飞秒激光频率梳精密测距技术综述.pdf

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1、第３８卷第８期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ８２０１７年８月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＡｕｇ．２０１７飞秒激光频率梳精密测距技术综述１，２１１１１周维虎，石俊凯，纪荣，黎尧，刘娅（１．中国科学院光电研究院激光测量技术研究室北京１０００９４；２．中国科学院大学北京１０００４９）摘要：高精度绝对距离测量在科技发展中具有重要的作用，传统的测量方法已无法满足日益提高的测量要求。光学频率梳是重频和相位完全锁定的锁模脉冲激光，具有很高的空间、时间和频率分辨率。基于光频梳的测距技术由于在大尺寸

2、计量及未来空间任务中的应用潜力引起了极大关注。介绍了光频梳测距技术的发展与现状，重点介绍了５种测量原理，包括合成波长干涉法、多波长干涉法、色散干涉法、双光梳干涉法和飞行时间法。关键词：飞秒激光频率梳；激光测距；合成波长干涉；多波长干涉；色散干涉中图分类号：ＴＨ７４１．１文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４１０．５５Ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｂ１，２１１１１ＺｈｏｕＷｅｉｈｕ，ＳｈｉＪｕｎｋａｉ，ＪｉＲｏｎｇｙｉ，ＬｉＹａｏ

3、，ＬｉｕＹａ（１．ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＬａｓｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｂｓｏｌｕｔｅｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓ

4、ｃｉｅｎｃｅｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｇｒａｄｕａｌｌｙｕｎａｂｌｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｂｉｓｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄｐｕｌｓｅｌａｓｅｒｗｉｔｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｐｈａｓｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｗｈｉｃｈｈａｓｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｏｒａｌ，ｓｐａｔｉａｌ，ａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｕｓ，ｃｏｍｂｂａｓｅｄｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｈａｓａｔｔｒａ

5、ｃｔｅｄｌｏｔｓｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｄｕｅｔｏｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｌａｒｇｅｓｃａｌｅｍｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄｓａｔｅｌｌｉｔｅｆｌｙｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｓｔａｔｕｓｏｆｃｏｍｂｂａｓｅｄｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｆｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅ

6、ｔｒｙ，ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，ｄｕａｌｃｏｍｂｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，ａｎｄｔｉｍｅｏｆｆｌｉｇｈｔｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｂ；ｌａｓｅｒｒａｎｇｉｎｇ；ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ；ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ分辨干涉成像任务的关键，要实现星间位

7、置和姿态的精０引言确控制，必须突破长距离（数十千米）、超高准确度（微纳米量级）、快速（数千赫兹）绝对测距。高端制造领域大长度是七大基本物理量之一，高精度长度测量在科型零部件外形测量、大型设备装配对接也对大尺寸高精［１６］［７１１］技发展中具有重要作用。传统的绝对测距方法度快速无导轨测距提出了迫切需求。传统测距方法已无主要有脉冲激光飞行时间法、连续激光强度调制法、连续法满足日益提高的要求。［１２１４］激光扫频法以及伪随机微波信号互相关法。近年来，诸随着光学频率梳技术的飞速发展，其光谱范围多测量应用领域对绝对测距的精度、量程和

8、测量带宽提宽、脉宽窄、重复频率稳定性高等优良的时频域特性给精出了更高的指标要求。大尺寸空间绝对距离快速测量是密光谱测量、时间频率测量和绝对距离测量提供了新的［１５］卫星编队飞行、地球观测、深空探测成像以及高端制造领技术手段。自２０００年ＭｉｎｏｓｈｉｍａＫ等人将