專利名稱：飛秒激光頻率梳測距裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種測距裝置和方法，特別涉及一種采用飛秒激光頻率梳進行大尺寸高精度激光測距的測距裝置和方法。
背景技術：
大尺寸高精度激光測距需要解決兩方面的矛盾，一是提高測量精度，二是增大量程。理論上，波長越短測量精度越高，波長越長量程越大。雙頻激光測距采用兩個頻率模式組合測量，即以一個較高頻率測量和以一個較低頻率測量相結合，實現幾十米量程內亞毫米級測量精度。飛秒激光頻率梳采用飛秒激光器作為光源，具有寬光譜及窄脈沖的特性，時域上飛秒脈沖是一系列等間隔的脈沖序列，而頻域上頻率梳可以提供一系列等間隔的頻率分布，即光學頻率梳。飛秒激光頻率梳可以產生幾十萬到幾百萬個頻率模式，采用組合測量法，可以實現幾百千米量程內納米級測量精度。采用飛秒激光頻率進行梳是目前大尺寸高精度激光測距的趨勢所向。現有的飛秒激光頻率梳測距裝置中，采用邁克爾遜干涉光路對飛秒激光頻率梳的光進行干涉之后，經透鏡會聚成像在光譜儀內部的線陣CXD探測單元上，由此可觀察兩路光線，參考光和測量光，之間的干涉圖樣。固定參考鏡，沿測量光束的光軸移動測量鏡，由于干涉圖樣與測量鏡移動距離L相關，因而通過測量干涉圖樣的變化即可計算測量鏡的移動距離L。假設測距中采用鈦寶石飛秒激光器，該光源的光譜范圍為750_850nm，頻率模式的間隔Λ λ約為1.66427 X 10_4nm，則有大約600864個頻率模式。一般C⑶線陣探測器具有3648個像素數，像素尺寸為8 μ mX 200 μ m,即CXD只能識別幾千種頻率模式。由于飛秒激光頻率梳頻率模式與光電探測器的可探測的頻率數量相差2個數量級，因此CCD的每個像素上將會接收到很多頻率模式的干涉信號，無法使每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號，嚴重影響測量。
發明內容
本發明的目的在于提供一種飛秒激光頻率梳測距裝置和方法，其大大減小飛秒激光頻率梳的頻率模式密度，使光電探測器每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。根據本發明的一個方面，提供一種飛秒激光頻率梳測距裝置，其中包括一法布里-珀羅裝置，設置在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前，所述法布里-珀羅裝置對飛秒激光頻率梳的光進行光學濾波，減小光學頻率梳的頻率模式密度，使光譜儀的CCD線陣探測器的每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。其中，該法布里-珀羅裝置包括一個法布里-珀羅共振腔，由兩個平行的平面反射鏡界定，該兩個平面反射鏡具有相同的反射率，其內表面上鍍有適合于600-850nm波長范圍的高反介質膜，外表面鍍有適合于600-850nm波長范圍的增透膜，兩個平面反射鏡之間為空氣。其中，該法布里-珀羅裝置包括一隔離器，支撐于兩個平面反射鏡之間，該隔離器為一整體機構。其中，該隔離器采用低膨脹系數的材料制造。其中，該法布里-珀羅裝置中，兩個平面反射鏡分別用一壓圈、一彈簧圈固定在兩個套筒上，兩套筒分別通過螺釘固定在隔離器的兩個端面上。其中，所述隔離器的兩個端面各設有一個彈性鉸鏈，該兩個彈性鉸鏈彼此平行，空間夾角為90度，所述兩套筒分別通過所述螺釘固定在所述兩個彈性鉸鏈上，每個彈性鉸鏈設有用于調節兩個平面反射鏡平行度的螺釘和頂絲。