3.2.3　减小测量死区的技术手段

在基于非平衡式迈克耳孙干涉仪的飞秒激光频率梳绝对测距装置中，为了实现参考脉冲与测量脉冲的干涉，两臂的臂长差必须设定为激光器的重复频率的整数倍附近，否则脉冲无法时域交叠，从而观察不到干涉信号。为了解决这一问题，通常需要调谐激光器的重复频率frep或者调谐参考臂的长度，如果调谐范围有限，则会产生极大的测量死区。

假设干涉仪两臂的光程差为，为测量光路的群折射率，激光器的脉冲重复频率为frep，当时，两臂返回的脉冲正好完全重合。此时，考虑待测目标移动了，为了使两臂返回的脉冲再次重合，重复频率的调谐量Δfrep需要满足

（3-4）

不难看出，待测距离越远（m值越大），对于相同的距离变化量，所需的重复频率调谐范围越小（按照1/m的比例减小），类似于“杠杆效应”。假设激光器的重复频率frep=53.4 MHz，等效腔长c/ frep=5.6m，考虑到“杠杆效应”，当两臂的光程差约为157 m（m=28）时，重复频率的调整范围Δfrep仅需达到1 MHz（frep的1.9%），就能避免测量死区。然而，当两臂的光程差约为2.8 m时，则需要使激光器的重复频率增倍（腔长减半），才能使目标返回脉冲与参考脉冲干涉。

利用飞秒激光频率梳进行条纹分辨的绝对测距，在待测目标距离较近的情况下，更容易出现测量死区。这一问题可以利用非平衡式迈克耳孙干涉仪的“杠杆效应”解决[6]。具有长参考臂的光学频率梳干涉仪如图3-6所示，当待测目标的距离较近时，可以通过增长参考臂的长度，比如在参考臂上引入一段长光纤，从而在飞秒激光器的重复频率的调节范围受限的情况下，利用“杠杆效应”避免测量死区，实现任意长度的高精度绝对测距。

图3-6　具有长参考臂的光学频率梳干涉仪‎[6]

该技术方案的难点在于如何保持参考臂光路的光程稳定性。利用长光纤作为参考光路，虽然结构紧凑、损耗低，但是由温度变化、应力等引起的光纤链路的光程随机变化会引起干涉信号的不稳定，从而增加飞行时间提取误差。超短激光脉冲在一段300 m的光纤链路上的渡越时间的随机波动如图‎3-7所示，当超短激光脉冲在一段300 m的光纤链路中传输时，如果没有任何主动补偿机制，在实验室的环境下，在光纤中的飞行时间每100 s就能够产生4 ps的漂移，对应的光程随机变化为毫米量级，完全不适于作为测距干涉仪的参考臂。

为了解决这一问题，需要主动补偿光纤链路的随机光程起伏，日本电气通信大学的N.Yoshiaki等由此设计了如图3-8所示的光频梳干涉仪[6]。实验装置中包含两个马赫-泽德型光纤干涉仪，分别称为主干涉仪和监测干涉仪。主干涉仪（上方框）以一台中心波长为1 560 nm的飞秒激光频率梳为光源，用于测距，重复频率为53.4 MHz。监测干涉仪（下方框）以单频激光器作为光源，用于稳定参考光纤链路。

图‎3-7　超短激光脉冲在一段300 m的光纤链路上的渡越时间的随机波动

图3-8　光纤链路噪声主动补偿的光频梳干涉仪

主干涉仪的测量臂长约0.9 m，参考臂由一段长保偏单模光纤和色散补偿光纤构成，参考臂的净色散量约为零，可以避免超短脉冲传输过程中由于群速度色散引起的脉冲展宽。在参考臂中同时插入声光调制器（AOM），利用压控振荡器提供77 MHz的调制频率。参考光路与测量光路合束后，由光电探测器接收77 MHz载波频率下的外差干涉信号，以另一个超稳晶振产生的77 MHz的射频信号作为参考，在锁相放大器中提取其相位差，即可得到脉冲飞行时间信息。

主干涉仪的参考臂的随机光程起伏通过监测干涉仪测量及补偿。监测干涉仪使用的单频激光器通过一台光学频率梳参考至铷原子钟，经同一个AOM频移后，通过同一段色散补偿的参考光纤链路传输，与监测干涉仪的另一臂的光场干涉，利用PD2光电探测，从而将长光纤链路中引入的随机相位波动转化为干涉信号的强度波动，通过伺服系统反馈至压控振荡器，驱动AOM，利用AOM的衍射效应产生与随机相位波动的符号相反的光场相移，实现参考光纤链路的光程稳定‎[12～17]，残余的相位误差由锁相放大器接收。

为了检验光纤链路主动光程补偿的效果，在参考光纤链路为168 m（m=30）和342 m（m=61）的情况下，测试光频梳干涉测距装置的短期稳定性。在光纤链路的主动光程补偿系统开启的情况下，168 m和342 m的光纤链路的光程随机波动的标准差分别仅为0.9 nm和1 nm。以这两段光纤作为参考臂，利用主干涉仪进行测距，干涉外差信号呈现出优异的稳定性，通过推算的的稳定性分别达到15.7 nm和11 nm。由于采用了主动消除链路噪声的长光纤作为参考臂，可以实现任意长度、高准确度的飞秒激光频率梳条纹分辨的绝对测距。