号相干涉, 不同波长的光干涉时的相位不同, 导致干涉后的条纹亮度就不同, 将干涉后的光频梳放在光谱仪上观察, 会看到光频梳光谱中出现一个类似正弦调制的包络, 这个包络的频率正与被测距离相关, 解算出包络的频率, 就可以推算出待测距离. 光谱干涉测距方法相对于扫描位移台干* 国家重点研发计划(批准号: 2018YFB2003501, 2018YFF0212702)、国家自然科学基金(批准号: 51675380, 51775379)和天津市重点研发计划科技支撑重点项目(批准号: 18YFZCGX00920)资助的课题.† 通信作者. E-mail: zhangfumin@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 涉、调节腔长干涉这两种时域干涉方法, 结构中不需要可动部件, 可靠性好; 相对于双光梳异步光学采样法和多外差方法, 系统仅需一台光频梳, 而且测量装置简单, 测量结果直观、易解算. 所以近些年来光谱干涉测距方法得到很多科学家们的重视. 2006年, Joo与Kim[12]提出通过光谱频域干涉实现绝对测距的方案, 并在0.89 m测量范围内取得了约1.46 mm非模糊范围和约7 nm的分辨力. 2015年, van den Berg等[13]使用虚拟成像相控阵高分辨力光谱仪解析出1 GHz钛宝石激光器的每个梳齿, 并在实验中结合了光谱干涉测量法、白光干涉测量法和多波长干涉测量法, 在50 m的测量范围内达到了10–8量级的相对测距不确定度. 随后, 中国科学院周维虎团队[14,15]基于飞秒激光光谱干涉技术研制出了飞秒激光跟踪仪, 实现了微米级的三维坐标测量. 2017年Lesundak等[16]使用法布里-珀罗腔将一个1 GHz重复频率的光频梳滤波为56 GHz重复频率的光频梳, 在减少了测距非模糊范围的同时也消除了测距“死区”, 并于实验中得到了50 m范围内与参考干涉仪相比0.5 µm的测距一致性. 这些研究验证了光谱干涉技术的测距能力, 并证明了该方法可以投入工业应用的潜力.现在的光学频率梳一般是通过将超快激光器锁定住重复频率和偏移频率来产生的. 而超快激光器又主要有固体激光器、可饱和吸收体锁模激光器和光纤锁模激光器等几种类型, 他们都是根据锁模原理直接生成脉宽极窄的激光脉冲, 对应的光谱宽度也能达到数十乃至数百纳米以上的半高全宽. 这些锁模机制的超快激光器经过长时间的研究其稳定性也有很大提高. 不过基于锁模激光器的光频梳的稳定性还有待发展, 其目前所采用的一些主流的频率锁定机构在应对一些环境变化或者振动等条件下有可能会失去其锁频状态, 剧烈的变化还有可能导致模式“失锁”, 在工业现场的大规模应用还存在挑战. 然而, 基于电光调制的光学频率梳生成技术在近些年得到比较快的发展, 电光调制光频梳因生成机理不同, 不存在锁模激光器所有的“失锁”状态, 且其重复频率易于锁定和溯源, 有望解决光频梳运行稳定性的问题. 1993年, Kourogi等[17]开始尝试使用铌酸锂(LiNbO3)相位调制器在一个输出波长为1.5 µm的半导体激光器周围调制出多根梳齿, 得到了类似光频梳的基本频域特征, 随后, 基于强度调制器和基于相位调制器的光频梳生成技术被陆续提出并得到广泛的研究[18−22]. 科学家们还发现, 通过将调制器级联可以生成更多的梳齿和更宽的光谱, 并且光谱平坦度可以通过不同形式调制器组合的方式得到优化[23], 这使得电光调制光频梳在精密光谱学等领域得到很高的重视. 2013年, Wu等[24]发现可以通过单模光纤将电光调制光频梳的时域脉冲压缩到ps量级, 压缩后的光频梳脉冲经过高非线性光纤可以完成超连续谱的生成. 2014年, Yang等[25]开始将电光调制光梳应用到测距中, 使用双电光调制光频梳通过合成波长测距法在10 m范围内得到15 µm的测距精度. 2018年, 本课题组提出三电光调制光频梳绝对测距方案, 使用粗精结合的外差合成波长测距方案将测距系统的非模糊范围提升到百米以上, 同时绝对测距精度保持在1 µm以内[10]. 