基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量

　　0 引 言

　　长度(距离)是七大基本物理量之一，对于长度的精确测量在科学和技术方面都具有十分重要的意义。自从迈克尔逊于 1887 年第一次提出使用光学干涉进行长度测量以来，随着人们在测量精确度和范围方面的需求不断增长，基于光波波长的光学长度度量学得到稳定快速地发展。1983 年提出的米的国际单位制(SI)定义，米是光在真空中 1/299 792 458 s 的时间间隔内传播的路径长度[1]。这个长度定义是基于光速在真空中是恒定且有限的，这意味着用于长度度量的任意发射物的光学频率需要可追溯到标准时钟， 因此我们必须要很精确的知道所使用的波长，即该波长具有极好的不确定度。目前，使用光学频率梳，已经取得了精确频率和时间测量的重大突破，促进了下一代光 学时钟的发展。因此，对飞秒激光器光学频率梳的研究，促进了许多科学和技术的进步，由于在物理定义的时间和长度之间的相互关系，长度计量领域也不例外。飞 秒脉冲激光器的出现已经在许多方面促进光学长度度量的提高。早在 2000 年，Minoshima 等人首次提出了采用飞秒激光脉冲进行绝对长度测量的创新概念[2]。Minoshima 等人通过测量一个飞秒激光器的脉冲重复频率及其高次谐波的相位变化，在日本国家计量研究所实验室310 m长地下光学隧道演示了长达240m 的绝对长度测量，取得了 50 μm 的测量分辨力。2004 年，叶军通过调节脉冲重复率达到重叠两个干涉脉冲的绝对长度测量的相干干涉法，原则上可以测量任意长的绝对长度，测量精度可以达到纳米量级[3]。 2006年，Joo等人报道了依靠一个飞秒脉冲光谱的色散干涉成功地测量了一块玻璃片的厚度，分辨力为30 nm[4-5]。

　　同年，Jin 和 Hyun 等人分别报道了使用飞秒脉冲激光器测量绝对距离的多波长干涉新方法[6-7]，将外腔半导体激光器调谐到一个预先选择的光梳模式，得到定义明确的准单色激 光束，完成了多波长干涉，测量长度在 1.195 m 情况下，综合不确定度仅为 17 nm。2006 年，Schuhler 和 Salvadé 等联合报道参考频率梳的多波长源和一个用于动态绝对距离测量的超外差探测方案[8-9]。该方法可以达到任意长距离优于 10-7的相对不确定度。2009 年 6 月，美国 NIST 的 Coddington 等以编队飞行测量、合成孔径地外探测和工业大尺寸测量为背景，实验论证使用一对频率梳，能够提供满足未来航天任务需求的分辨力、速度和大非模糊范围的卓越 结合的一个多电外差技术[10]。2009 年，Cui 等人报道通过分析从一个稳定的频率梳激光器发出的脉冲之间的互相关，实现在空气中高达 50 m 的距离测量[11]。2010 年，Lee 等人通过使用光学互相关技术锁相控制脉冲的重复频率的定时飞秒脉冲，创新地提高飞行时间技术的精确度到纳米量级[12]。