基於外差雙光學頻率梳的絕對距離超精密測量方法研究

《基於外差雙光學頻率梳的絕對距離超精密測量方法研究》是依託哈爾濱工業大學，由楊睿韜擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於外差雙光學頻率梳的絕對距離超精密測量方法研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊睿韜

項目摘要

隨著大型尖端科學實驗裝置與大型超精密裝備製造技術的不斷進步，雷射絕對距離測量技術得到廣泛套用。但現有雷射測距技術普遍存在難以實現nm量級超精密測量、難以兼顧測量精度與效率的問題。針對這些問題，本項目探索一種基於外差雙光學頻率梳的多波長干涉測距方法，利用單個頻率梳齒進行最高精度的距離測量，由各級合成波長進行測程擴展，深入剖析多梳齒干涉測距信息的轉移途徑，研究多個不同尺度合成波長的同步生成理論，同時進行距離粗測與精測以兼顧測量精度與效率。為防止相位測量誤差制約nm量級測距精度的實現，提出基於PDH原理的頻率梳穩頻方法以避免附加調製引入的相位測量誤差，研究基於多通道鎖相探測理論以抑制噪聲頻譜帶來的相位測量誤差，並通過多個梳齒的測距信息融合進一步抑制相位測量誤差對測距精度的作用效果。本項目將促進具有自主智慧財產權的雷射測距技術發展，對提升我國大型尖端實驗裝置與超精密裝備製造技術的水平有重要推動作用。

結題摘要

以大型飛機裝配為代表的高端製造業和以大型對撞機為代表的前沿科學實驗裝置對雷射測距技術需求迫切。光學頻率梳的出現促進了該技術的發展，但現有基於光頻梳的雷射測距方法仍存在難以兼顧測量範圍、精度與效率的問題，無法完全滿足上述領域的要求。本課題旨在提出一種可以兼顧大範圍、快速和高精度特性的多波長雷射干涉測量方法，本課題主要研究內容如下： (1)提出了一種基於外差雙光頻梳的多波長干涉測距方法，該方法以外差雙光頻梳作為光源，利用其中的眾多梳齒同步生成了多個不同尺度的粗測和精測合成波長，對光頻梳中多梳齒的干涉測距信息進行了融合處理。分析及實驗結果表明，該方法可實現大範圍、快速、高精度距離測量，可將測相誤差引入的距離測量不確定度從21.3μm減小為8μm。 (2)提出了一種基於PDH原理的腔內調相頻率梳穩定控制方法，通過探測諧振腔反射光中包含的梳齒間干涉信號，利用相位調製信號對其解調得到反饋控制誤差信號，對該方法中誤差信號的生成機理進行了完整建模。仿真及實驗結果表明，利用上述穩定控制方法可以持續穩定的生成梳齒數量達到33條，光譜範圍達到294.4GHz的光頻梳。 (3)提出了一種基於數字鎖相放大的多梳齒測距相位分離與提取方法，根據干涉信號頻譜特點，利用數字鎖相放大探測技術實現了多梳齒測距相位信息的分離與提取。仿真結果表明，利用上述多梳齒測距相位分離與提取方法對中心15條梳齒的相位測量誤差小於±0.01°。 最後，對基於外差雙光頻梳的多波長干涉測距系統進行了實驗驗證。實驗結果表明，其30min內的測量相對穩定性可達到4.1×10-7，20m距離處的測量相對不確定度達到5.3×10-7。 在項目資助下，累計發表SCI論文3篇，EI論文2篇，1篇論文獲得ISMTII2017國際會議最佳論文獎，獲授權中國發明專利1項，申請中國發明專利6項，培養碩士研究生5名，指導本科畢業設計6名。