电光调制光频梳生成简单、易维护, 不存在传统锁模激光器的“失锁”情况, 可长时间运行. 但如果使用上述基于双光频梳或三光频梳的测距方法就会失去成本优势, 且数据处理过程比较复杂. 如果能将电光调制光频梳与光谱干涉测距方法结合起来, 将会极大提高整套系统的运行稳定性, 并有效降低成本, 是非常值得研究的课题.本文提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法, 使用三组级联的相位调制器对一个单频连续波激光器进行光谱调制得到光学频率梳, 并通过单模光纤和高非线性光纤对生成的光频梳进行光谱展宽, 得到重复频率为10 GHz, 光谱全宽约30 nm的电光调制光学频率梳. 将该光频梳作为光源引入到光谱干涉测距系统中, 在光谱仪上采集干涉信号, 并使用等频率间隔重采样和脉冲二次方程拟合等算法对测距结果进行处理, 在绝对测距验证实验中得到了优于 ± 15 µm的测距不确定度.2 电光调制光频梳生成及光谱扩展理论分析一束单频连续波激光通过电光晶体, 如果在晶体两端加载电学信号, 根据克尔效应, 输出的激光就会被调制上相关的微波信号, 在光谱上的表现就是激光的中心频率周围会出现等频率间隔分布的边带信号, 而这个频率间隔就等于所加载的电学信号的频率. 巧合的是, 光学频率梳的光谱模型也是一系列等频率间隔分布的纵模梳齿, 所以可以使用电光调制技术来生成光学频率梳. 电光调制光频梳的生成原理如图1所示.单频连续波激光可以被表示为E 0ω0其中 表示光在时域中的强度, 表示光的频率.当其经过第一个相位调制器后, 其激光电场变为χ1ωm ∆ϕ1其中 为相位调制器的调制系数, 和信号源供给电压与调制器的半波电压之比相关; 为调制信号的角频率; 是信号源的相位, 这个相位可以通过图中所示的移相器改变. 将(2)式根据贝塞尔级数进行展开, 得其中a 表示贝塞尔级数的阶数, 同时也是电光调制光频梳梳齿的阶数. 将(1)式代入, 并进一步整理为傅里叶级数的形式, 得再对其进行傅里叶变换, 每阶梳齿的功率就可以表示为可以看出, 每阶梳齿的功率与调制系数和调制信号的相位有关, 如果调整输入信号的电压或者调节移相器, 可以改变各阶信号的功率. 但是根据贝塞尔函数的性质, 阶数越高, 梳齿的强度值越弱, 所以经过单个相位调制器生成的梳齿数量是有限的. 如果要增加生成的梳齿数量, 可以通过级联多个电光调制器. 种子光源经过3个级联的相位调制器后,输出的光信号在频域上可以表示为χ2χ3∆ϕ2∆ϕ3其中b 和c 代表光频梳梳齿的阶数, 和 分别表示第二和第三个电光调制器的调制系数, 和分别表示输入到第二和第三个电光调制器的微波信号的相位. 可以看到, 级联多个电光调制器后, 光谱形状的调节自由度更高, 可以通过分别调配输入到每个电光调制器上的微波信号的功率和相位, 来使高阶的梳齿也具有相对较高的功率, 进而使得光谱顶部更加平坦.经过多个相位调制器的级联, 具有多根梳齿的光频梳生成了, 但经电光调制器调制出的边带(梳齿)数量毕竟有限, 致使此时光频梳光谱宽度比较窄, 不利于光谱干涉测距方法的应用, 所以需要对输出的电光调制光频梳光谱进行扩展. 光谱扩展的第一步是进行色散补偿, 实验证明, 电光调制器与单模光纤的色散系数是相反的[24], 所以可以将电光调制光频梳的输出信号接入单模光纤进行色散补偿.色散补偿后每根梳齿的线宽都将得到收缩,进而这些梳齿的峰值功率会升高, 在光纤中传播时会由于四波混频等非线性效应产生新的频率成分.但单模光纤的非线性效应比较微弱, 产生的新频率成分数量较少且功率较低. 为了有效进行光谱扩展, 就需要使用高非线性光纤, 并且在高非线性光纤之前最好先使用光功率放大器来进一步放大峰值功率. 通过使用上述非线性扩谱技术, 光频梳光谱宽度一般可被扩展数倍以上. 另外还值得注意的是, 电光调制光频梳光源内的大部分时候光都不是脉冲形式. 