飞秒激光光学频率梳装置

“飞秒激光光学频率梳装置”（简称“飞秒光梳装置”）可用于对时间、频率和长度的超高精度测量，在导航定位、引力波探测、光通信等领域有着重要的作用。由中国计量科学研究院承担的科技部科技基础性工作专项基金项目“飞秒激光光学频率梳的研究”，9月12日通过了由国家质检总局组织的成果鉴定。     

用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳

近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺铒(Er)光纤光学频率梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学 频率测量领域,在长度测量、精密光谱分析、超低相位噪声微波频率产生、精密时间频率传递、温度测量等领域发挥出越来越重 要的作用,已成为许多高端科研领域的基础性工具。 但飞秒光学频率梳所解决的重要问题是对激光频率进行测量。 本文主要 面向激光频率参数测量的需求,研制基于掺 Er 光纤飞秒激光器的光学频率梳,在实现光学频率梳稳定运转的前提下,通过非线 性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺 Er 光纤光学频率梳的中心波长向各个待测激光波长的转换,并完成与多个不同波长 激光的拍频信号探测。 目前已验证的飞秒光梳可测频率范围为 500 ~ 2 000 nm;频率稳定度和准确度为 10 -16 量级;线宽为 Hz 量级。 该指标满足了激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供了基础性的测量工具。     

一种基于飞秒光频梳频域干涉的绝对测距方法

飞秒光频梳(光梳)在激光测距领域有着重要应用。本文研究基于飞秒光频梳的频域干涉绝对测距技术,提出了一种新的基于傅里叶变换的频域峰值间隔测距方法,分析了测距原理并进行了多组绝对测距实验。实验结果表明通过频域峰值间隔测距可以实现绝对测距,被测距离1.2 mm时测距精度最高,最大误差?12 nm。在光谱的分析处理上,提出一种基于复小波变换的相位斜率测距的方法。结果表明相位斜率测距法可以实现距离信息的提取,在被测距离1.2 mm时测距精度最高,最大误差?16 nm。最后与经典傅里叶分析法进行了比较,比较结果表明频域峰值间隔测距法得到的实验结果精度好于相位斜率测距法和傅里叶分析法。     

He-Ne激光的波长检测及稳频技术——激光干涉仪技术综述之二

介绍了He-Ne激光的稳频原理及波长检测方法,分析了Lamb凹陷、纵向塞曼、横向塞曼及双纵模等几种典型的稳频系统的技术特点。     

镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工

飞秒激光平面螺旋钻孔策略在灵活性、精度和工艺效率方面具有许多优势,可满足某型号航天发动机供油喷嘴直通孔的加工精度需求。因此,本研究采用飞秒激光平面螺旋钻孔方式,系统研究了激光功率、单层进给量、单层扫描时间、离焦量以及脉冲重复率之间的作用关系及对钻孔质量的影响。结果表明,离焦量对入口孔径的影响最为明显;对出口孔径和锥度影响较大的参数为功率以及进给量;对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述影响规律进行调整,本实验成功在厚度为1.5 mm的GH3044板材上制备出孔径为390μm的通孔,出口入口孔径误差小于0.6μm、锥度小于0.5°。通过统计不同参数下微孔内壁粗糙度变化规律并以此对参数进行调整,有效地将孔壁粗糙度降低至Sa 0.6μm,满足工艺要求。孔壁形貌分析表明钻孔质量优良,随激光脉冲重复频率增加,孔壁附近组织逐渐粗化,但均无明显重铸层或热影响区,能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。本研究为后续追求高雾化效果的异形孔的制备提供了理论依据。     

可降解心脏支架的飞秒激光精密加工

以激光精密加工金属血管心脏支架生产工艺为基础,探索了可降解心脏支架的飞秒激光精密加工方式。利用飞秒激光的超短脉冲和超高峰值功率的特性,实现了以聚乳酸(PLA)为材料的可降解心脏支架的激光精密加工。设计了椅形衬套,稳定了激光焦斑位置,分析得出了最佳衬套离焦距用于配合飞秒激光精密加工。通过调试工艺参量,解决了由于材料本身特性引起的切缝边缘易炭化和加工过程中由于离焦量和焦斑位置准确度不稳定导致不能精密加工的问题,实现了对非金属可降解心脏支架的无热精密加工。说明了飞秒激光配合椅形衬套加工非金属血管支架的可行性,确定了最佳加工参量,加工出了无热损伤切边光滑筋宽一致性为±6μm的可降解心脏支架样品。     

