en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-06-25-37
УДК: 681.787
Абсолютный дальномер на основе фемтосекундного лазера с возможностью прослеживаемости к эталону времени и частоты
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Соколов Д.А., Козаченков С.А. Абсолютный дальномер на основе фемтосекундного лазера с возможностью прослеживаемости к эталону времени и частоты // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 6. С. 25–37. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-25-37
D.A. Sokolov, S.A. Kozachenkov. Absolute rangefinder based on femtosecond laser with the possibility of traceability to the standard of time and frequency [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 6. P. 25–37. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-25-37
Denis Sokolov and Sergey Kozachenkov, "Femtosecond laser-based absolute rangefinder with the possibility of traceability to the time and frequency standard," Journal of Optical Technology. 90(6), 302-309 (2023)
Предмет исследования. Разработка и исследование метрологических характеристик абсолютного дальномера на основе фемтосекундного лазера, предназначенного для калибровки высокоточных лазерных дальномеров на 60метровом лабораторном компараторе и в полевых условиях в диапазоне от 2,5 м до 500 м. Цель работы. Повышение точности воспроизведения единицы длины в диапазоне от 2,5 до 500 м для обеспечения единства измерений в ходе определения метрологических характеристик оптикоэлектронных средств измерения длины. Метод заключается в применении фемтосекундного лазера в качестве высокостабильного когерентного источника излучения в несбалансированном интерферометре Майкельсона. Частота повторения импульсов используемого лазера стабилизируется системой фазовой автоподстройки посредством рубидиевого стандарта частоты, что обеспечивает метрологическую прослеживаемость к эталону времени и частоты. В то же время интерференция импульсов лазера позволяет воспроизводить единицу длины — метр в соответствии с международным определением метра. Основные результаты. Решена актуальная задача определения метрологических характеристик оптикоэлектронных средств измерения длины в рассматриваемом диапазоне измерения длин с применением новаторских решений и методов. Представлены основные принципы работы и структурная схема абсолютного дальномера на основе фемтосекундного лазера. Прослеживаемость абсолютного дальномера на основе фемтосекундного лазера к эталону времени и частоты обеспечивается системой фазовой автоподстройки. Приведены результаты испытаний абсолютного дальномера на основе фемтосекундного лазера: при воспроизведении единицы длины до 311 м в лабораторных условиях погрешность в части среднеквадратического отклонения составляет 13 мкм, а на длине 572 м в полевых условиях — 10 мкм. Запас мощности по принимаемому сигналу и соотношение сигнал/шум не ниже 15 позволяют увеличить диапазон воспроизведения единицы длины. Представлены прогнозируемые составляющие неисключённой систематической погрешности. Результаты испытаний абсолютного дальномера на основе фемтосекундного лазера соответствуют заявленной цели исследования, а именно повышению точности воспроизведения единицы длины в диапазоне от 2,5 до 500 м. Практическая значимость. Результаты исследования позволят решить задачи научного и прикладного характера в интересах совершенствования эталонной базы в прогнозируемой области измерения длин до 1000 м.
Благодарность: авторы выражают благодарности за неоценимый вклад в разработку и изготовление исследуемого устройства, а именно коллективу лаборатории разработки эталонов длины в диапазоне до 60 м Бузыкину В.Н., Фунде А.Н., Щербакову В.Е. и коллективу механосборочного отдела.
фемтосекундный лазер, корреляция импульсов, интерферометр, лазерный абсолютный дальномер, измерение длины
Коды OCIS: 000.2190, 120.3940, 120.3930, 120.3180, 140.3460, 140.7090
Список источников:1. Gu Y., Wang L., Xiang F., Ouyang W., Jiang L. Experimental comparison of outdoor baseline measurements by different methods // E3S Web of Conferences. 2019. V. 131. P. 01057. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913101057
2. Daliga K., Kurałowicz Z. Comparison of different measurement techniques as methodology for surveying and monitoring stainless steel chimneys // Geosciences. 2019. V. 9(10). P. 429. https://doi.org/10.3390/geosciences9100429
3. Szczutko T. Technology of precision callibration of electro-optical rangefinders using laboratory methods and field test baseline // Geomatics and environmental engineering. 2014. V. 8. № 4. P. 67–79. https:// doi.org/10.7494/geom.2014.8.4.67
4. Козаченков С.А. Перспектива создания эталонного линейного полевого базиса для метрологического обеспечения средств измерения длины // Метрология времени и пространства. 2021. С. 135–137.
5. Pollinger F., Meiners-Hagen K., Wedde M., Abou-Zeid A. Diode-laser-based high-precision absolute distance interferometer of 20 m range // Appl. Opt. 2009. V. 48. P. 6188–6194. https:// doi.org/ 10.1364/AO.48.006188
6. Copeland Davis T.W. Сan the KERN ME5000 mekometer replace invar measurements. Results of test measurements with three machines // Stanford Linear Accelerator Center Stanford University. Stanford, California. 1992. P. 171–183.