在光源的前半段, 光的时域形式只是有着多个频率成分的连续波激光, 只在扩谱模块的光纤内最后一部分才可能产生脉冲.控制器图 1 电光调制光频梳生成示意图 (PS: 移相器)Fig. 1. Schematic setup of the electro-optic (EO) comb generation (PS, phase shifter).3 光频梳光谱干涉理论分析3.1 光谱干涉测距原理E (t )E ref (t )=αE (t )E meas (t )=βE (t −τ)αβτ据前文所述, 光谱干涉现象产生的物理原因是光谱内的各阶频率成分的光进入干涉仪发生干涉,不同频率的光在相同距离下相位变化不一样, 干涉后的强度也不一样, 组合起来就有了光谱干涉条纹. 光谱干涉测距装置使用迈克耳孙干涉仪, 光频梳 被分为参考臂 和测量臂两部分, 其中 和 分别表示参考臂和测量臂的分光比, 表示光在测量臂往返运行的时间. 在这个时间内, 光的相位变化为νω其中 和 分别代表光的频率和角频率. 通过傅里叶变换, 在频域内, 参考光和测量光可以分别表示为及将参考臂和测量臂合束后送入光谱仪内, 两路光会在光谱仪的传感器上发生干涉, 干涉信号可以表示为(α2+β2)E 2(ω)2αβE 2(ω)cos (τω)τ从(10)式可以看到, 干涉后的信号包含一个强度为 的直流分量和信号表达式为的交流分量. 直流分量的强度是固定的, 且不带有距离信息, 可以不去解算. 而交流信号被信号光的运行时间 调制了. 对(10)式做傅里叶变换, 可将光谱干涉信号转换到伪时域中, 得±ττ在伪时域中,的位置会各出现一个脉冲, 解算出脉冲峰值点对应的横坐标, 就可求出光在测量臂的传输时间 .在传统的激光测距系统中, 解算出激光传播时间后将其乘以传输介质里的光速就可以直接得出待测距离. 但光频梳的重复频率一般较高, 所以测距时还需考虑“非模糊范围”的问题. 因为光频梳在时域上是等间隔的脉冲周期, 相邻脉冲之间的空间距离为n g f rep L pp f rep f rep f rep /2其中c 表示真空中的光速, 为光传播介质(此时指的是空气)的群折射率, 为光频梳的重复频率. 如果脉冲在空间中传播的距离大于, 就意味着这个脉冲进入到了下一个周期中, 这会导致测距结果出现歧义. 另一方面, 在频域的包络信号解调时, 因为光频梳的光谱是由一根根离散分布间隔为 的梳齿组成的, 所以无论光谱仪对光谱的采样率有多高, 光频梳对光谱包络信号的采样率只有. 根据奈奎斯特采样定律, 超出 的调制频率就无法解调出来, 所以解调出来的测量光传输时间L pp /2L pp /2L pp /2即最多解调出光在 内往返的时间, 如果待测距离超过 , 就需要预先知道被测距离是在几个 内, 待测距离可以表示为其中k 为自然数, 代表已知的周期数.3.2 光谱干涉测距非模糊范围及精度理论分析L pp f rep [−1/2f rep ,1/2f rep ]在上一节提到, 光谱干涉测距的非模糊范围与光频梳相邻脉冲的间距( )有关, 同时也与光谱仪的采样率密切相关. 如上一节所述, 光频梳的梳齿对光谱干涉调制包络的采样率就等于光频梳的重复频率, 即 . 依据傅里叶变换性质, 将包络信息转换成伪时域后时间范围为 ,最大可测的无歧义距离为L pp /4从另一个角度分析, 解调出的距离是测量脉冲和离他最近的参考脉冲的光程差, 所以在测量脉冲位于相邻参考脉冲的正中间的时, 可以得到最大可测量值, 即 . 当脉冲远离这个位置后, 实测的距离值开始下降, 显示如图2中纵坐标所示.f s f s >f rep 上述分析是建立在光谱仪分辨力足够高, 以至于能采集到光频梳的每根梳齿的基础上. 事实上,常规的商用光谱仪波长分辨力为十皮米量级, 而常见的超快激光器主要工作在中近红外波段, 他们的重频一般在数十兆赫兹至数百兆赫兹量级, 在这个分辨力下很难采到光频梳的梳齿. 在此情况下, 限制非模糊范围的因素就是光谱仪的频率分辨力(也是光谱仪的最高频率采样率). 