新型飞秒激光跟踪仪中飞秒激光测距研究
一2015年一第6期
仪表技术与传感器
Instrument一Technique一and一Sensor
2015一No．6一
基金项目:国家自然基金项目(61377103);国家重大科学仪器设备开发专项项目(Y11702A01N)
收稿日期:2014-07-24一收修改稿日期:2015-01-28
新型飞秒激光跟踪仪中飞秒激光测距研究
胡一坤1,黎一尧1,纪荣祎2,周维虎2,刘德明1
(1.华中科技大学光学与电子信息学院,湖北武汉一430074;2.中国科学院光电研究院,北京一100094)
一一摘要:飞秒激光频率梳的出现为研制新型飞秒激光跟踪仪提供了有利工具三为解决飞秒激光跟踪仪中高精度距离测量的问题,研究了飞秒激光光谱分辨干涉原理,使用钛蓝宝石飞秒激光器搭建实验系统对光谱分辨干涉进行实验验证,最后利用快速傅里叶变换方法对实验数据进行处理三实验结果表明:该测量方法可以实现精度为?5μm 的距离测量,对新型飞秒激光跟踪仪中的测距研究具有指导意义三
关键词:跟踪仪;飞秒激光;光谱分辨干涉;精度;快速傅里叶变换;测距
中图分类号:TN249一一一文献标识码:A一一一文章编号:1002-1841(2015)06-0028-03
Distance Measurement of Femtosecond Laser in New Type Femtosecond Laser Tracker
HU Kun 1,LI Yao 1,JI Rong-yi 2,ZHOU Wei-hu 2,LIU De-ming 1
(1.School of Optical and Electronic Information ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,
China ;2.Academy of Opto-Electronic ,Chinese Academy of Science ,Beijing 100094,China )
Abstract :The advent of femtosecond laser frequency comb provides a new powerful tool for distance measurement in femtosec-ond laser tracker.In order to solve high precision measurement problem in femtosecond laser tracker,principle of femtosecond laser spectrally resolved interferometry was investigated.Ti:Sapphire femtosecond laser was used to set up experiment to demonstrate this principle and Fast Fourier Transform(FFT)method was used to process experiment data finally.Experiment results show that this method can realize distance measurement with ?5μm precision,which is significant in distance measurement of femtosecond laser tracker.Key words :laser tracker;femtosecond laser ;spectrally resolved interferometry;precision;FFT;distance measurement
0一引言
新型飞秒激光跟踪仪用于超大尺寸空间几何量测量及动态轨迹测量,它具有测量功能多二测量精度高二测量速度快二量程大二可现场测量等特点,是大型科学工程和大型高端装备制造中急需的测量装备[1]三我国大型飞机零部件二工装型架测量以及总装测量二卫星安装测量等高端智能制造领域均对飞秒激光跟踪仪测量提出了迫切要求[2]三国际上现有的激光跟踪仪由于缺乏高精度大长度绝对测距手段,大都采用激光干涉测量距离,其缺点是激光干涉只能依靠计数测量长度,测程有限且测量过程中容易受到段光的影响三飞秒激光频率梳具有稳定的频率间隔,而且光谱范围宽二脉宽窄二重频高,它的出现给激光绝对测距带来了革命性突破三它将时间测量与干涉测量集于一体,不仅有助于扩大测量范围和提高测量精度,而且有利于实现长度测量的现场溯源
[3-4]
三
飞秒激光的到来促进了对先进光干涉技术的研究,最先提出使用飞秒激光频率用于距离测量的是日本国家计量院K.Minoshima 等,他们使用多波长测距原理,从飞秒激光频率梳中提取3个频率模式进行距离测量,实现了240m 距离测量,测
量精度为50μm [5]三2006年Kim-Nam Joo 等提出了将光谱分辨干涉原理应用于飞秒激光测距中,充分利用飞秒光频率梳模式多的优点进行绝对距离测量三实验得到的非模糊距离为1.46mm,分辨力为7nm,最大测量范围为0.89m [6]三2010年Joohyung Lee 等成功利用基于光学互相关原理的飞行时间方法实现了绝对距离测量,这个方法避开了电子学探测器探测响应的时间限制[7]三国内对飞秒激光测距的研究比较晚,2012年武腾飞等研究了飞秒激光测距中的色散补偿方案[8],2013年清华大学的吴冠豪等研究了飞秒激光测距中的折射率补偿方案[9],
总的来说国内对飞秒激光测距的研究起步比较晚,与国外还有一定的差距三
提出了在新型飞秒激光跟踪仪中使用飞秒激光频率梳作为光源,利用光谱分辨干涉方法完成绝对距离测量的精测部分三使用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了光谱分辨干涉测距实验系统,通过傅里叶变换对实验数据进行处理,实现了精度为?5μm 的距离测量,这为研制新型飞秒激光跟踪仪奠定了理论基础三
1一测距原理及数据处理方法1.1一光谱分辨干涉测距原理
飞秒激光频率梳的光谱分辨干涉原理如图1所示,使用F -P 标准具对从迈克尔逊干涉仪出射的光束进行梳状滤波,最后