7. Pollinger F., Meyer T., Beyer J., Doloca N., Schellin W., Niemeier W., Jokela J., Hakli P., Abou-Zeid A., Meiners-Hagen K. The upgraded PTB 600 m baseline: a high-accuracy reference for the calibration and the development of long distance measurement devices // Meas. Sci. Technol. 2012. № 23. P. 094018. 11 p. https:// doi.org/10.1088/0957-0233/23/9/094018
8. Meiners-Hagen K., Meyer T., Mildner J, Pollinger F. SI-traceable absolute distance measurement over morethan 800 meters with sub-nanometer interferometry by two-color inline refractivity compensation // Appl. Phys. Lett. 2017. № 111. P. 191104. https://doi.org/10.1063/1.5000569
9. Meiners-Hagen K., Pollinger F., Prellinger G., Rost K., Wendt K., Pöschel W., Dontsov D., Schott W., Mandryka V. Refractivity compensated tracking interferometer for precision engineering // 58th ILMENAU SCIENTIFIC COLLOQUIUM. Ilmenau, Germany. Technische Universität Ilmenau. 08 – 12 September 2014. P. 1–11
10. Doloca N.R., Meiners-Hagen K., Wedde M., Pollinger F., Abou-Zeid A. Absolute distance measurement system using a femtosecond laser as a modulator // Meas. Sci. Technol. 2010. № 21. P. 115302. 7 p. https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/11/115302
11. Ye J. Absolute measurement of a long, arbitrary distance to less than an optical fringe // Opt. Lett. 2004. № 29. P. 1153–1155. https://doi.org/10.1364/ol.29.001153
12. Salvade Y., Schuhler N., Leveque S., Le Floch S. Highaccuracy absolute distance measurement using frequency comb referenced multiwavelength source // Appl. Opt. 2008. № 47. P. 2715–2720. https://doi.org/10.1364/AO.47.002715
13. Hyun S., Kim Y.J., Kim Y., Jin J., Kim W. Absolute length measurement with the frequency comb of a femtosecond laser // Meas. Sci. Technol. 2009. № 20. P. 095302. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/9/095302
14. Balling P., Křen P., Mašika P., Berg S.A. Femtosecond frequency comb based distance measurement in air // OPTICS EXPRESS. 25 May 2009. V. 17. № 11. P. 9300–9313. https://doi.org/10.1364/oe.17.009300
15. Cao H., Song Y., Hu M., Wang C. Singular spectrum analysis for extracting low amplitude vibrations in femtosecond laser Time-of-Flight distance measurements // IEEE Photonics Journal. April 2021. V. 13. № 2. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3057894
16. Hussein H., Terra O., Hussein H., Medhat M. Using femtosecond laser pulses for electronic distance meter calibration // Appl. Opt. 2020. Jul 20. № 59(21). P. 6417–6423. https://doi.org/10.1364/AO.393852
17. Coddington I., Swann W.C., Nenadovic L., Newbury N.R. Rapid and precise absolute distance measurements at long range // Nature Photonics. 2009. № 3. P. 351–356. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.94
18. Xiao-Sheng Z., Wang-Min Y., Ming-Hao H., Zai-Hua Y., Guan-Hao Wu. Large-scale absolute distance measurement using inter-mode beat of a femtosecond laser // Acta Phys. Sin. 2016. V. 65(8). P. 080602. https://doi.org/10.7498/aps.65.080602
19. Соколов Д.А., Олейник-Дзядик О.М., Сильвестров И.С. Эталонный измерительный комплекс длины в диапазоне до 60 м из состава Государственного первичного специального эталона единицы длины // Труды института прикладной астрономии РАН. 2020. № 52. С. 63–67. https://doi.org/10.32876/ApplAstron.52.63–67
20. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов и их применение: Учебное пособие. Долгопрудный: Интеллект, 2012. 248 с.
21. Херман И., Вильгельм Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986. 368 с.
22. Bonsch G., Potulski E. Measurement of the refractive index of air and comparison with modified Edlen’sformulae // Metrologia. 1998. № 35. P. 133–9. https://doi.org/10.1088/0026-1394/35/2/8
23. Ciddor P.E. Refractive index of air: new equations for the visible and near infrared // Appl. Opt. 1996. № 35. P. 1566–1573. https://doi.org/10.1364/AO.35.001566
24. Козаченков С. А. Результаты исследования перспективного метрологического комплекса измерения длины в условиях промежуточной прецизионности // Приборостроение–2022: материалы 15-й международной научно-технической конференции. 16–18 ноября 2022 года. Минск, Республика Беларусь. БНТУ. С. 162–164.