假设光谱仪可分辨的最小频率间隔为 , 且 , 此时由光谱仪分辨力决定的最大可测的无歧义距离为L NAR-OSA <L pp /4L NAR-OSA f s ⩽f rep L pp /4L ′NAR-OSA L pp /4f s >f rep L NAR-OSA f s ⩽f rep L pp /4此时 , 非模糊范围就是 ,那么图2中所示红色部分的距离信息就测不出来了, 也就是说在这种情况下存在测距“死区”. 但如果光谱仪频率分辨力足够高, , 那么由光谱仪频率分辨力决定的理论测距结果不低于 ,如图中 , 那么非模糊范围仍然是 , 此时理论上就不存在测距“死区”. 总结来说, 当时, 非模糊范围为 , 存在测距“死区”; 而当 时, 非模糊范围为 , 不存在测距“死区”.根据傅里叶变换的性质, 变换后横坐标的分辨力(即时间分辨力)等于采样率与采样点数的商,可以表述为t s N s 其中 表示采样率, 表示采样点数. 在光谱宽度一定的情况下, 采样率和采样点数的商也是定值.假设光频梳的中心波长为1550 nm, 光谱仪的波长采样率为x nm, 暂不考虑介质折射率, 那么在光频梳中心频率周围光谱仪的频率采样率为又因为光谱仪的采样率要远小于光频梳的中心频率, 则有此时, 光谱仪的时间采样率为再假设光频梳的光谱宽度为M nm, 那么采样点数则时间分辨力为那么距离分辨力为从(23)式可以看出, 在当前的光谱干涉距离解算方法中, 光频梳的光谱宽度是测距分辨力的惟一影响因素. 不过, 分辨力实际上影响的是傅里叶变换后伪时域里采样点的间隔, 如果系统分辨力低, 则意味着伪时域中脉冲上采样点稀少. 如果只取脉冲最高位置附近采样点作为测量结果必然会造成明显的测距误差. 但如果先对脉冲做一个波形拟合再取拟合后的顶点, 那么测量精度就有机会得到明显改善.f 15f 14f 1除了分辨力之外, 光谱干涉的测距精度还要受光谱仪采样方式的影响, 光谱仪的采样是按照等波长间隔采样的, 而我们使用的傅里叶变换等数据处理算法是根据等频率间隔采样来计算的. 光的波长与频率并不是线性的, 所以如果直接对光谱仪采样结果做傅里叶变换分析就会引入采样误差. 为了解决这个问题, 我们课题组提出过一种对光谱仪采样结果进行等频率间隔重采样的方法[26]. 图3表述了光谱仪采样及等频率间隔重采样的过程. 在光谱仪等波长间隔重采样的情况下, 采集到的光谱干涉条纹不是恒定周期的信号, 如图3(a)所示; 直接将图3(a)的横坐标换算成频率的话, 换算出的频率值 , , ···, 不是等间隔排列的, 如图3(b)所示. 需要注意的是, 波长和频率是负相关的, 所以图3(b)中的波形和图3(a)是镜像对称的; 接着将横坐标进行线性排列, 干涉条纹的波形就变成了标准的正弦形式, 如图3(c)所示; 最后对图3(c)里的正弦波形进行等频率间隔重采样, 如图3(d)所示. 此时, 对重新采集到的信号数列做傅里叶变换处理, 就可以得到不失真的测距结果.pp NAR - NAR -待测距离图 2 光谱干涉测距非模糊范围理论示意图Fig. 2. Schematic diagram of the non-ambiguous range of spectral interference ranging.f s 根据前文针对光谱干涉测距方法的非模糊范围和测距精度问题做的理论分析, 对应到现有的商用光谱仪来讨论, 常用的光谱仪其波长采样率最高在皮米或数十皮米量级, 那么在1550 nm 波长附近对应频率采样率 在108—109 Hz 量级. 如果需要光谱干涉装置工作在无“死区”状态下, 使用的光频梳的重复频率至少要高于108—109 Hz 量级. 考虑到在工程实际中, 采样率一般要求达到被测信号频率的5倍以上, 则实际使用光频梳的重复频率就需要达到109 Hz 乃至1010 Hz 量级, 才可进行无“死区”测距. 