實驗名稱：基于平衡(heng)光學互相關的飛秒(miao)激光測距(ju)實驗

　　測試目的：講述了基于平衡光學互相關的飛秒激光測(ce)(ce)距(ju)實(shi)驗(yan)，包(bao)括實(shi)驗(yan)系統的組成和(he)測(ce)(ce)距(ju)實(shi)驗(yan)過程，并對(dui)實(shi)驗(yan)測(ce)(ce)量(liang)結果進(jin)行分(fen)析(xi)，討(tao)論其中的誤差和(he)可(ke)能(neng)存在的問題(ti)。最后對(dui)這種測(ce)(ce)距(ju)方法進(jin)行了總結。

　　測試設備：高壓功率放大器、信號發生器(qi)、飛秒激光器(qi)、偏振分束器(qi)、隔(ge)離器(qi)等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：基于平衡互相關的飛(fei)行時間法(fa)測距實(shi)驗系(xi)統

　　根(gen)據(ju)測距(ju)(ju)原(yuan)理對(dui)激(ji)光(guang)器的(de)要求，搭建了(le)基于非線型偏(pian)振旋轉和半導體可飽和吸(xi)收鏡共(gong)同鎖模的(de)飛(fei)秒激(ji)光(guang)器作(zuo)為測距(ju)(ju)光(guang)源。該激(ji)光(guang)器采(cai)用(yong)σ結構諧振腔，將起腔鏡作(zuo)用(yong)的(de)SESAM粘在壓電陶瓷的(de)自(zi)由(you)伸縮(suo)端上，如圖1右半部分所示，并且將起耦合作(zuo)用(yong)的(de)準(zhun)直器固定在電動平移臺上，從而實現對(dui)激(ji)光(guang)器重復頻率更大范圍的(de)調節(jie)。

　　波長為980nm的二極管激光器將泵浦光經波分復用器注入進高濃度的摻Er³⁺增益(yi)光(guang)纖，放大后(hou)(hou)的泵浦光(guang)通過偏振(zhen)分束(shu)器（PBS）、波片(pian)組和透鏡后(hou)(hou)聚焦到SESAM上(shang)，利用SESAM的可飽和吸收效應實(shi)現(xian)鎖模(mo)，形成的鎖模(mo)脈(mo)沖(chong)序列再被(bei)SESAM反射(she)經過隔離器（ISO）后(hou)(hou)耦合(he)進入光(guang)纖，實(shi)現(xian)諧振(zhen)腔的周(zhou)期(qi)性循環，其中(zhong)部分飛(fei)秒激光(guang)脈(mo)沖(chong)被(bei)PBS輸(shu)出。

　　激(ji)光器(qi)震蕩級輸(shu)出(chu)(chu)的(de)飛秒脈沖序列的(de)重(zhong)復頻率為(wei)203.4MHz，中心波長(chang)在1550nm，平(ping)均功(gong)率可達到30mW，可滿足測(ce)距(ju)實驗(yan)需求，無需放(fang)(fang)大(da)。在接收端，平(ping)衡探測(ce)器(qi)將得到的(de)電信號反饋(kui)給(gei)比例積分伺服系統，它包括PI控(kong)制器(qi)和(he)高壓功(gong)率放(fang)(fang)大(da)器(qi)。PI控(kong)制器(qi)根據反饋(kui)的(de)誤差信號計算出(chu)(chu)需輸(shu)出(chu)(chu)的(de)控(kong)制信號，經高壓功(gong)率放(fang)(fang)大(da)器(qi)放(fang)(fang)大(da)后給(gei)PZT，實現(xian)將待測(ce)距(ju)離鎖定到腔(qiang)長(chang)的(de)整數倍上。

