[发明专利]飞秒激光频率梳测距装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测距装置和方法，特别涉及一种采用飞秒激光频率梳进行大尺寸高精度激光测距的测距装置和方法。

背景技术

大尺寸高精度激光测距需要解决两方面的矛盾，一是提高测量精度，二是增大量程。理论上，波长越短测量精度越高，波长越长量程越大。双频激光测距采用两个频率模式组合测量，即以一个较高频率测量和以一个较低频率测量相结合，实现几十米量程内亚毫米级测量精度。

飞秒激光频率梳采用飞秒激光器作为光源，具有宽光谱及窄脉冲的特性，时域上飞秒脉冲是一系列等间隔的脉冲序列，而频域上频率梳可以提供一系列等间隔的频率分布，即光学频率梳。飞秒激光频率梳可以产生几十万到几百万个频率模式，采用组合测量法，可以实现几百千米量程内纳米级测量精度。采用飞秒激光频率进行梳是目前大尺寸高精度激光测距的趋势所向。

现有的飞秒激光频率梳测距装置中，采用迈克尔逊干涉光路对飞秒激光频率梳的光进行干涉之后，经透镜会聚成像在光谱仪内部的线阵CCD探测单元上，由此可观察两路光线，参考光和测量光，之间的干涉图样。固定参考镜，沿测量光束的光轴移动测量镜，由于干涉图样与测量镜移动距离L相关，因而通过测量干涉图样的变化即可计算测量镜的移动距离L。

假设测距中采用钛宝石飞秒激光器，该光源的光谱范围为750-850nm，频率模式的间隔Δλ约为1.66427×10^-4nm，则有大约600864个频率模式。一般CCD线阵探测器具有3648个像素数，像素尺寸为8μm×200μm，即CCD只能识别几千种频率模式。由于飞秒激光频率梳频率模式与光电探测器的可探测的频率数量相差2个数量级，因此CCD的每个像素上将会接收到很多频率模式的干涉信号，无法使每个像素上接收到单一频率模式的干涉信号，严重影响测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞秒激光频率梳测距装置和方法，其大大减小飞秒激光频率梳的频率模式密度，使光电探测器每个像素上接收到单一频率模式的干涉信号。

根据本发明的一个方面，提供一种飞秒激光频率梳测距装置，其中包括一法布里-珀罗装置，设置在迈克尔逊干涉光路之后、光谱仪之前，所述法布里-珀罗装置对飞秒激光频率梳的光进行光学滤波，减小光学频率梳的频率模式密度，使光谱仪的CCD线阵探测器的每个像素上接收到单一频率模式的干涉信号。

其中，该法布里-珀罗装置包括一个法布里-珀罗共振腔，由两个平行的平面反射镜界定，该两个平面反射镜具有相同的反射率，其内表面上镀有适合于600-850nm波长范围的高反介质膜，外表面镀有适合于600-850nm波长范围的增透膜，两个平面反射镜之间为空气。

其中，该法布里-珀罗装置包括一隔离器，支撑于两个平面反射镜之间，该隔离器为一整体机构。

其中，该隔离器采用低膨胀系数的材料制造。

其中，该法布里-珀罗装置中，两个平面反射镜分别用一压圈、一弹簧圈固定在两个套筒上，两套筒分别通过螺钉固定在隔离器的两个端面上。

其中，所述隔离器的两个端面各设有一个弹性铰链，该两个弹性铰链彼此平行，空间夹角为90度，所述两套筒分别通过所述螺钉固定在所述两个弹性铰链上，每个弹性铰链设有用于调节两个平面反射镜平行度的螺钉和顶丝。

根据本发明的另一个方面，提供一种飞秒激光频率梳测距方法，其中，在迈克尔逊干涉光路之后、光谱仪之前设置一个法布里-珀罗装置，对飞秒激光频率梳的光进行光学滤波，减小光学频率梳的频率模式密度，使光谱仪的CCD线阵探测器的每个像素上接收到单一频率模式的干涉信号。

其中，使该法布里-珀罗装置的两个平面反射镜具有相同的反射率，在两个平面反射镜的内表面上镀上适合于600-850nm波长范围的高反介质膜，外表面镀上适合于600-850nm波长范围的增透膜。

其中，在该法布里-珀罗装置中，所述两个平面反射镜分别用一压圈、一弹簧圈固定在两个套筒上，隔离器支撑于两个平面反射镜之间，所述隔离器的两个端面各设有一个弹性铰链，该两个弹性铰链彼此平行，空间夹角为90度，所述两套筒分别通过螺钉固定在所述两个弹性铰链上，每个弹性铰链设有螺钉和顶丝，调节所述螺钉和顶丝以调节两个平面反射镜的平行度。

本发明的有益效果主要体现在：

利用法布里-珀罗装置作为光学滤波装置，实现了高滤波比，其大大减小飞秒激光频率梳的频率模式密度，使光电探测器每个像素上接收到单一频率模式的干涉信号。

两个平面反射镜上所镀的反射膜和增透膜是根据飞秒激光频率梳的光谱范围选择的，可以实现良好的滤波效果。