本發(fā)明屬于光學(xué)測量，具體地說，本發(fā)明涉及一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、激光雷達(dá)(lidar)技術(shù)，作為一種基于激光的光探測和測距手段，已成為工業(yè)和科學(xué)計(jì)量中不可或缺的高精度、遠(yuǎn)程和快速數(shù)據(jù)采集工具。盡管現(xiàn)有技術(shù)已取得顯著成就，但在擴(kuò)展測距范圍、提高測量精度和速度以及減小系統(tǒng)尺寸等方面仍面臨挑戰(zhàn)。光頻梳作為一種新型的激光源，通過在頻域產(chǎn)生一系列等間隔的梳齒，為精密測量領(lǐng)域找到了一種可用的工具。

2、雙梳方案通過相干疊加稍有失諧的頻率梳，將飛行時間(tof)測量與光學(xué)干涉測量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多外差檢測。盡管這種方法提高了測量的精度和分辨率，但其在實(shí)現(xiàn)高速采樣和系統(tǒng)小型化方面仍存在挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于光頻梳的方案已被證明是實(shí)現(xiàn)高速采樣的可行途徑，采集時間可低至500ns。但是，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高精度和超快采集的同時，難以滿足系統(tǒng)小型化和芯片級集成的需求。

3、光子集成技術(shù)的最新進(jìn)展，尤其是大規(guī)模納米光子相控陣的應(yīng)用，為快速高分辨率光束導(dǎo)向的超緊湊系統(tǒng)提供了新的可能性。然而，現(xiàn)有的雙梳激光雷達(dá)技術(shù)，依賴于諧振腔穩(wěn)定鎖模光纖激光器或基于光纖的色散管理方案，這些方案通常需要精細(xì)的調(diào)整和中間放大器，限制了其在集成光學(xué)微梳測速系統(tǒng)中的實(shí)用性。集成光學(xué)微梳測速系統(tǒng)是一種超高速精測高動態(tài)物體的傳感器系統(tǒng)，有2個重要影響參數(shù)：精度和靈敏度，其主要由諧振腔的模式體積和品質(zhì)因數(shù)決定，如何在滿足系統(tǒng)小型化和芯片級集成的前提下保持其高靈敏度和高精度是近年來一直想要突破的關(guān)鍵性問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中激光雷達(dá)技術(shù)在擴(kuò)展測距范圍、提高測量精度和速度以及減小系統(tǒng)尺寸等方面存在技術(shù)難題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，包括激光器、放大器、氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔、分束器、耦合器、環(huán)形器、光纖延遲器、光纖準(zhǔn)直器、待測目標(biāo)、光電探測器、光譜儀與高速信號處理單元；

3、激光器與放大器設(shè)有兩組，每組激光器與放大器分別相連，分兩束同時與氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔相連，

4、其中一束經(jīng)分束器一分為二；一束與環(huán)形器相連，依次與光纖延遲器、光纖準(zhǔn)直器、待測目標(biāo)相連，構(gòu)成目標(biāo)探測單元，另一束與耦合器相連，耦合后通過分束器又分成兩束，一束與光譜儀相連進(jìn)行光譜探測，另一束與光電探測器和高速信號處理單元相連，構(gòu)成待測的超高速光信號的處理模塊；

5、其中另一束經(jīng)分束器一分為二；一束與來自環(huán)形器的光束在耦合器處耦合后經(jīng)過光電探測器與高速信號處理單元相連，構(gòu)成對比單元模塊。

6、進(jìn)一步的，所述氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔提供兩個不同頻率間隔的克爾雙光梳，作為信號梳與本振梳，通過光纖布拉格光柵抑制殘余泵浦光后，激光信號經(jīng)一對放大器放大。

7、進(jìn)一步的，所述放大器用來放大微小的光信號；通過將泵浦光放大至高功率水平，確保氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔產(chǎn)生具有所需功率水平的頻率梳。

8、所述分束器用來將主路激光分成50：50的兩份；

9、所述耦合器用來將不同分路的光耦合在一起；

10、所述環(huán)形器通過阻止光路逆行來保護(hù)支路前儀器免受損；

11、所述光纖延遲器用于引入一個可控的時延，調(diào)整信號梳與本振梳之間的相對時間，以優(yōu)化高速檢測的性能；

12、所述光纖準(zhǔn)直器用于將微腔產(chǎn)生的克爾雙光梳轉(zhuǎn)換成平行光束，以便于傳輸和測量，在接收端，將從待測目標(biāo)反射回來的光束聚焦到光電探測器上，以提高信號的檢測效率；