对应到现有的基于锁模激光器的商用光频梳来说, 光纤锁模激光器的腔体内需要一段增益光纤, 其重复频率最高只能达到108 Hz 量级; 而固体激光器可以使用短腔长将重复频率升至GHz 量级, 但现阶段制作高重频的固态激光器价格较高, 市场上大多数商用锁模激光器的重复频率还都在107—108 Hz 量级. 然而, 使用电光调制光频梳就没有这个问题. 受益于电子工业的发展, 电光器件的输入电信号大多可以在kHz 到GHz 量级任意调制, 很多商用电光调制器的最高工作频率能达到10 GHz 以上, 以这些电光调制器为基础制作的光学频率梳就可以具有足够高的重复频率来实现无“死区”的光谱干涉测距.另外, 根据前文的分析, 光谱宽度决定了光谱干涉测距的分辨力, 越宽的光谱就会有越高的分辨力. 电光调制光频梳的宽度是由级联调制器的个数、电光调制器的输入功率与非线性扩谱的结果来共同决定的. 虽然决定因素较多, 但总体来说, 电光调制光频梳的光谱宽度与光频梳制作的成本是正相关的. 然而, 即使刚开始通过傅里叶计算得到的系统分辨力不高, 我们仍有机会通过脉冲波形拟合等办法来提高测距精度[26]. 所以在具体的实验设计中需要平衡考虑成本与精度, 以设计出更符合应用需要的测距仪器.4 光谱干涉测距实验装置及结果4.1 光谱干涉测距实验光谱干涉测距装置见图4, 其包括光源部分和测距部分两大模块. 光源部分的核心是三只级联的电光相位调制器(EOspace PM-5SE-10-SRF2W),电光调制器将种子光源(RIO ORION, 中心波长1543.7 nm, 输出功率7 mW)调制出多个边带, 形成光学频率梳. 电光调制器的调制电压由一个定制的微波信号源(湖南全波段 MW1956H, 10 GHz 输出频率)经移相器(北京谷波 GDL22-T50)输入, 通过调整移相器的输出相位或者改变信号源的输出功率来改变输出光频梳梳齿的数量和梳齿的功率分布. 为了保证光频梳重复频率的稳定性, 定制的信号源直接以铷原子钟(SRS FS725)的输出信号作为频率基准源, 以实现光频梳重复频率对原子钟频率的溯源.强度1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15波长强度15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1频率频率强度1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1频率图 3 等频率间隔重采样处理示意图 (a)光谱仪等波长间隔采样得到的信号; (b)对横坐标进行波长-频率变换后的信号; (c)对横坐标进行线性坐标转换后的信号; (d)对转换后的信号进行等频率间隔重采样的结果Fig. 3. Schematic diagram of equal frequency interval resampling: (a) Signal obtained by spectrometer with equal wavelength inter-val sampling; (b) the signal after wavelength-frequency transformed; (c) the signal after linear coordinate transformation on the ab-scissa; (d) the signal after equal frequency interval resampling.种子源经过级联的电光调制器后输出的信号如图5(a)所示, 此时, 超过40根功率较高且相对平坦的梳齿被调制出来. 输出的光频梳以种子光源的频率(1543.7 nm)为中心频率, 以微波调制频率(10 GHz)为重复频率对称分布, 高功率梳齿所在的光谱宽度约为4 nm. 接下来, 对初步生成的光频梳进行光谱扩展, 使用的单模光纤(Corning G.652)长度为2.4 km, 该型光纤在1550 nm 波长附近的色散系数约为18 (ps/nm)·km. 