我国研制高功率光纤飞秒激光技术获成果

正近日,中航工业计量所重点实验室的飞秒激光课题组成功研制1.03μm掺镱光纤飞秒激光器和1.55μm掺铒光纤飞秒激光器。这标志着计量所在腔内色散补偿光纤激光技术方面达到了国内领先水平,也为实现小型化便携式的飞秒激光频率梳奠定了良好的开端基础。光纤飞秒激光器以其小型化、便携化、风冷却、低成     

太赫兹双梳光谱中重复频率差影响的研究

太赫兹双梳光谱技术因其高频率分辨率和高灵敏度等优点,近年来成为一种有力的光谱测量技术。为了提高光谱系统的探测性能,本文分析了双梳光谱技术在时域和频域中的采样原理及方法,基于两台飞秒激光器搭建了一套重复频率可调的太赫兹双梳光谱系统。通过改变一台光频梳的重复频率,系统地研究了不同重复频率差对太赫兹双梳光谱系统性能的影响。结果表明有效范围内的重复频率差越小,探测到光谱质量越高。当重复频率差为10 Hz时,太赫兹双梳光谱系统的探测性能最佳。此研究为太赫兹双梳光谱技术选择最合适的重复频率差提供了方法。     

飞秒激光烧蚀不锈钢的实验研究

进行了飞秒激光烧蚀不锈钢(SUS420)的工艺实验研究。采用波长为780nm,脉宽为164fs,频率为1k Hz的飞秒激光照射不锈钢。对比分析了长短脉冲激光烧蚀不锈钢的作用过程,计算了单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值和烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数,研究了不同激光参数烧蚀不锈钢的工艺规律。结果表明:飞秒激光烧蚀金属材料的过程中对加工区域周围具有较小的热影响;单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值为0.25J/cm2,烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数为0.68;飞秒激光脉冲能量对烧蚀孔孔径的增加比较明显,脉冲数量对烧蚀孔孔深的增加比较显著。     

中空双螺旋微机器人的飞秒激光动态全息高效加工

为了实现微机器人的快速批量制造,提出一种飞秒贝塞尔光束叠加干涉方法生成带侧瓣的环形光场,并结合动态全息加工术实现了中空螺旋微机器人的高效制造。对根据贝塞尔传输函数生成的贝塞尔全息图进行叠加,并对产生的光场进行仿真和实验测量。利用叠加的全息图加工得到具有不同侧瓣数目(2～4)的环形结构,分析了两种不同参数对侧瓣宽度和圆环直径的影响。通过引入动态全息加工方法,实现了中空双螺旋微机器人的高效快速加工,微机器人宽为25μm、长度为100μm。最后,利用旋转磁场驱动微机器人在微流体环境实现运动。实验表明,加工单个微机器人仅需6 s,旋转磁场下微机器人在7 s内沿直线前进400μm。该动态全息方法能够快速制备出中空双螺旋微机器人并实现无线磁驱动,为批量制造具有运载能力的磁驱微机器人提供了一种新的途径。     

脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量

考虑时间间隔测量对脉冲激光测距系统的意义,提出了一种新的高精度时间间隔测量方法.该方法在现场可编程门阵列(FPGA)中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合.采用脉冲计数法对被测时间间隔进行"粗值"测量,保证大的动态测量范围.利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N.利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化.该方法解决了传统多相采样技术中由于倍频次数高导致相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率.测试结果表明,该时间间隔测量模块的动态测量范围为163.8 μs,测时过程相对较短,当进行多次重复测量时,测量的标准误差在71 ps以内,基本满足实际应用的精度要求.     

基于时域可区分特征的双飞秒激光多目标绝对距离测量

伴随当前航空、航天、大型科学仪器智能制造场景下多环节、多过程、多装备制造工艺与制造信息不断融合优化,正推动长度测量需求从传统局部、单参数、离线、分时测量快速转变为全局、多目标的在线、实时、同步测量,现有激光测距方法受到原理限制,在精度、实时性与并行能力等方面面临瓶颈。本文提出了一种基于飞行时间法的双飞秒激光多目标绝对距离测量系统,设计特定的光纤分束方案,使飞秒激光光源同时到达多个目标,并构造时域可区分特征匹配多组脉冲,携带距离信息的脉冲经强度互相关模块后进入FPGA数据处理单元,实现多路绝对距离的实时解算,并完成系统的集成化设计。实验表明系统在2 kHz的更新速度下阿伦偏差评定的测量精度优于10^-5 m,与干涉仪对比的测距偏差小于4μm,在此基础上,搭建平行光路结构实现多自由度的同时测量,测量偏差优于5″。     

Phase-shifting interferometer using a frequency-tunable diode laser calibrated by an optical frequency comb

We present a phase-shifting interferometer based on a frequency-tunable diode laser calibrated by an optical frequency comb and the Carre? algorithm. By use of the frequency control strategies of locking the diode laser to different comb modes and scanning the repetition rate, an arbitrary single optical frequency synthesizer is obtained. The relative laser frequency uncertainty is 5.7 × 10(-12) for 1 s averaging time with tracing to an Rb clock and accurate phase steps are achieved by optical frequency tuning. The surface topography of a standard sphere is measured by this phase-shifting interferometer based on a flat reference. The phase measurement repeatability is λ∕200. With this technique, phase measurement uncertainties from the laser frequency and phase steps are negligible.     