13、光電探測器被用于測量信號梳和本振梳，它們分別接收從待測目標(biāo)反射回來的信號梳和本振梳；通過比較這兩路信號，系統(tǒng)能夠計(jì)算出光脈沖飛行的時間，進(jìn)而確定待測目標(biāo)的距離。

14、進(jìn)一步的，所述氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔，形狀為中心軸對稱圖形，分別有半徑大小不同的兩個楔形凸起，滿足通過兩個楔形凸起部位作為耦合點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)不同的回音壁模式的激發(fā)，通過精確控制產(chǎn)生所需的頻率梳。

15、進(jìn)一步的，所述氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔作為克爾雙光梳發(fā)生器，拍頻間距為100mhz到1ghz之間，采集時間處于1ns到10ns之間，距離采集速率在100mhz-1?ghz的范圍之間。

16、采用以上技術(shù)方案的有益效果是：

17、1、本發(fā)明提供的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，采用氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔作為克爾雙光梳發(fā)生器，相對傳統(tǒng)的光源，體積更小，微腔光頻梳可以做到小型化，對簡化測量系統(tǒng)具有顯著作用。相較于單頻梳技術(shù)，本發(fā)明簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了儀器的分辨極限，避免了復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，從而降低了成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。

18、2、本發(fā)明提供的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，拍頻間距為100mhz到1ghz之間，最大可測量萬米每秒高速下的物體形貌測量，單次測量時間維持在毫秒量級?？紤]了探測器的響應(yīng)頻率范圍和靈敏度、噪聲干擾以及測量精度的影響因素，同時避免信號在傳輸過程中失真或丟失，提高了高速測量的準(zhǔn)確率。

19、3、本發(fā)明提供的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，通過異步光學(xué)采樣實(shí)現(xiàn)高速測量，提高了測量速度，并由于等效采樣步長的減小，能夠達(dá)到飛秒量級的測量精度，同時盡可能的減少噪聲干擾。不需要位移元件，進(jìn)一步提高了測量效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，其特征在于：包括激光器(1)、放大器(2)、氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔(3)、分束器(4)、耦合器(5)、環(huán)形器(6)、光纖延遲器(7)、光纖準(zhǔn)直器(8)、待測目標(biāo)(9)、光電探測器(10)、光譜儀(11)與高速信號處理單元(12)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，其特征在于：所述氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔(3)提供兩個不同頻率間隔的克爾雙光梳，作為信號梳與本振梳，通過光纖布拉格光柵抑制殘余泵浦光后，激光信號經(jīng)一對放大器(2)放大。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，其特征在于：所述氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔(3)，形狀為中心軸對稱圖形，分別有半徑大小不同的兩個楔形凸起，滿足通過兩個楔形凸起部位作為耦合點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)不同的回音壁模式的激發(fā)，通過精確控制產(chǎn)生所需的頻率梳。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，其特征在于：所述氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔(3)作為克爾雙光梳發(fā)生器，拍頻間距為100mhz到1ghz之間，采集時間處于1ns到10ns之間，距離采集速率在100mhz-1?ghz的范圍之間。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔光頻梳的超高速測量系統(tǒng)，采用氟化鎂晶體光子帶結(jié)構(gòu)微腔作為克爾雙光梳發(fā)生器，簡化了雙光梳高速測量系統(tǒng)，最大可測量萬米每秒高速下的物體形貌測量，單次測量時間維持在毫秒量級?？紤]了探測器的響應(yīng)頻率范圍和靈敏度、噪聲干擾以及測量精度的影響因素，同時避免信號在傳輸過程中失真或丟失，提高了高速測量的準(zhǔn)確率。所提出的測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、測量效率高、準(zhǔn)確率高、精度高的優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：王夢宇,郭玉芳,郭狀,謝成峰,譚慶貴,杜麗軍,馬西,史久林,柴明鋼,姜迪友,伏燕軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南昌航空大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9