单模光纤输出的光先进入掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier, EDFA, 上海瀚宇 MARS), EDFA 将总功率提升到840 mW 再进入到高非线性光纤.实验中使用的高非线性光纤(OFS HNLF Zero-Slope)长为850 m, 非线性系数约为10.8 W –1·km –1,扩谱后的光谱全宽接近30 nm, 如图5(b)所示. 实验中发现, 光谱宽度与高非线性光纤的长度直接相关, 更长的光纤可以获得更宽的光谱, 但也要EDFA 有足够的输出功率来支撑. 可以看到, 扩展后的光谱呈现中间高, 两边低的形态, 尤其是初始光谱所在的波段功率特别高, 相比扩谱产生的新频率成分的功率高出10 dB 以上, 换算成线性坐标就是将近10倍, 这将严重影响光谱包络信号的识别与提取. 为了使输出光谱相对平坦, 定制了一个基于啁啾光纤光栅的带阻滤波器, 其阻带中心频率为1543 nm, 在4.8 nm 的带宽内光反射率达到了92.5%, 其余波长几乎无衰减, 经过带阻滤波器后的光频梳光谱如图5(c)所示. 但因为主要功率都集中在滤波器的阻带上, 经滤波器后的输出光功率将明显衰减. 另外可以看到, 经过高非线性光纤的光谱长波部分比短波部分的基底功率要高. 在图5(c)中没有采集到的长波方向, 与主光谱间隔约100 nm 的波段也有一些频率成分, 但功率相对较低. 所以光源内或许存在一些受激拉曼散射效应, 但该效应不影响测距, 且拉曼效应的光谱不与主光谱连接, 不方便处理干涉条纹, 所以本系统不对其进行采集.理论上说, 电光效应和非线性效应都会受光的偏振态和相位的影响, 所以光源内的偏振扰动和相位变化会对光谱的稳定性尤其是光谱的宽度产生影响. 在级联电光调制器部分, 在种子光源和电光调制器之间加了偏振控制器, 电光调制器之间使用保偏光纤连接, 并在每个电光调制器和信号源之间都加了移相器, 这样可以方便偏振态和相位的调控和维护. 在光谱扩展部分, 由于使用了很长的单模光纤, 偏振扰动不可避免, 不过我们使用的EDFA 有自动功率控制的功能, 使其可以满足无论输入光功率和偏振态有何变化, 它都能输出固定功率, 而且输出光的偏振态也基本是固定的.所以在这一部件上完成了对偏振变化的“免疫”, 所以没有在这部分使用偏振控制器. 然而, 调节相位调制器前端的移相器仍然能改变进入到高非线性光纤的光的相位, 这样可以通过调节移相器来完成相位匹配, 以达到更好的非线性扩谱效果.BS1铷钟靶镜目标导轨图 4 电光调制光频梳光谱干涉测距结构图(BS, 分光棱镜; EDFA, 掺铒光纤放大器)Fig. 4. Experimental setup of EO comb dispersion interferometry (BS, beam splitter; EDFA, erbium doped fiber amplifier).。
《2024年高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》范文
《高质量的光频梳产生及其在频率测量中的应用研究》篇一一、引言光频梳（Optical Frequency Comb，OFC）作为一种重要的光学技术，在近年来得到了广泛的研究和应用。
其产生的高质量光频梳在频率测量、光谱分析、光学通信等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在探讨高质量光频梳的产生原理及其在频率测量中的应用研究。
二、光频梳的产生原理光频梳的产生主要依赖于激光器及非线性光学效应。
激光器产生的高质量激光经过非线性介质，如晶体、光纤等，发生非线性效应，从而产生一系列等间隔的光频梳齿。
这些梳齿的频率间隔与激光器的重复频率有关，通过控制激光器的重复频率可以调整光频梳的间隔。
此外，利用特殊设计的光学滤波器和延迟干涉等技术可以进一步优化光频梳的谱形，使其更具有高分辨率和高质量的特性。