High precision optical fiber alignment using tube laser bending

In this paper, we present a method to align optical fibers within 0.2 μm of the optimal position, using tube laser bending and in situ measuring of the coupling efficiency. For near-UV wavelengths, passive alignment of the fibers with respect to the waveguides on photonic integrated circuit chips does not suffice. In prior research, it was shown that permanent position adjustments to an optical fiber by tube laser bending meets the accuracy requirements for this application. This iterative alignment can be done after any assembly steps. A method was developed previously that selects the optimal laser power and laser spot position on the tube, to minimize the number of iterations required to reach the target position. In this paper, that method is extended to the case where the absolute position of the fiber tip cannot be measured. By exploiting the thermal expansion motion at a relatively low laser power, the fiber tip can be moved without permanent deformation (only elastic strain) of the tube. An algorithm has been developed to search for the optimal fiber position, by actively measuring and maximizing the coupling efficiency. This search is performed before each bending step. Experiments have shown that it is possible to align the fiber with an accuracy of 0.2 μm using this approach.     

基于多激光传感器的高精度三维在线测量技术

在外界干扰条件的影响下,传统方法存在测量周期长、精准度低的问题,为此提出了基于多激光传感器的高精度三维在线测量技术.以三维在线测量原理为依据,通过参数标定将三维在线测量与多激光传感器进行拟合,并通过空间高斯滤波方法实现激光线图像处理.经过处理后,激光线的连续性大大提高,高斯曲线更趋于平滑.在此基础上寻找激光线的中心点,...     

基于激光对刀仪的高精度在位测量及补偿方法

球型砂轮在位修整前后的直径变化将导致理想与实际的磨削轨迹之间出现位置偏差,造成加工误差,因此在超精密磨削加工前获取该变化信息是十分有必要的.针对于此,提出了一种球型砂轮在位测量方案,包括搭建基于激光对刀仪的在位测量系统以及设计在位测量步骤,并针对该方案存在的系统误差进行分析,抽象出了激光对刀仪安装误差模型,结合齐次坐标...     

利用热敏电阻精确测量DFB激光器动态结温度

半导体激光器结温度的测量对于其温度控制和特性研究非常重要。基于对激光器的结构和热电等效模型的研究,建立半导体激光器组件中激光器芯片和热敏电阻的数学模型,利用热敏电阻实时监测激光器在热动态过程中的结温度。以气体吸收谱线的波长验证了模型的正确性,实现激光器结温度预测不确定度约为0.01 K。还利用此方法测量了电流调谐过程中动态结温度,在一个锯齿电流扫描周期内结温度变化量为0.044 K。基于热敏电阻预测激光器结温度无需附加额外测量装置,其精度不受环境温度和TEC电流的影响,适合于原位、在线激光系统,也可应用于激光器组件热学性能的研究。     

高精度铂电阻测温系统

普通四线制铂电阻测温系统受恒流源长短期漂移、导线热电动势影响,其测量准确度难以超过0.1℃量级。本文分析了一种改进型4线制高精度铂电阻测温方法的原理误差,并设计了相应的高精度铂电阻测温系统。采用温度系数小、阻值稳定性好的参考电阻作为铂电阻阻值测量基准,消除了恒流源长期漂移引起的铂电阻测温误差;分别在正、反向恒流激励条件下测量了铂电阻上的电压,利用导线热电势大小与方向的短期不变性,对得到的两电压量求差以消除导线热电势的影响;通过半导体致冷器（TEC）控制恒流源温度来减小恒流源的短期电流漂移,进而减小其对铂电阻测温精度的影响;设计了精度高、阶跃响应速度快的分时复用式电压信号采集单元用来高精度地测量铂电阻和参考电阻上电压量的比值。等效实验和校准实验结果表明,高精度铂电阻测温系统的测量稳定性优于0.005 ℃/10 day,测量分辨力优于0.005 ℃,测量准确度为0.02 ℃（k=2）,满足超精密激光干涉测量系统提出的高精度温度测量需求。