　　圖(tu)2：強度平(ping)衡互相(xiang)關信號

　　當待測目(mu)標(biao)以鎖(suo)(suo)定點(dian)為(wei)(wei)中(zhong)心隨步進電機做簡諧振蕩時，產(chan)生的(de)平(ping)衡互相關信號如圖(tu)2所示。從(cong)圖(tu)中(zhong)可以看出，倒‘S’型(xing)曲線中(zhong)間部分具有很好的(de)線性度。從(cong)而保證了鎖(suo)(suo)定時系(xi)統具有最高的(de)靈敏(min)度。實驗使用比例(li)積分伺服系(xi)統根據(ju)該線性部分的(de)電壓值來反饋控制(zhi)腔(qiang)內PZT的(de)伸(shen)長(chang)量，從(cong)而實現對腔(qiang)長(chang)的(de)調節，最終(zhong)將待測距離鎖(suo)(suo)定到腔(qiang)長(chang)的(de)整(zheng)數倍上。受PZT的(de)響應(ying)帶寬限制(zhi)，系(xi)統環(huan)路的(de)鎖(suo)(suo)定帶寬為(wei)(wei)1kHz。

　　實驗結果：

圖3：動態距離測量結果。（a）4s時間內連續測量結果；（b）0.5s局部測量結果

　　為(wei)了驗證(zheng)該(gai)測(ce)距系統的(de)實時性和精(jing)確度，通過使用一(yi)臺(tai)信(xin)號發生器(qi)輸出10Hz的(de)正弦信(xin)號控制(zhi)壓電陶瓷和目標反(fan)光(guang)鏡做幅度為(wei)1微米的(de)簡諧振蕩，仍使頻率(lv)計(ji)數器(qi)以100Hz的(de)速率(lv)測(ce)量激光(guang)器(qi)重復頻率(lv)，經計(ji)算得到的(de)距離測(ce)量結果如圖(tu)3（a）所(suo)示，取前50組數據(ju)作局部圖(tu)如圖(tu)3（b）所(suo)示。

　　從(cong)圖(tu)3（a）圖(tu)中可(ke)以(yi)(yi)(yi)看出，在(zai)連續測(ce)(ce)(ce)量時每個(ge)測(ce)(ce)(ce)量值(zhi)都是(shi)有(you)效(xiao)的，沒有(you)出現錯誤點(dian)（偏離正弦(xian)曲線(xian)較大的點(dian)），整體(ti)測(ce)(ce)(ce)量結(jie)果穩定，在(zai)幅(fu)度和(he)頻率上都很(hen)好(hao)地體(ti)現了(le)目標的運動(dong)情況(kuang)。從(cong)局部放(fang)大圖(tu)中可(ke)以(yi)(yi)(yi)看到，測(ce)(ce)(ce)量結(jie)果很(hen)好(hao)地符合(he)正弦(xian)波形(xing)，在(zai)行程(cheng)為(wei)1μm的振動(dong)過(guo)程(cheng)中有(you)多達6個(ge)有(you)效(xiao)值(zhi)，在(zai)極(ji)值(zhi)點(dian)處相鄰兩次(ci)測(ce)(ce)(ce)量結(jie)果可(ke)以(yi)(yi)(yi)小(xiao)于20nm。

　　同時從圖3（a）中還(huan)可以(yi)看出，測(ce)量(liang)結果波(bo)形的(de)(de)上(shang)沿（由(you)(you)正(zheng)弦的(de)(de)最(zui)大值(zhi)組成）和下沿（由(you)(you)正(zheng)弦的(de)(de)最(zui)小值(zhi)組成）都存在一(yi)定程度的(de)(de)波(bo)動(dong)，而且波(bo)動(dong)范圍(wei)大約為200nm。這跟目標(biao)靜(jing)止(zhi)時的(de)(de)測(ce)量(liang)結果有很好的(de)(de)一(yi)致性。而待測(ce)鏡、激光器(qi)安裝件等器(qi)件的(de)(de)機(ji)械(xie)震動(dong)，以(yi)及空氣擾動(dong)等，都會使得(de)待測(ce)距離出現微(wei)小的(de)(de)隨機(ji)變化。

　　?高壓(ya)放(fang)大器(qi)推(tui)薦：ATA-4051

　　圖：ATA-4051高壓功率放大器指標參數

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