三、高质量光频梳的产生方法高质量的光频梳产生需要精确控制激光器的参数和选择合适的非线性介质。
常用的方法包括基于光纤技术的光频梳产生方法和基于微腔或光子晶体技术的光频梳产生方法。
其中，光纤技术因其高稳定性、高重复频率和易于集成等特点，在光频梳产生中得到了广泛应用。
而微腔或光子晶体技术则因其具有更高的非线性效应和更小的体积，在实现高精度的频率测量和光谱分析等方面具有潜在优势。
四、光频梳在频率测量中的应用光频梳在频率测量中具有广泛的应用。
首先，它可以作为高精度的频率源，为各种光学仪器提供准确的频率参考。
其次，利用光频梳的等间隔特性，可以实现高精度的光学信号处理和传输。
此外，通过将光频梳与微波技术相结合，可以实现微波与光学信号的相互转换，从而提高信号处理和测量的精度。
同时，随着光纤技术的快速发展，光频梳技术在远距离光纤通信、超短脉冲产生、卫星导航等领域也得到了广泛的应用。
五、研究进展与展望目前，光频梳的生成技术已经取得了重要的突破和进展，如采用微腔和光子晶体技术提高光频梳的质量和精度，实现高速的光谱分析等应用。
同时，在光频梳在频率测量领域的应用中，越来越多的研究成果证明了其在实现高精度和高效率测量中的巨大潜力。
双光梳飞行时间绝对距离测量原理
哎呀，这标题听起来就挺高大上的，双光梳飞行时间绝对距离测量原理，这玩意儿听起来就像是科学家们在实验室里捣鼓出来的高级玩意儿。
不过别担心，我尽量用大白话给你讲讲这到底是个啥。
首先，咱们得聊聊啥是光梳。
光梳，顾名思义，就是光的梳子。
不过这梳子不是用来梳头的，而是用来梳光的。
想象一下，一束光，被分成了很多很多细细的光束，就像梳子上的齿一样，这就是光梳。
这种光梳的光束间隔非常均匀，可以用来测量时间或者距离，就像用尺子量东西一样。
现在，咱们说说双光梳。
双光梳就是两把光梳，一把梳子的光束间隔是固定的，另一把梳子的光束间隔是变化的。
这两把梳子一起工作，就能测量出非常精确的距离。
接下来，咱们聊聊飞行时间。
飞行时间，就是光从一个地方飞到另一个地方需要的时间。
这个原理其实挺简单的，就像你扔个石头，看它飞出去多久才落地一样。
只不过在这里，我们扔的是光，而不是石头。
那么，双光梳飞行时间绝对距离测量原理到底是怎么工作的呢？想象一下，你有两个手电筒，一个手电筒发出的是固定间隔的光束，另一个手电筒发出的是变化间隔的光束。
你用这两个手电筒同时照向一个目标，比如远处的一座山。
当光束打到山上，就会反射回来。
你用一个超级灵敏的探测器，去捕捉这些反射回来的光束。
因为光束的间隔是固定的，所以你可以通过计算光束来回的时间，来计算出光束飞行的距离。
但是，这里有个问题。
光束在飞行过程中，可能会受到大气的影响，比如空气的折射率变化，这会影响光束的飞行时间。
这时候，双光梳的优势就体现出来了。
因为另一把光梳的光束间隔是变化的，所以可以通过比较两把光梳的光束，来消除大气的影响，得到更准确的距离测量结果。
举个例子，假设你用双光梳测量一座山的距离。
你发现，固定间隔的光梳测量出的距离是100米，而变化间隔的光梳测量出的距离是98米。
这说明，光束在飞行过程中，受到了大气的影响，导致距离测量结果偏大。
通过比较两把光梳的测量结果，你就可以消除这种影响，得到更准确的距离测量结果。
基于双波长频率梳的绝对测距系统研究
基于双波长频率梳的绝对测距系统研究
赫明钊;林百科;李建双
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2017(0)S1
【摘要】研制了一套基于双波长飞秒频率梳的绝对测距系统,该系统利用单壁碳纳米管作为可饱和吸收器调节腔内损耗,同时产生重复频率稍有差异并具有高度互相关性的两个不同波长的激光脉冲。
利用搭建的异步光学采样原理的双频率梳测距系统进行了测距实验,并与室内80 m长度标准装置进行了比较。
结果表明:在采样时间为1 s的情况下,测距系统不确定度为6μm+1×10^(-7)L (k=2)。
