高速双飞秒激光测距精度的研究

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1、高速双飞秒激光测距精度的研究Precisionanalysisofrapidrangingsystembasedondualfemtosecondlasers领域：光学工程研究生：梁飞指导教师：贾威副教授宋有建副研究员企业导师：刘庆京研究员天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月摘要距离测量在人类的社会生产、生活当中一直扮演着非常重要的角色，特别是当今科学技术高速发展，工业加工、高端制造等不断向着大尺度和高精度的方向发展，传统的测距手段已很难满足当今社会发展的需要。近些年来，在绝对距离测量领

2、域开始利用超短脉冲激光作为测距光源，利用其超高的时间分辨率以及超宽的相干光谱实现对距离的快速、高精度的测量。本论文介绍了一种基于双飞秒激光绝对距离测量的手段，并且重点对影响测距系统精度的因素进行了详细的分析。本论文的主要工作内容如下：1、回顾距离测量和激光器的发展历程，对比并总结传统测距手段的优势与不足，并且查找了国内外激光测量领域的最新进展；2、进行相关理论知识的回顾与学习，介绍飞秒激光器的原理，并以非线性偏振旋转锁模为重点介绍锁模的过程；从电学等效采样出发，分析了光学等效采样的优势和实现方法；分

3、析激光器时间抖动的来源并以光学互相关为重点介绍测量激光器时间抖动的方法。3、搭建用于绝对距离测量的光纤飞秒激光源，并对其输出的各项参数进行了测量；搭建实现光学等效采样的空间光路；编写激光器重频测量的通信程序、编写用于采集和分析等效采样信号的程序。4、构建双飞秒激光绝对距离测量的物理模型，编写用于实现测距过程的仿真程序，重点对激光器时间抖动、重复频率稳定度、数据采集和处理、温度等因素对测距精度的影响进行了分析。5、根据各因素对测距结果影响的特性，从激光器设计、待测距离和采集设备等方面提出提高最终测距精

4、度的改进意见。本课题组搭建的双飞秒激光测距系统在1.5m的测量尺度上实现了3μm的测量精度，更新速率达到2000Hz；通过20次平均可以将测距精度提升到100nm，更新速率为100Hz。通过对影响测距系统因素的分析，选择合适的激光器、待测距离和数据采集设备，可以将测距精度提升到更高的水平，从而为大尺度、高精度的距离测量提供有效的解决方案。关键字：距离测量飞秒激光等效采样时间抖动精度ABSTRACTDistancemeasurementhasbeenplayingaveryimportantrolei

5、nsociallifeofhumanbeings.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,distancemeasurementpresentssomenewtrends,e.g.largerscaleandhigheraccuracy.Inrecentyears,femtosecondlaserhasbeenappliedtodistancemeasurementaslightsource,anditshowssomeoutstandingfeatures

6、.Thispaperintroducesarapidrangingsystemusingtwofemtosecondlasersbymeansofequivalentsamplingandmakesadetailedanalysisfocusedonthefactorsaffectingtheprecisionofthedistancemeasurementsystem.Themaincontentsofthispaperareasfollows:1.Reviewthehistoryandcurre

7、ntsituationofdistancemeasurementandlaser,compareandsummarizetheadvantagesanddisadvantagesofthetraditionaldistancemeasurementmethodsandpresentthelatestprogressinthefieldoflasermeasurementathomeandabroad;2.Reviewandstudyrelevanttheoreticalknowledge,sucha

8、stheprincipleoffemtosecondlaser,theprincipleofequivalentsamplingandtheconceptoftimingjitter.3.Buildseveralfiberlasersourcesforabsolutedistancemeasurementandmeasurethenecessaryparameters,setuptheopticalpathtorealizetheopticalequivalentsa