飞秒激光脉冲对绝对距离的测量读书报告

读书报告题目：Long distance measurement with femtosecond pulses using a dispersive interferometer作者：M. Cui,M. G. Zeitouny,N. Bhattacharya,S. A. van den Berg,and H. P. Urbach1期刊：Optical Express卷页号：28 March 2011 / Vol. 19，No. 7 / OPTICS EXPRESS 6560【摘要】我们实验性地证明了了基于飞秒激光频率梳色散干涉的长距离测量。距离值来源于宽光谱的色散干涉输出和激光重复频率的相位信息。对于50m的干涉长度，这种方法已经与独立的相位计算激光干涉仪进行了比较。可获得的共有的结果优于1.5微米，统计误差小于200nm。我们的实验证明了激光频率梳的色散干涉对于精确的和无增益的长距离测量是一种有效的手段。【基本原理】飞秒脉冲激光器发出的光束准直进入一个迈克尔逊干涉仪中。来自两臂的输出光被一个衍射光栅汇聚并反射。然后，衍射光束被透镜聚焦到线阵CCD上。如图Fig.1。测量臂与参考臂返回的脉冲在线阵CCD上将产生稳定的频域干涉条纹。假设来自两臂的反射光的强度相等且空气的吸收可以忽略，两臂的组合光谱可以用下式来描述： （1）是由距离 L引入的测量脉冲与参考脉冲之间的频域相位差，经傅里叶反变换后，得到光谱功率密度在时域的波形图。为精确测量延时值，采用带通滤波器滤掉DC峰值和一个AC峰值，再用傅里叶逆变换将其变换到频域 ，经过解包处理后可以得到的绝对数值。最后距离可以表示为：【实验结果】 利用实际测量到的飞秒激光器光谱，按照上述原理在计算机上进行数据仿真实验。当测量距离为3mm时，基于飞秒激光光学频率梳的色散干涉法求绝对长度的数据处理过程如Fig.2所示。Fig.2(a)是根据等式(1)得到的光谱仪实际观察到的光谱功率密度；Fig.2(b)是经傅立叶反变换得到的时域图，关于对称，3个峰值分别出现在、0和的位置；经过一个有限宽度的带通滤波器，可以只把的峰值分离出来，如图2(c)；经过反正切操作得到限制在到范围内的相位的包裹值，如图2(d)所示；的非包裹值具有的准确绝对相位值的偏移，见图2(e)；Fig.2(f)是从非包裹相位中得到的脉冲间隔。Fig.2 在测量期间，实验室的温度波动小于0.1，监测的气压和湿度精确到1 hPa，波动大小为。选择了约3的标准距离。Fig.3(a)是一个光程差小于339的典型测量干涉图样；取时的模拟光谱干涉图Fig.3(b)；Fig.3(c)为从测量中得到的衍生脉冲间隔，当像素数时读出距离，向上的斜率代表一个负号；Fig.3(d)为当时从模拟中得到的脉冲间隔。Fig.3 将飞秒激光器光学频率梳用于允许同时产生大量单色光频率的色散干涉。实验结果表明使用飞秒激光器的色散干涉方法，使非模糊范围扩展到575 mm，测量分辨力为100 nm，最小测量距离限制在9范围，和传统合成波长干涉、飞行时间测量等方法相结合，最大测量距离可以扩大到任意长度。使用飞秒激光器进行长度测量的方法相比传统的使用一个连续波激光器的方法具有许多优势。首先，由于光学和电子设备很简单，无需机械扫描的时间延迟线路，挑选出来的频率无需连续扫描，不存在周期性误差。其次，如果使用一个窄波段激光器，当该激光器和吸收线的波长一致时，吸收线将导致严重的测量误差，而采用宽光谱的飞秒激光器，具有对空气中气体的吸收线不敏感的优点。