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】计量学;绝对距离测量;飞秒频率梳;异步光学采样;测量不确定度
【作者】赫明钊;林百科;李建双
【作者单位】中国计量科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TH74
【相关文献】
1.飞秒激光频率梳绝对测距技术综述 [J], 华卿;周维虎;许艳
2.一种光学频率梳绝对测距的新方法∗ [J], 吴翰钟;曹士英;张福民;邢书剑;曲兴华
3.一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距新方法的理论分析 [J], 王国超;颜树华†;杨俊;林存宝;杨东兴;邹鹏飞
4.一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法 [J], 赵显宇; 曲兴华; 陈嘉伟; 郑继辉; 王金栋; 张福民
5.基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析[J], 王国超;李星辉;颜树华;谭立龙;管文良
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光学频率梳的绝对距离测量研究
光学频率梳的出现和飞速发展给超精密计量领域带来了革命性的进步。
大尺寸高精度的绝对距离测量在基础科学研究和工程实际应用中都发挥着重要的作用。
1983年,国际计量大会定义长度单位米为光在真空中行进1/299792458秒的距离,实现了长度（米）和时间（秒）的高度统一。
光学频率梳作为一种新型的光源,可直接连接长度和时间,于是,光学频率梳的绝对距离测量很快成为了国际国内的研究热门。
本论文研究了光学频率梳的绝对距离测量,在几十米大范围内实现了高精度的绝对距离测量,满足大尺寸高精度的绝对距离测量需求。
研究了强度探测的绝对距离测量方法,分析了脉冲互相关原理,建立了基于高斯脉冲、
Sech<sup>2</sup>脉冲和洛仑兹脉冲的脉冲互相关模型,通过两个脉冲的干涉强度实现绝对距离测量。
在25m范围内,与参考干涉仪比对的结果表明,测量不确定度优于1.5μm。
分析了色散干涉的原理,基于色散干涉条纹的调制频率实现绝对距离测量,但是采用低分辨率的光谱分析仪无法实现任意测距。
为了克服这一局限性,采用一段长的延迟光纤作为参考臂,通过改变光学频率梳的重复频率,可以实现任意测距。
实验结果表明,在75m范围内,测量不确定度优于25μm。
进行了测量不确定度的最优化分析,以最优化系统的参数配置。
通过调节重复频率进行光学采样,实现绝对距离测量。
采用一段长的延迟光纤作为参考臂,通过扫描重复频率,获得脉冲干涉条纹。
采用希尔伯特变换测量干涉条纹的峰值位置,实现绝对距离测量。
实验结果表明,在60m范围内,测量不确定度优于3μm。
在自由空间中,通过扫描重复频率,获得了脉冲干涉条纹。
采用傅立叶变换测量干涉条纹携带的距离信息。
实验结果表明,在75m范围内,测量不确定度优于4μm。
进行了多目标测量场合下的实验,测量了玻璃厚度和折射率。
实验结果表明,通过扫描重复频率光学采样的方法可以高精度的测量玻璃厚度和折射率。
提出了光学频率梳与单频激光多外差干涉的绝对距离测量方法。
分析了光频梳与单频激光多外差干涉的原理,通过拍频信号的相位实现绝对距离测量。
为了改善拍频信号的稳定性,采用Pound-Drever-Hall锁定原理,将单频激光锁定至
光学参考腔。
实验结果表明,在50m范围内,测量不确定度优于3μm。
在空气中的精密测量里,空气折射率的测量和修正一直是测量领域的研究热门,进行了双波长的色散干涉折射率自修正实验。
在12小时长时间实验中,大气折射率修正的不确定度达到了3.3?10<sup>-8</sup>。
在12 m范围内,基于双波长的色散干涉,进行了绝对距离测量实验。
实验结果表明,测量不确定度优于3μm。
经过双波长的大气折射率修正后,测量标准差得到了显著的改善。