基于窄线宽激光器锁定的双光梳系统及其测距应用研究

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飞秒光学频率梳由于其脉冲宽度窄、光谱范围宽、纵模可分辨、重复频率稳定性高等优良的时频域特性,被广泛应用于精密测量领域。特别是将双光梳技术应用到绝对距离测量领域,真正把距离测量的三大要素——量程、精度和更新速度三者完美结合在一起。然而,两台普通光梳的简单组合无法满足高精度双光梳测距系统的实验要求,需要特殊的锁定方案来压缩光梳梳齿线宽,降低频域噪声。本文研究了相位锁定至窄线宽激光的双光梳系统,实现了低噪声且高相干性的双光梳,并搭建了双光梳绝对距离测量系统,进行了高精度的测距实验。本论文的主要工作概括如下:1.阐述了激光稳频应用中Pound-Drever-Hall方法的基本原理,并利用此方法在超稳Fabry-Perot腔中实现了两台不同波长(1542 nm和1560 nm)连续激光器的锁定,分别得到了具有Hz量级线宽的窄线宽激光器。2.研究并实现了一种相位锁定至窄线宽激光的双光梳系统。搭建了两台重复频率约为200 MHz、重复频率差约为17 k Hz的掺铒光学频率梳,利用窄线宽激光相位锁定的方法实现了低噪声且高相干性的双光梳系统。锁定后单台光梳可以获得赫兹量级的梳齿线宽,双光梳具有亚赫兹量级相对线宽的高相干特性。此双光梳系统可以用作双光梳技术应用中的光源,足以满足双光梳光谱分析以及双光梳干涉测距等精密实验需求。3.建立了双光梳测距系统的数值模型并实验搭建了双光梳绝对距离测量系统,同时提出了一种通过干涉图样时域叠加来提高测距精度的方法,数值模拟和实验结果相一致。本文通过傅里叶变换方法求解相位信息进行绝对距离的计算,在仅使用飞行时间法测距时测距精度约为4.88μm,经过干涉图样时域叠加后,测距精度可提高至295 nm。
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