1.3　飞秒激光频率梳测距的发展现状

近年来，飞秒激光作为一种新型的宽带相干光源，被引入到距离测量领域中，可以实现传统的激光光源不能达到的测量精度与尺度要求，带来了距离测量领域的重大突破。飞秒激光由被动锁模技术产生。通过被动锁模，激光工作介质的增益光谱范围内的纵模之间建立固定的相位关系。纵模的相干叠加在时域上的表现是激光器周期性地输出超短激光脉冲。被锁定的纵模数量越多，时域脉冲宽度越窄。由此，我们可以给出锁模激光器的输出特性的物理图景。飞秒激光的时间-频率特性[10]如图1-13所示，时域上，激光器以谐振腔渡越时间为周期输出超短脉冲序列；光谱域上，呈现以自由光谱范围为周期，严格排列的相干单色纵模，称为光学频率梳（光频梳）[11]。

图1-13 飞秒激光的时间-频率特性[10]

在测距的应用上，时域上的超短脉冲的飞秒量级的时间分辨本领适合于飞行时间距离测量，宏观上，在大空间尺度（千米量级）实现纳米精度的绝对距离测量。而光频梳中的数以万计的相位相干的单色波等效于实现多波长干涉测量，在保持测量精度的同时极大地扩展了量程。而且，光学频率梳可以使得用于距离测量的光波长直接链接至时间—频率基准，使距离测量的误差追溯至铯原子跃迁频率，实现长度测量的量值溯源。这些都是飞秒激光区别于传统光源测距的独特特征，为工业与科研领域提供一种传统激光光源无法企及的高精度、高准确度的大量程测距手段。

国际上，在第一台飞秒激光器诞生不久的1981年，美国南加州大学就基于光学互相关原理首次展示了飞秒激光绝对测距[12]，当时正在美国南加州大学访学的天津大学王清月教授是主要完成者之一，回国后，他成为我国超快激光的奠基人之一。飞秒激光绝对测距真正引起重视始于2000年，日本国家计量院的K.Minoshima等人通过测量一个飞秒激光序列所对应的脉冲重复频率及其高次谐波的相位变化，演示了长达240 m的绝对长度测量，测量分辨力为50 μm[13]。2004年，美国国家标准局的叶军在理论上提出利用飞秒激光频率梳的高时间分辨本领与多波长干涉相结合的方案，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[14]。2009年，美国国家标准局的I.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，实验上演示了2004年叶军提出的测距理论，在1.5 m的测量窗口内实现百纳米量级的测距精度，能够追踪并锁定运动物体[15]。2010年，韩国科学技术院（KAIST）的J.Lee等人利用平衡光学互相关技术提取飞行时间，在0.7 km的野外测距实验中获得了150 nm的测量分辨力[16]。2014年，美国国家标准局的E.Baumann等人利用光学频率梳校准的调频连续波激光雷达（FMCM Lidar），实现了非合作目标的三维成像[17]。2018年，德国卡尔斯鲁厄理工学院、美国加州理工学院独立地展示了基于微腔光频梳的双光梳测量[18,19]，支持测量刷新率为数十兆赫量级的高速测量。

国内多家科研单位对于飞秒激光及频率梳技术的测距原理与应用做出了重要贡献[20-44]，提出了电光频率梳测距[35,44]、异步光学采样频率梳测距[21]、光学—微波相位探测的飞行时间测距[41]、啁啾频率梳光谱成像[38]等原理，以及飞秒激光光源噪声控制提升测距精度[23,24,42]等新技术和测量过程中的折射率修正[40]等新手段，展示了飞秒激光测距在新型激光跟踪仪[25]、工业现场的大尺寸、多点位、可溯源绝对测距网络[43]、编队卫星稀疏综合孔径成像[29]等领域的潜在应用。

本书在介绍必要的绝对测距技术、飞秒激光与光学频率梳的原理等基础知识之后，将以飞秒激光的独特的时间-频率性质为主线，阐述飞秒激光的不同性质赋予的不同的测距原理，包括：飞秒激光脉冲飞行时间绝对距离测量、飞秒激光频率梳合成波长绝对测距技术、双光梳绝对距离测量、飞秒激光调频连续波激光雷达、飞秒激光频率梳光谱成像方法、飞秒激光精密位移测量方法、大气测量环境中的折射率补偿问题。最后，还将介绍应用于飞秒激光绝对测距的新的距离解算算法，以及飞秒激光任意长度绝对距离测量的应用。