新型飞秒激光跟踪仪中飞秒激光测距研究.pdf

2015年
仪故木与器
第6期
Instrument Technique and Sensor
No 6
新型飞秒激光跟踪仪中飞秒激光测距研究
胡坤',黎尧',纪荣袆2,周维虎2,刘德明
(1.华中科技大学光学与电子信息学院,湖北武汉4310074;2.中国科学院光电研究院,北京10004)
摘要:飞秒激光频率杭的出现为研制新型飞秒激光跟踪仪提供了有利エ具。为解决飞秒激光跟踪仪中高精度距离测
蚤的问题,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。实验结果表明:波测量方法可以实现精度为士5um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。
关键词;跟踪仪;飞耖激光;光谱分辨干涉;精度;快速傳里叶变换;测距
中图分类号:TN249
文献标识码:A
文章编号:1002-1841(2015)06-0028-03
Distance Measurement of femtosecond Laser
in New Type Femtosecond Laser Tracker
HU Kun', L Yao, J] Rong-yi", ZHOU Wei-hu", LIU De-ming
(1. School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074
China; 2. Academy of Optoelectronic, 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
ectrally resolved interferometry was investigated. Ti: Sapphire femtosecond laser was used to set up experiment to demonstrate this
principle and Fast Fourier Trans om(FFT)method was used to process experiment data finally. Experiment results show that this
method can realize ist ae measurment with 5 wm precision, which is significant in distance measurement of femtosecond laser
tracker.
Key words: laser tracker; femtosecond laser spectrally resolved interferometry; precision; F]T; distance measurement
0引言
量精度为50mn。2006年Kim- Nam Joo等提出了将光谱分
新型飞秒激光跟踪仪用于超大尺寸空间几何量测量及动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
态轨迹测量,它具有测量功能多、测量精度高、测量速度快、量式多的优点进行绝对距离测量。实验得到的非模糊距离为1
程大、可现场測量等特点,是大型科学工程和大型高端装备制465m,分辨力为7mm,最大测量范围为0.89m[?。2010年
造中急需的测量装备!。我国大型飞机零部件、工装型架测量 Joohyung Lee 3等成功利用基于光学互相关原理的飞行时间方法
以及总装测量、卫星安装测量等高端智能制造领坡均对飞秒激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
光跟踪仪测量提出了迫切要求』。国际上现有的激光眼踪仪的时间限制?。国内对飞秒激光测距的研究比较晚,2012年武
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腾飞等研究了飞秒激光测距中的色散补偿方案?,2013年清华
距离,其缺点是激光千涉只能依靠计数测量长度,测程有限且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s)
测量过程中容易受到段光的影响。飞秒激光频率梳具有稳定
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
的频率间隔,而且光谱范围宽、脉宽窄、重频高,它的出现给激
定的差距。
光绝对测距带来了革命性突破。它将时间测量与干涉测量集
提出了在新型飞秒激光跟踪仪中使用飞秒激光频率椀作
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引。
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。使用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了光谱分辨干涉测距实验
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
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,测基础。
测距原理及数据处理方法
1.1光谱分辨干涉测距原理
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)
飞秒激光频率梳的光谱分辨干涉原理如图1所示,使用F
收稿日期:2014-07~24收修改稿日期:2015-01-28
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