飞秒光学频率梳绝对距离测量

飞秒光学频率梳（也称光频梳、光梳）利用频率值溯源到原子钟频标的飞秒锁模激光产生一系列频域上等间隔的频率梳齿，将光频域的激光频率转化为射频域的微波频率测量，从而使得直接绝对测量激光频率成为可能。此外飞秒光学频率梳在时间上为飞秒量级的极窄脉冲序列，具有极高的时间分辨力，因此在其他物理量的精密测量中也有着重要的应用。其中飞秒光学频率梳以其优异的时频特性能够结合多种绝对测距原理，诞生了多种绝对距离测量新方法[6-7]。

2000年，日本电气通讯大学的K. Minoshima教授首次提出了利用飞秒脉冲模间拍的合成波长法进行测距。利用飞秒激光脉冲在频域上多纵模特性，不同纵模之间可以在光电探测单元上产生光学拍频，通过电学滤波器可以将重复频率不同整数倍的拍频滤出，利用不同模间拍组成合成波长链并通过逐级鉴相的方法对待测距离进行求解。通过选用约为1 GHz的模间拍对240 m的距离进行测量，相对测量精度为8×10−6，同时尝试用双色法进行空气折射率的自校正，后续又搭建了10 GHz模间拍的绝对测距仪[23]。

2004年，美国天体物理联合实验室JILA的叶军教授首次提出了将飞行时间法和条纹相干法相结合的飞秒脉冲时域互相关测长方法。飞秒激光在分光镜处分成两部分：一部分入射到参考臂并被参考镜反射；另一部分入射到测量臂并被测量镜反射，记录飞行时间以测量待测距离。两光束在分光镜处合束，通过扫描参考臂或改变脉冲重复频率的方法，由时域互相关探测得到测量图样并通过飞行时间和条纹解算求解待测长度[24]。按照不同的时域互相关探测方式，可分为一阶互相关方法[25-26]、二阶互相关方法[27-28]及平衡互相关方法[29]。

当飞秒脉冲的载波包络偏移频率同样锁定在原子钟频标时，每个稳定的频率纵模均具有频率溯源性。以飞秒光学频率梳作为测量光源的多波长测长方法分为两种形式：一种方法是将单频激光器锁定到飞秒光学频率梳的梳齿上，利用多个稳定锁定的单频激光器作为测量光源进行测量[30]；另一种方法是将飞秒光学频率梳的单个或多个光学梳齿滤出，通过光学放大之后组成多波长链对待测距离进行测量[31]。

光谱干涉方法同样利用飞秒脉冲的多纵模相干拓展测量的最大非模糊范围，该测量方法仅通过探测端扫描光谱探测光栅，在测量环节没有扫描机构。通过对光谱干涉图样进行傅里叶变换，可以在伪时域上得到测量光路和参考光路的光程差信息，通过对滤波信号进行逆傅里叶变换和相位解包裹可以计算得到待测长度[32-34]。