前言
长度是国际单位制下的七个基本物理量之一。用光学方法测量长度有着悠久的历史。早在1887年，迈克耳孙就首次提出使用光学干涉仪来测量长度量，以光波长为测尺，分辨力可以达到纳米（nm，10−9 m）量级。20世纪60年代末，在梅曼发明激光器不到十年的时间内，人类就利用一台纳秒（ns，10−9 s）脉冲激光器演示了地月飞行时间测距。激光方向性好，相干长度长，亮度高，基于激光的测距方法可以获得高精度、高空间分辨力及远测程。激光测距极大地推动了雷达技术、精密制造、遥感测绘、纳米技术、航空航天、自动驾驶等各个学科与工业领域的发展，在国民经济和国防建设中起到举足轻重的作用。
进入21世纪以来，先进制造、空间技术的日新月异对距离测量的精度与尺度都提出了新的挑战。激光雷达中常用的纳秒激光脉冲飞行时间测距可以实现大尺度的绝对测量，然而，距离精度只能达到厘米量级。光学干涉测距能够达到纳米量级的测量精度，但作为增量式测量方法，不能获得绝对距离。超短脉冲激光技术的创新为颠覆传统的激光测距原理带来了转机。
更高精度的脉冲飞行时间测距依赖更窄的时间快门技术。美国加州理工学院的A.Zewail教授由于利用飞秒（fs，10−15 s）激光器在人类历史上首次拍摄到化学键断裂的过程，而被授予1999年诺贝尔化学奖，他的这一成果展示了飞秒激光器构造的超快时间快门的巨大价值，而其影响也没有局限在化学领域。光在1 fs的时间内仅传输300 nm，利用飞秒时间快门开展脉冲飞行时间绝对测距，直接将千米量级量程的测距精度提升至纳米量级，比传统的纳秒激光雷达提升了6个数量级。
2005 年，德国马克思-普朗克研究所的 T.Hänsch 和美国国家标准局的J.L.Hall因为利用飞秒激光频率梳实现绝对光频测量的开创性工作，获得诺贝尔物理学奖。这项成果同样对长度测量产生了深刻影响，这是因为在国际单位制下，长度量“米”是由光学波长复现的。光学频率梳是飞秒激光脉冲序列在光谱域的呈现形式，由等间隔排列的相干单频光构成，利用这些波长严格已知的单色波进行合成波长干涉测距，在保持纳米量级的测量精度的同时，极大地拓展了测量量程，并使得测量值在线溯源至时间-频率基准。
可见，飞秒激光这种独特的时间-频率特性为激光测距理论的创新注入了新的活力。尤其是近年来，各项新的测量原理如井喷一样报道出来，测量精度记录不断被刷新。由于长度测量对国家工业体系的重要支撑作用，飞秒激光绝对测距技术在国内同样引起了高度重视，至少有二十余家科研、工业单位已经投入相关研究。笔者也曾承担国家高技术研究发展计划（863计划）课题，面向微小卫星组网实现天基稀疏综合孔径成像，开展了基于飞秒激光绝对测距的星间高精度基线测量的预研。
随着飞秒激光绝对测距原理的日臻完善，百花齐放的全面应用时代即将到来。可以预见，飞秒激光绝对测距技术将会为卫星编队飞行、分布式合成孔径雷达（SAR）等天基遥感探测任务，大尺寸、多点位工业测量，微电子、微机械器件的三维面型测量等领域带来突破。这些应用场景的共同特点都是依赖大范围、高精度、可溯源的绝对测距技术，是飞秒激光绝对测距施展能力的最佳舞台。除此之外，一些更前沿的发展趋势同样值得关注。2018年，美国Science杂志同期报道了两篇微腔频率梳的绝对测距演示，这意味着，未来基于光子芯片的光学频率梳测距可能应用到车载激光雷达、智能传感等各个领域。
随着飞秒激光测距技术的受关注程度不断提高，应用范围不断延伸，迫切需要一本中文参考书，为相关科研人员、工程技术开发者系统地介绍这项先进技术的基本原理、技术路线及发展趋势，这是笔者编写本书的初衷。
本书共11章。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，按照飞秒激光与光学频率梳的各项光学性质（如窄脉宽、分立光谱、线性啁啾等）实现的测距原理划分章节，内容依次为飞秒激光脉冲飞行时间绝对距离测量、合成波长绝对测距、双光梳绝对距离测量、调频连续波绝对测距、光谱干涉测距、位移测量与应变传感等；接着，介绍飞秒激光测距中的折射率修正技术、新的距离解算算法；最后，展望飞秒激光绝对距离测量的前沿应用。
本书是在我国飞秒激光技术的奠基人（也是笔者的恩师）王清月教授的建议下开始编写的，王清月教授在飞秒激光器诞生后的当年（1981年），就曾在国际上首次演示了飞秒激光飞行时间测距的原理，老一辈科学家的高瞻远瞩让人敬佩。电子工业出版社的曲昕编辑让笔者认识到这本书的需求，坚定了完成书稿的信心。本书同时得到了天津大学超快激光研究室主任胡明列教授的大力支持。在撰写过程中，本课题组的在读和已毕业研究生提供了大量的帮助。他们的贡献如下：第2章师浩森、田昊晨，第3章秦鹏，第5章师浩森、武子铃、梁飞，第10章曹辉、于佳禾，第11章张亚静。此外，皮一涵、史伊伊、王春泽、薛睿参与全稿的校对。书稿完成后，上海航天技术研究院的陶坤宇研究员、中国计量科学研究院的方占军研究员提出了宝贵而有建设性的建议。
写作的过程虽然艰辛，但也充满了乐趣。笔者发现，飞秒激光测距技术就像一棵正在茁壮成长的树苗，每一项新的技术和前沿应用突破都像一个新的枝杈，希望通过本书抛砖引玉，为这棵小树苗成长为参天大树略尽绵薄。
宋有建
2021年11月 于 天津大学