专利名称：飞秒激光频率梳测距装置和方法
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CXD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Λ λ约为1.66427 X 10_4nm，则有大约600864个频率模式。一般C⑶线阵探测器具有3648个像素数，像素尺寸为8 μ mX 200 μ m,即CXD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。其中将隔离器设计为一整体机构，可保持两个平面反射镜之间的间距稳定。采用了低膨胀系数的材料制作反射腔的隔离器，可以有效减小温度对装置的影响。采用设置在隔离器上的弹性铰链一侧的螺钉和顶丝对法布里-珀罗装置进行调节，保证了两个平面反射镜的高度平行。本发明的飞秒激光频率梳测距装置，利用法布里-珀罗装置，实现了对飞秒激光频率梳宽光谱范围内的光学滤波，保证了装置光学平面反射镜之间的间距及平行度的精度以及稳定性，设计简洁，结构简单，易于调节，成本低廉。
图1是本案的飞秒激光频率梳测距装置其光谱分辨干涉原理图；图2是本案的飞秒激光频率梳测距装置光学滤波示意图；图3是法布里-珀罗装置光学滤波原理图4A到图4D是本案的飞秒激光频率梳测距装置中所用的法布里-珀罗装置的结构图，其中图4A为正视图，图4B为侧视图，图4C为俯视图，图4D为沿图4A中A-A剖面线剖切所得的剖面图；图5A到图5B是图4的法布里_珀罗装置中套筒的结构图，其中图5A为套筒正视图，图5B为套筒沿图5A中A-A剖面线剖切所得的剖面图。
具体实施例方式本案发明人考虑为飞秒激光频率梳测距装置设计一种光学滤波装置，对来自飞秒激光器的光进行光学滤波，大大减小光学频率梳的频率模式密度，使CCD线阵探测器的每个像素上能接收到单一频率模式的干涉信号，降低光电探测器的分辨负荷。飞秒激光频率梳包含数十万至上百万个频率模式，现有滤波装置在频率模式分辨率上不能满足光谱干涉测距对频率模式间隔的要求。法布里-珀罗装置(FP)是一种常用的光学干涉仪器，FP的传统用法是产生光学干涉效应。发明人考虑到，要进行等间隔和高分辨率滤波，可以利用法布里-珀罗装置，相对现有滤波装置来说，其具有高过滤比，可以满足光电探测器的频率间隔要求。如图3所示，法布里-珀罗装置20，包括相距距离D的相互平行的两平面镜21、22，对其输入具有很多频率、波长模式的光23,可以在其一侧获得所输出的一定频率、波长模式的相干光24,而其余大量频率、波长模式的光被过滤掉，由此即可滤出适合光谱分辨干涉测距用的频率模式。如图2所示，在飞秒激光频率梳测距装置中利用法布里-珀罗装置20作为光学滤波装置10，可以将具有大量波长模式λ I……λ η的飞秒激光频率梳的光输入法布里-珀罗装置20，而得到具有特定波长模式λ i的输出光，提供给光谱仪光电探测器。本案的飞秒激光频率梳测距装置，基于飞秒激光频率梳的光谱分辨干涉测距原理，如图1所示，飞秒脉冲激光频率梳的光束经过光隔离器进入分光棱镜。通过分光棱镜分出两束光，分别射向参考镜和测量镜。由参考镜和测量镜反射的光束经过分光棱镜后重合并经过法布里-珀罗标准具。法布里-珀罗标准具可以通过共振过滤函数减小光梳的模式密度。从法布里-珀罗标准具出来的光束入射到光谱仪，经其中反射光栅反射后，由于不同波长、频率的光衍射角不同，不同波长、频率的光束沿不同方向传播，经准直镜会聚成像在光谱仪内部的线阵CCD探测单元上，由此可观察参考光和测量光之间的干涉强度。固定参考镜，沿测量光束的光轴移动测量镜，可测量测量镜的移动距离L。可见，在本案的飞秒激光频率梳测距装置中，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。激光测距对频率模式稳定性要求高，要求滤波装置不影响频率稳定性。现有法布里-珀罗标准具没有针对飞秒激光频率梳的调节机构，难以满足飞秒激光频率梳的滤波要求。要将法布里-珀罗装置应用到飞秒激光频率梳测距中，需要使其频率输出稳定，因而需要保证法布里-珀罗装置腔长(两平面镜之间的间距)的稳定性和腔面(两平面镜镜面)平行度的高稳定性。本发明提出一种高稳定度的法布里-珀罗装置，可用作光学滤波装置应用于飞秒激光频率梳测距装置中。
如图4A到图4D以及图5A到图5B所示，该法布里-珀罗装置100，包括一个法布里-珀罗共振腔，其中包含两个平面反射镜204，其中一个用以部分反射入射光，另一个与之相对平行，具有与之相同的反射率，用以部分反射透射光。两个平面反射镜204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204之间由空气隔开，可降低色散影响，有利于飞秒光学频率梳的频率模式滤出。隔离器101支撑于两个平面反射镜204之间，保持了两个平面反射镜之间的间距。将隔离器101设置为一整体机构，可保持两个平面反射镜之间的间距稳定。为了使两平面反射镜204的间距保持不变，隔离器101采用低膨胀系数的材料制造，以避免环境温度的影响。进一步参见图5A到图5B，其显示了套筒组件200的构成。其中，套筒组件200(相当于图4A到图4D中的套筒组件109)包括套筒201、压圈202、弹簧圈203。隔离器101对两个平面反射镜204的支撑是这样实现的:将平面反射镜204、弹簧圈203和压圈202按顺序安装在套筒201中，通过旋转压圈202可将平面反射镜204固定在套筒201的底部。然后，在隔离器101的前后表面，分别使用两组螺钉107、108、110、111将两个套筒组件109固定到隔离器101上的弹性铰链112、113上。分别使用两组螺丝102、104、106和两组顶丝103、105微调弹性铰链112、113的平面方向，可将两个平面反射镜的反射平面调节到严格平行并保持平行状态。其中，螺钉102、104、106和顶丝103、105设置在弹性铰链112、113的一侧。弹性铰链112和弹性铰链113彼此平行，空间夹角为90度。可用支杆安装于支架装配孔114上，实现整个装置的安装与固定。该法布里-珀罗装置100，各部分之间固定连接，保证了结构的稳定，并且通过螺丝102、104、106和顶丝103、105的调节，可以在此基础上进行微调，以严格保证腔面的平行度，使装置具有高稳定性。以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1.一种飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，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。
4.根据权利要求3所述的飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，该隔离器采用低膨胀系数的材料制造。
5.根据权利要求4所述的飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，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。
6.根据权利要求5所述的飞秒激光频率梳测距装置，其特征在于，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。
7.一种飞秒激光频率梳测距方法，其特征在于，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。
8.根据权利要求7所述的飞秒激光频率梳测距方法，其特征在于，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。
9.根据权利要求8所述的飞秒激光频率梳测距方法，其特征在于，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。
全文摘要
本发明提供一种飞秒激光频率梳测距装置，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。还提供一种飞秒激光频率梳测距方法，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。所述装置和方法，利用法布里-珀罗装置，实现了对飞秒激光频率梳宽光谱范围内的光学滤波，保证了装置光学平面反射镜之间的间距及平行度的精度以及稳定性，设计简洁，结构简单，易于调节，成本低廉。
文档编号G01C3/02GK103196419SQ20131011133
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者周维虎, 劳达宝, 董登峰, 纪荣袆, 袁江, 张滋黎, 刘鑫, 许艳, 丁蕾, 黎尧 申请人:中国科学院光电研究院