實驗名稱：基于平衡光學(xué)互相關(guān)的飛秒激光測距實驗

測試目的：講述了基于平衡光學(xué)互相關(guān)的飛秒激光測距實驗，包括實驗系統(tǒng)的組成和測距實驗過程，并對實驗測量結(jié)果進(jìn)行分析，討論其中的誤差和可能存在的問題。最后對這種測距方法進(jìn)行了總結(jié)。

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

實驗過程：

圖1：基于平衡互相關(guān)的飛行時間法測距實驗系統(tǒng)

根據(jù)測距原理對激光器的要求，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)直器固定在電動平移臺上，從而實現(xiàn)對激光器重復(fù)頻率更大范圍的調(diào)節(jié)。

波長為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)實現(xiàn)鎖模，形成的鎖模脈沖序列再被SESAM反射經(jīng)過隔離器（ISO）后耦合進(jìn)入光纖，實現(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。

激光器震蕩級輸出的飛秒脈沖序列的重復(fù)頻率為203.4MHz，中心波長在1550nm，平均功率可達(dá)到30mW，可滿足測距實驗需求，無需放大。在接收端，平衡探測器將得到的電信號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)反饋的誤差信號計算出需輸出的控制信號，經(jīng)高壓功率放大器放大后給PZT，實現(xiàn)將待測距離鎖定到腔長的整數(shù)倍上。

圖2：強(qiáng)度平衡互相關(guān)信號

當(dāng)待測目標(biāo)以鎖定點(diǎn)為中心隨步進(jìn)電機(jī)做簡諧振蕩時，產(chǎn)生的平衡互相關(guān)信號如圖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。從而保證了鎖定時系統(tǒng)具有最高的靈敏度。實驗使用比例積分伺服系統(tǒng)根據(jù)該線性部分的電壓值來反饋控制腔內(nèi)PZT的伸長量，從而實現(xiàn)對腔長的調(diào)節(jié)，最終將待測距離鎖定到腔長的整數(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。

實驗結(jié)果：

圖3：動態(tài)距離測量結(jié)果。（a）4s時間內(nèi)連續(xù)測量結(jié)果；（b）0.5s局部測量結(jié)果

為了驗證該測距系統(tǒng)的實時性和精確度，通過使用一臺信號發(fā)生器輸出10Hz的正弦信號控制壓電陶瓷和目標(biāo)反光鏡做幅度為1微米的簡諧振蕩，仍使頻率計數(shù)器以100Hz的速率測量激光器重復(fù)頻率，經(jīng)計算得到的距離測量結(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)測量時每個測量值都是有效的，沒有出現(xiàn)錯誤點(diǎn)（偏離正弦曲線較大的點(diǎn)），整體測量結(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)動情況。從局部放大圖中可以看到，測量結(jié)果很好地符合正弦波形，在行程為1μm的振動過程中有多達(dá)6個有效值，在極值點(diǎn)處相鄰兩次測量結(jié)果可以小于20nm。

同時從圖3（a）中還可以看出，測量結(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，而且波動范圍大約為200nm。這跟目標(biāo)靜止時的測量結(jié)果有很好的一致性。而待測鏡、激光器安裝件等器件的機(jī)械震動，以及空氣擾動等，都會使得待測距離出現(xiàn)微小的隨機(jī)變化。

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審核編輯 黃宇