實驗名稱：基于平衡光學互相關的飛秒激光測距實驗

測試目的：講述了基于平衡光學互相關的飛秒激光測距實驗，包括實驗系統的組成和測距實驗過程，并對實驗測量結果進行分析，討論其中的誤差和可能存在的問題。最后對這種測距方法進行了總結。

測試設備：高壓功率放大器、信號發生器、飛秒激光器、偏振分束器、隔離器等。

實驗過程：

圖1：基于平衡互相關的飛行時間法測距實驗系統

根據測距原理對激光器的要求，搭建了基于非線型偏振旋轉和半導體可飽和吸收鏡共同鎖模的飛秒激光器作為測距光源。該激光器采用σ結構諧振腔，將起腔鏡作用的SESAM粘在壓電陶瓷的自由伸縮端上，如圖1右半部分所示，并且將起耦合作用的準直器固定在電動平移臺上，從而實現對激光器重復頻率更大范圍的調節。

波長為980nm的二極管激光器將泵浦光經波分復用器注入進高濃度的摻Er3+增益光纖，放大后的泵浦光通過偏振分束器（PBS）、波片組和透鏡后聚焦到SESAM上，利用SESAM的可飽和吸收效應實現鎖模，形成的鎖模脈沖序列再被SESAM反射經過隔離器（ISO）后耦合進入光纖，實現諧振腔的周期性循環，其中部分飛秒激光脈沖被PBS輸出。

激光器震蕩級輸出的飛秒脈沖序列的重復頻率為203.4MHz，中心波長在1550nm，平均功率可達到30mW，可滿足測距實驗需求，無需放大。在接收端，平衡探測器將得到的電信號反饋給比例積分伺服系統，它包括PI控制器和高壓功率放大器。PI控制器根據反饋的誤差信號計算出需輸出的控制信號，經高壓功率放大器放大后給PZT，實現將待測距離鎖定到腔長的整數倍上。

圖2：強度平衡互相關信號

當待測目標以鎖定點為中心隨步進電機做簡諧振蕩時，產生的平衡互相關信號如圖2所示。從圖中可以看出，倒‘S’型曲線中間部分具有很好的線性度。從而保證了鎖定時系統具有最高的靈敏度。實驗使用比例積分伺服系統根據該線性部分的電壓值來反饋控制腔內PZT的伸長量，從而實現對腔長的調節，最終將待測距離鎖定到腔長的整數倍上。受PZT的響應帶寬限制，系統環路的鎖定帶寬為1kHz。

實驗結果：

圖3：動態距離測量結果。（a）4s時間內連續測量結果；（b）0.5s局部測量結果

為了驗證該測距系統的實時性和精確度，通過使用一臺信號發生器輸出10Hz的正弦信號控制壓電陶瓷和目標反光鏡做幅度為1微米的簡諧振蕩，仍使頻率計數器以100Hz的速率測量激光器重復頻率，經計算得到的距離測量結果如圖3（a）所示，取前50組數據作局部圖如圖3（b）所示。

從圖3（a）圖中可以看出，在連續測量時每個測量值都是有效的，沒有出現錯誤點（偏離正弦曲線較大的點），整體測量結果穩定，在幅度和頻率上都很好地體現了目標的運動情況。從局部放大圖中可以看到，測量結果很好地符合正弦波形，在行程為1μm的振動過程中有多達6個有效值，在極值點處相鄰兩次測量結果可以小于20nm。

同時從圖3（a）中還可以看出，測量結果波形的上沿（由正弦的最大值組成）和下沿（由正弦的最小值組成）都存在一定程度的波動，而且波動范圍大約為200nm。這跟目標靜止時的測量結果有很好的一致性。而待測鏡、激光器安裝件等器件的機械震動，以及空氣擾動等，都會使得待測距離出現微小的隨機變化。

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審核編輯 黃宇