根據本發明的另一個方面，提供一種飛秒激光頻率梳測距方法，其中，在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前設置一個法布里-珀羅裝置，對飛秒激光頻率梳的光進行光學濾波，減小光學頻率梳的頻率模式密度，使光譜儀的CCD線陣探測器的每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。其中，使該法布里-珀羅裝置的兩個平面反射鏡具有相同的反射率，在兩個平面反射鏡的內表面上鍍上適合于600-850nm波長范圍的高反介質膜，外表面鍍上適合于600-850nm波長范圍的增透膜。其中，在該法布里-珀羅裝置中，所述兩個平面反射鏡分別用一壓圈、一彈簧圈固定在兩個套筒上，隔離器支撐于兩個平面反射鏡之間，所述隔離器的兩個端面各設有一個彈性鉸鏈，該兩個彈性鉸鏈彼此平行，空間夾角為90度，所述兩套筒分別通過螺釘固定在所述兩個彈性鉸鏈上，每個彈性鉸鏈設有螺釘和頂絲，調節所述螺釘和頂絲以調節兩個平面反射鏡的平行度。本發明的有益效果主要體現在:利用法布里-珀羅裝置作為光學濾波裝置，實現了高濾波比，其大大減小飛秒激光頻率梳的頻率模式密度，使光電探測器每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。兩個平面反射鏡上所鍍的反射膜和增透膜是根據飛秒激光頻率梳的光譜范圍選擇的，可以實現良好的濾波效果。其中將隔離器設計為一整體機構，可保持兩個平面反射鏡之間的間距穩定。采用了低膨脹系數的材料制作反射腔的隔離器，可以有效減小溫度對裝置的影響。采用設置在隔離器上的彈性鉸鏈一側的螺釘和頂絲對法布里-珀羅裝置進行調節，保證了兩個平面反射鏡的高度平行。本發明的飛秒激光頻率梳測距裝置，利用法布里-珀羅裝置，實現了對飛秒激光頻率梳寬光譜范圍內的光學濾波，保證了裝置光學平面反射鏡之間的間距及平行度的精度以及穩定性，設計簡潔，結構簡單，易于調節，成本低廉。
圖1是本案的飛秒激光頻率梳測距裝置其光譜分辨干涉原理圖；圖2是本案的飛秒激光頻率梳測距裝置光學濾波示意圖；圖3是法布里-珀羅裝置光學濾波原理圖4A到圖4D是本案的飛秒激光頻率梳測距裝置中所用的法布里-珀羅裝置的結構圖，其中圖4A為正視圖，圖4B為側視圖，圖4C為俯視圖，圖4D為沿圖4A中A-A剖面線剖切所得的剖面圖；圖5A到圖5B是圖4的法布里_珀羅裝置中套筒的結構圖，其中圖5A為套筒正視圖，圖5B為套筒沿圖5A中A-A剖面線剖切所得的剖面圖。
具體實施例方式本案發明人考慮為飛秒激光頻率梳測距裝置設計一種光學濾波裝置，對來自飛秒激光器的光進行光學濾波，大大減小光學頻率梳的頻率模式密度，使CCD線陣探測器的每個像素上能接收到單一頻率模式的干涉信號，降低光電探測器的分辨負荷。飛秒激光頻率梳包含數十萬至上百萬個頻率模式，現有濾波裝置在頻率模式分辨率上不能滿足光譜干涉測距對頻率模式間隔的要求。法布里-珀羅裝置(FP)是一種常用的光學干涉儀器，FP的傳統用法是產生光學干涉效應。發明人考慮到，要進行等間隔和高分辨率濾波，可以利用法布里-珀羅裝置，相對現有濾波裝置來說，其具有高過濾比，可以滿足光電探測器的頻率間隔要求。如圖3所示，法布里-珀羅裝置20，包括相距距離D的相互平行的兩平面鏡21、22，對其輸入具有很多頻率、波長模式的光23,可以在其一側獲得所輸出的一定頻率、波長模式的相干光24,而其余大量頻率、波長模式的光被過濾掉，由此即可濾出適合光譜分辨干涉測距用的頻率模式。如圖2所示，在飛秒激光頻率梳測距裝置中利用法布里-珀羅裝置20作為光學濾波裝置10，可以將具有大量波長模式λ I……λ η的飛秒激光頻率梳的光輸入法布里-珀羅裝置20，而得到具有特定波長模式λ i的輸出光，提供給光譜儀光電探測器。本案的飛秒激光頻率梳測距裝置，基于飛秒激光頻率梳的光譜分辨干涉測距原理，如圖1所示，飛秒脈沖激光頻率梳的光束經過光隔離器進入分光棱鏡。