基于光学频率梳跨尺度波长同步合成的大尺寸绝对测距技术研究

Femtosecond optical frequency combs, consisting of numerous spectral lines with equal frequency space, broad spectral range, and high precision, provide important solutions for large-scale high precision absolute distance measurement based on the synthetic wavelength interferometry. However, the first-order and the higher-order synthetic wavelengths can not be obtained simultaneously, leading to that the non-ambiguity range is small. Based on the synchronous generation of the scale-span synthetic wavelength using frequency comb, large-scale and high precision absolute distance measurement can be realized, which is of great importance in the precision manufacturing and its traceability. The main researches include: (1) An approach combined with the grating diffraction dispersion and the multi-beam interferometry dispersion is proposed, which can resolve each individual mode and extract the mode phase with high resolution. Consequently, the coarse and fine synthetic wavelengths can be generated to extend the non-ambiguity range. (2) The scale-span synthetic wavelengths can be generated, which can meet the transition condition of the stages of time-of-flight, spectral resolved interferometry, and homodyne interferometry. The problem of the measurement chain between hundreds of meters and the optical wavelength can be solved. (3) The air refractive index can be corrected by using fundamental and second harmonic to eliminate the influence of the air fluctuation.

飞秒光学频率梳由于具备等间隔、大范围、高精度的多纵模频率标尺，为实现基于多波长合成的大尺寸高精度绝对测距技术提供了重要手段。但现有技术仍无法同时获取一阶和高阶合成波长，导致存在光谱分辨绝对测距技术的非模糊范围较小等问题。本项目基于光学频率梳跨尺度波长同步合成，实现大尺寸和高精度绝对测距方法，对于大型装备精密制造及其量值传递体系的建立具有重要意义。主要研究内容包括：(1)提出光栅衍射大范围色散和多光束干涉精细色散的组合技术，实现高分辨力、同步分离与提取多纵模的相位，降低纵模可分辨间距，同步产生跨尺度的粗测和精测合成波长，扩展光谱分辨测距技术的非模糊范围。(2)利用跨尺度合成波长满足脉冲飞行时间、光谱分辨和多纵模零差干涉三种测距技术之间的级间过渡条件，解决大长度和光波长两个极端尺度之间测量链复杂的问题。(3)利用基频光和倍频光的双波长组合，实时自修正大气折射率变化引入的测距误差。

由于光学频率梳具有等间隔、大带宽、离散的多纵模优势，已经实现了色散干涉法、双光梳异步采样方法等多种大范围绝对测距方法，但其中仍然存在无法同步产生跨尺度合成波长等科学问题难以解决。本课题针对这些问题，发展面向大型装备制造现场应用的跨尺度合成波长测距方法。主要研究内容包括：1.针对传统锁模光梳重复频率较低的问题，构建了片上微谐振腔光梳和电光光梳两种高重频的光频梳，将重复频率提升至10GHz以上的量级，波长数量从上万个降低至数十个，降低了测距采样压力和波长分离难度，为后续高速探测奠定了基础。并且这两种光梳都可以利用单一泵浦激光直接产生相干的多路光频梳，无需复杂的锁相系统就可以实现相位相干，有效降低了多光梳测距系统的复杂度和成本，解决了光频梳测距技术难以用于工业现场的痛点。2.基于单个光梳的波长空间色散，实现了同步、快速、高分辨力分离与提取光学频率梳各纵模的相位信息，解决了同步产生跨尺度合成波长这一关键科学问题。3.双光梳测距方法中，对标常规锁模光梳5kHz的重频差，本项目可提升至MHz量级，降低了采样压力，单次数据采集时间可达1μs，采集速度提升了200倍，解决了测量范围与测量精度、测量速度之间的矛盾。4.提出了基于三光学频率梳的多外差绝对距离测量方法，有机融合多纵模产生的一阶和高阶合成波长的测距信息，避免了需要高带宽光电探测器来采集高阶梳齿纵模相位的问题，提升了常规双光梳测距方法的合成波长尺度，揭示了跨尺度合成波长产生的机理，扩展了多波长合成链的非模糊范围。5.以光频梳为辅助基准，对调频绝对测距方法中产生的跨尺度合成波长进行了线性校准。6.搭建了多套跨尺度合成波长绝对测距系统，面向室内工业现场测量、高速振动测量、室外大长度测量、三维测量等多种应用场景，进行了绝对测距实验验证，实现了长达1km的精密干涉测距，解决了大长度和光波长之间的跨尺度测量链融合这一关键科学问题。