实验名称：基于平衡光学互相关的飞秒激光测距实验

　　测试目的：讲述了基于平衡光学互相关的飞秒激光测距实验，包括实验系统的组成和测距实验过程，并对实验测量结果进行分析，讨论其中的误差和可能存在的问题。最后对这种测距方法进行了总结。

　　测试设备：高压功率放大器、信号发生器、飞秒激光器、偏振分束器、隔离器等。

　　实验过程：

　　图1：基于平衡互相关的飞行时间法测距实验系统

　　根据测距原理对激光器的要求，搭建了基于非线型偏振旋转和半导体可饱和吸收镜共同锁模的飞秒激光器作为测距光源。该激光器采用σ结构谐振腔，将起腔镜作用的SESAM粘在压电陶瓷的自由伸缩端上，如图1右半部分所示，并且将起耦合作用的准直器固定在电动平移台上，从而实现对激光器重复频率更大范围的调节。

　　波长为980nm的二极管激光器将泵浦光经波分复用器注入进高浓度的掺Er³⁺增益光纤，放大后的泵浦光通过偏振分束器（PBS）、波片组和透镜后聚焦到SESAM上，利用SESAM的可饱和吸收效应实现锁模，形成的锁模脉冲序列再被SESAM反射经过隔离器（ISO）后耦合进入光纤，实现谐振腔的周期性循环，其中部分飞秒激光脉冲被PBS输出。

　　激光器震荡级输出的飞秒脉冲序列的重复频率为203.4MHz，中心波长在1550nm，平均功率可达到30mW，可满足测距实验需求，无需放大。在接收端，平衡探测器将得到的电信号反馈给比例积分伺服系统，它包括PI控制器和高压功率放大器。PI控制器根据反馈的误差信号计算出需输出的控制信号，经高压功率放大器放大后给PZT，实现将待测距离锁定到腔长的整数倍上。

　　图2：强度平衡互相关信号

　　当待测目标以锁定点为中心随步进电机做简谐振荡时，产生的平衡互相关信号如图2所示。从图中可以看出，倒‘S’型曲线中间部分具有很好的线性度。从而保证了锁定时系统具有最高的灵敏度。实验使用比例积分伺服系统根据该线性部分的电压值来反馈控制腔内PZT的伸长量，从而实现对腔长的调节，最终将待测距离锁定到腔长的整数倍上。受PZT的响应带宽限制，系统环路的锁定带宽为1kHz。

　　实验结果：

图3：动态距离测量结果。（a）4s时间内连续测量结果；（b）0.5s局部测量结果

　　为了验证该测距系统的实时性和精确度，通过使用一台信号发生器输出10Hz的正弦信号控制压电陶瓷和目标反光镜做幅度为1微米的简谐振荡，仍使频率计数器以100Hz的速率测量激光器重复频率，经计算得到的距离测量结果如图3（a）所示，取前50组数据作局部图如图3（b）所示。

　　从图3（a）图中可以看出，在连续测量时每个测量值都是有效的，没有出现错误点（偏离正弦曲线较大的点），整体测量结果稳定，在幅度和频率上都很好地体现了目标的运动情况。从局部放大图中可以看到，测量结果很好地符合正弦波形，在行程为1μm的振动过程中有多达6个有效值，在极值点处相邻两次测量结果可以小于20nm。

　　同时从图3（a）中还可以看出，测量结果波形的上沿（由正弦的最大值组成）和下沿（由正弦的最小值组成）都存在一定程度的波动，而且波动范围大约为200nm。这跟目标静止时的测量结果有很好的一致性。而待测镜、激光器安装件等器件的机械震动，以及空气扰动等，都会使得待测距离出现微小的随机变化。

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