通過分光棱鏡分出兩束光，分別射向參考鏡和測量鏡。由參考鏡和測量鏡反射的光束經過分光棱鏡后重合并經過法布里-珀羅標準具。法布里-珀羅標準具可以通過共振過濾函數減小光梳的模式密度。從法布里-珀羅標準具出來的光束入射到光譜儀，經其中反射光柵反射后，由于不同波長、頻率的光衍射角不同，不同波長、頻率的光束沿不同方向傳播，經準直鏡會聚成像在光譜儀內部的線陣CCD探測單元上，由此可觀察參考光和測量光之間的干涉強度。固定參考鏡，沿測量光束的光軸移動測量鏡，可測量測量鏡的移動距離L。可見，在本案的飛秒激光頻率梳測距裝置中，法布里-珀羅裝置設置在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前。激光測距對頻率模式穩定性要求高，要求濾波裝置不影響頻率穩定性。現有法布里-珀羅標準具沒有針對飛秒激光頻率梳的調節機構，難以滿足飛秒激光頻率梳的濾波要求。要將法布里-珀羅裝置應用到飛秒激光頻率梳測距中，需要使其頻率輸出穩定，因而需要保證法布里-珀羅裝置腔長(兩平面鏡之間的間距)的穩定性和腔面(兩平面鏡鏡面)平行度的高穩定性。本發明提出一種高穩定度的法布里-珀羅裝置，可用作光學濾波裝置應用于飛秒激光頻率梳測距裝置中。
如圖4A到圖4D以及圖5A到圖5B所示，該法布里-珀羅裝置100，包括一個法布里-珀羅共振腔，其中包含兩個平面反射鏡204，其中一個用以部分反射入射光，另一個與之相對平行，具有與之相同的反射率，用以部分反射透射光。兩個平面反射鏡204內表面上鍍有適合于600-850nm波長范圍的高反介質膜，外表面鍍有適合于600_850nm波長范圍的增透膜。兩個平面反射鏡204之間由空氣隔開，可降低色散影響，有利于飛秒光學頻率梳的頻率模式濾出。隔離器101支撐于兩個平面反射鏡204之間，保持了兩個平面反射鏡之間的間距。將隔離器101設置為一整體機構，可保持兩個平面反射鏡之間的間距穩定。為了使兩平面反射鏡204的間距保持不變，隔離器101采用低膨脹系數的材料制造，以避免環境溫度的影響。進一步參見圖5A到圖5B，其顯示了套筒組件200的構成。其中，套筒組件200(相當于圖4A到圖4D中的套筒組件109)包括套筒201、壓圈202、彈簧圈203。隔離器101對兩個平面反射鏡204的支撐是這樣實現的:將平面反射鏡204、彈簧圈203和壓圈202按順序安裝在套筒201中，通過旋轉壓圈202可將平面反射鏡204固定在套筒201的底部。然后，在隔離器101的前后表面，分別使用兩組螺釘107、108、110、111將兩個套筒組件109固定到隔離器101上的彈性鉸鏈112、113上。分別使用兩組螺絲102、104、106和兩組頂絲103、105微調彈性鉸鏈112、113的平面方向，可將兩個平面反射鏡的反射平面調節到嚴格平行并保持平行狀態。其中，螺釘102、104、106和頂絲103、105設置在彈性鉸鏈112、113的一側。彈性鉸鏈112和彈性鉸鏈113彼此平行，空間夾角為90度。可用支桿安裝于支架裝配孔114上，實現整個裝置的安裝與固定。該法布里-珀羅裝置100，各部分之間固定連接，保證了結構的穩定，并且通過螺絲102、104、106和頂絲103、105的調節，可以在此基礎上進行微調，以嚴格保證腔面的平行度，使裝置具有高穩定性。以上僅是本發明的具體應用范例，對本發明的保護范圍不構成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
1.一種飛秒激光頻率梳測距裝置，其特征在于，其中包括一法布里-珀羅裝置，設置在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前，所述法布里-珀羅裝置對飛秒激光頻率梳的光進行光學濾波，減小光學頻率梳的頻率模式密度，使光譜儀的CCD線陣探測器的每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。
