光学频率梳的绝对距离测量研究

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1、一ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文—级学科仪器科学与技术：学科专业：仪器科学与技术作者姓名：吴翰钟曲兴华教授指导教师：天津大学研究生院２０１７年６月光学频率梳的绝对距离测量研究Absolutedistancemeasurementusingfrequencycomb学科专业：仪器科学与技术研究生：吴翰钟指导教师：曲兴华教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年六月摘要光学频率梳的出现和飞速发展给超精密计量领域带来了革命性的进

2、步。大尺寸高精度的绝对距离测量在基础科学研究和工程实际应用中都发挥着重要的作用。1983年，国际计量大会定义长度单位米为光在真空中行进1/299792458秒的距离，实现了长度（米）和时间（秒）的高度统一。光学频率梳作为一种新型的光源，可直接连接长度和时间，于是，光学频率梳的绝对距离测量很快成为了国际国内的研究热门。本论文研究了光学频率梳的绝对距离测量，在几十米大范围内实现了高精度的绝对距离测量，满足大尺寸高精度的绝对距离测量需求。研究了强度探测的绝对距离测量方法，分析了脉冲互相关原理，建立了基于2高斯脉冲、Sech脉冲和洛仑兹脉

3、冲的脉冲互相关模型，通过两个脉冲的干涉强度实现绝对距离测量。在25m范围内，与参考干涉仪比对的结果表明，测量不确定度优于1.5μm。分析了色散干涉的原理，基于色散干涉条纹的调制频率实现绝对距离测量，但是采用低分辨率的光谱分析仪无法实现任意测距。为了克服这一局限性，采用一段长的延迟光纤作为参考臂，通过改变光学频率梳的重复频率，可以实现任意测距。实验结果表明，在75m范围内，测量不确定度优于25μm。进行了测量不确定度的最优化分析，以最优化系统的参数配置。通过调节重复频率进行光学采样，实现绝对距离测量。采用一段长的延迟光纤作为参考臂，

4、通过扫描重复频率，获得脉冲干涉条纹。采用希尔伯特变换测量干涉条纹的峰值位置，实现绝对距离测量。实验结果表明，在60m范围内，测量不确定度优于3μm。在自由空间中，通过扫描重复频率，获得了脉冲干涉条纹。采用傅立叶变换测量干涉条纹携带的距离信息。实验结果表明，在75m范围内，测量不确定度优于4μm。进行了多目标测量场合下的实验，测量了玻璃厚度和折射率。实验结果表明，通过扫描重复频率光学采样的方法可以高精度的测量玻璃厚度和折射率。提出了光学频率梳与单频激光多外差干涉的绝对距离测量方法。分析了光频梳与单频激光多外差干涉的原理，通过拍频信号

5、的相位实现绝对距离测量。为了改善拍频信号的稳定性，采用Pound-Drever-Hall锁定原理，将单频激光锁定至光学参考腔。实验结果表明，在50m范围内，测量不确定度优于3μm。在空气中的精密测量里，空气折射率的测量和修正一直是测量领域的研究热门，进行了双波长的色散干涉折射率自修正实验。在12小时长时间实验中，大-8气折射率修正的不确定度达到了3.310。在12m范围内，基于双波长的色散干涉，进行了绝对距离测量实验。实验结果表明，测量不确定度优于3μm。经过双波长的大气折射率修正后，测量标准差得到了显著的改善。关键词：光学频率

6、梳绝对距离测量ABSTRACTOpticalfrequencycombshaveadvancedthefieldofprecisionmeasurementwithrevolutionaryprogresssincetheirinvention.Long-rangeabsolutedistancemeasurementwithhighprecisionandaccuracyisofsignificantimportanceinbothbasicscienceandtechnology.In1983,themeterwasstric

7、tlydefinedasthelengthlighttravelsinvacuumduring1/299792458second,highlyunitingthelengthandthetime.Subsequently,scientistsallovertheworldhaveproposedvariousmethodscapableofabsolutedistancemeasurementusingfrequencycomb,andfrequencycombbasedabsolutedistancemeasurementiss

8、tillprogressingrapidlynowadays.Thisthesisfocusesonthetechniqueofabsolutedistancemeasurementusingfrequencycomb.Large-scaledis