實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：基于平衡光學(xué)互相關(guān)的飛秒激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)

測(cè)試目的：講述了基于平衡光學(xué)互相關(guān)的飛秒激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和測(cè)距實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，討論其中的誤差和可能存在的問(wèn)題。最后對(duì)這種測(cè)距方法進(jìn)行了總結(jié)。

測(cè)試設(shè)備：高壓功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、飛秒激光器、偏振分束器、隔離器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：基于平衡互相關(guān)的飛行時(shí)間法測(cè)距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)測(cè)距原理對(duì)激光器的要求，搭建了基于非線型偏振旋轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡共同鎖模的飛秒激光器作為測(cè)距光源。該激光器采用σ結(jié)構(gòu)諧振腔，將起腔鏡作用的SESAM粘在壓電陶瓷的自由伸縮端上，如圖1右半部分所示，并且將起耦合作用的準(zhǔn)直器固定在電動(dòng)平移臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器重復(fù)頻率更大范圍的調(diào)節(jié)。

波長(zhǎng)為980nm的二極管激光器將泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器注入進(jìn)高濃度的摻Er3+增益光纖，放大后的泵浦光通過(guò)偏振分束器（PBS）、波片組和透鏡后聚焦到SESAM上，利用SESAM的可飽和吸收效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模，形成的鎖模脈沖序列再被SESAM反射經(jīng)過(guò)隔離器（ISO）后耦合進(jìn)入光纖，實(shí)現(xiàn)諧振腔的周期性循環(huán)，其中部分飛秒激光脈沖被PBS輸出。

激光器震蕩級(jí)輸出的飛秒脈沖序列的重復(fù)頻率為203.4MHz，中心波長(zhǎng)在1550nm，平均功率可達(dá)到30mW，可滿足測(cè)距實(shí)驗(yàn)需求，無(wú)需放大。在接收端，平衡探測(cè)器將得到的電信號(hào)反饋給比例積分伺服系統(tǒng)，它包括PI控制器和高壓功率放大器。PI控制器根據(jù)反饋的誤差信號(hào)計(jì)算出需輸出的控制信號(hào)，經(jīng)高壓功率放大器放大后給PZT，實(shí)現(xiàn)將待測(cè)距離鎖定到腔長(zhǎng)的整數(shù)倍上。

圖2：強(qiáng)度平衡互相關(guān)信號(hào)

當(dāng)待測(cè)目標(biāo)以鎖定點(diǎn)為中心隨步進(jìn)電機(jī)做簡(jiǎn)諧振蕩時(shí)，產(chǎn)生的平衡互相關(guān)信號(hào)如圖2所示。從圖中可以看出，倒‘S’型曲線中間部分具有很好的線性度。從而保證了鎖定時(shí)系統(tǒng)具有最高的靈敏度。實(shí)驗(yàn)使用比例積分伺服系統(tǒng)根據(jù)該線性部分的電壓值來(lái)反饋控制腔內(nèi)PZT的伸長(zhǎng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腔長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，最終將待測(cè)距離鎖定到腔長(zhǎng)的整數(shù)倍上。受PZT的響應(yīng)帶寬限制，系統(tǒng)環(huán)路的鎖定帶寬為1kHz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：動(dòng)態(tài)距離測(cè)量結(jié)果。（a）4s時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)量結(jié)果；（b）0.5s局部測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證該測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確度，通過(guò)使用一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器輸出10Hz的正弦信號(hào)控制壓電陶瓷和目標(biāo)反光鏡做幅度為1微米的簡(jiǎn)諧振蕩，仍使頻率計(jì)數(shù)器以100Hz的速率測(cè)量激光器重復(fù)頻率，經(jīng)計(jì)算得到的距離測(cè)量結(jié)果如圖3（a）所示，取前50組數(shù)據(jù)作局部圖如圖3（b）所示。

從圖3（a）圖中可以看出，在連續(xù)測(cè)量時(shí)每個(gè)測(cè)量值都是有效的，沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤點(diǎn)（偏離正弦曲線較大的點(diǎn)），整體測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，在幅度和頻率上都很好地體現(xiàn)了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況。從局部放大圖中可以看到，測(cè)量結(jié)果很好地符合正弦波形，在行程為1μm的振動(dòng)過(guò)程中有多達(dá)6個(gè)有效值，在極值點(diǎn)處相鄰兩次測(cè)量結(jié)果可以小于20nm。

同時(shí)從圖3（a）中還可以看出，測(cè)量結(jié)果波形的上沿（由正弦的最大值組成）和下沿（由正弦的最小值組成）都存在一定程度的波動(dòng)，而且波動(dòng)范圍大約為200nm。這跟目標(biāo)靜止時(shí)的測(cè)量結(jié)果有很好的一致性。而待測(cè)鏡、激光器安裝件等器件的機(jī)械震動(dòng)，以及空氣擾動(dòng)等，都會(huì)使得待測(cè)距離出現(xiàn)微小的隨機(jī)變化。

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審核編輯 黃宇