2.根據權利要求1所述的飛秒激光頻率梳測距裝置，其特征在于，該法布里-珀羅裝置包括一個法布里-珀羅共振腔，由兩個平行的平面反射鏡界定，該兩個平面反射鏡具有相同的反射率，其內表面上鍍有適合于600-850nm波長范圍的高反介質膜，外表面鍍有適合于600-850nm波長范圍的增透膜，兩個平面反射鏡之間為空氣。
3.根據權利要求2所述的飛秒激光頻率梳測距裝置，其特征在于，該法布里-珀羅裝置包括一隔離器，支撐于兩個平面反射鏡之間，該隔離器為一整體機構。
4.根據權利要求3所述的飛秒激光頻率梳測距裝置，其特征在于，該隔離器采用低膨脹系數的材料制造。
5.根據權利要求4所述的飛秒激光頻率梳測距裝置，其特征在于，該法布里-珀羅裝置中，兩個平面反射鏡分別用一壓圈、一彈簧圈固定在兩個套筒上，兩套筒分別通過螺釘固定在隔離器的兩個端面上。
6.根據權利要求5所述的飛秒激光頻率梳測距裝置，其特征在于，所述隔離器的兩個端面各設有一個彈性鉸鏈，該兩個彈性鉸鏈彼此平行，空間夾角為90度，所述兩套筒分別通過所述螺釘固定在所述兩個彈性鉸鏈上，每個彈性鉸鏈設有用于調節兩個平面反射鏡平行度的螺釘和頂絲。
7.一種飛秒激光頻率梳測距方法，其特征在于，在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前設置一個法布里-珀羅裝置，對飛秒激光頻率梳的光進行光學濾波，減小光學頻率梳的頻率模式密度，使光譜儀的CCD線陣探測器的每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。
8.根據權利要求7所述的飛秒激光頻率梳測距方法，其特征在于，使該法布里-珀羅裝置的兩個平面反射鏡具有相同的反射率，在兩個平面反射鏡的內表面上鍍上適合于600-850nm波長范圍的高反介質膜，外表面鍍上適合于600_850nm波長范圍的增透膜。
9.根據權利要求8所述的飛秒激光頻率梳測距方法，其特征在于，在該法布里-珀羅裝置中，所述兩個平面反射鏡分別用一壓圈、一彈簧圈固定在兩個套筒上，隔離器支撐于兩個平面反射鏡之間，所述隔離器的兩個端面各設有一個彈性鉸鏈，該兩個彈性鉸鏈彼此平行，空間夾角為90度，所述兩套筒分別通過螺釘固定在所述兩個彈性鉸鏈上，每個彈性鉸鏈設有螺釘和頂絲，調節所述螺釘和頂絲以調節兩個平面反射鏡的平行度。
全文摘要
本發明提供一種飛秒激光頻率梳測距裝置，包括一法布里-珀羅裝置，設置在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前。還提供一種飛秒激光頻率梳測距方法，在邁克爾遜干涉光路之后、光譜儀之前設置一個法布里-珀羅裝置，對飛秒激光頻率梳的光進行光學濾波，減小光學頻率梳的頻率模式密度，使光譜儀的CCD線陣探測器的每個像素上接收到單一頻率模式的干涉信號。所述裝置和方法，利用法布里-珀羅裝置，實現了對飛秒激光頻率梳寬光譜范圍內的光學濾波，保證了裝置光學平面反射鏡之間的間距及平行度的精度以及穩定性，設計簡潔，結構簡單，易于調節，成本低廉。
文檔編號G01C3/02GK103196419SQ20131011133
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者周維虎, 勞達寶, 董登峰, 紀榮袆, 袁江, 張滋黎, 劉鑫, 許艷, 丁蕾, 黎堯 申請人:中國科學院光電研究院
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