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本书介绍飞秒激光、光学频率梳精密测距技术的基本原理与前沿进展。全书共11章。主要内容包括：长度测量的基础知识与激光 测距技术、飞秒激光脉冲与光学频率梳原理、飞秒激光脉冲飞行时间 距离测量、飞秒激光频率梳合成波长 测距技术、双光梳 距离测量、飞秒激光调频连续波激光雷达、飞秒激光频率梳光谱成像方法、飞秒激光精密位移测量方法、空气测量环境中的折射率修正技术、应用于飞秒激光 测距的新的距离解算算法、飞秒激光任意长度 距离测量的应用。本书可以作为从事精密测量科学与技术、超短脉冲激光技术基础研究与工业应用的科技人员的参考书；同时可用于促进精密测量、 激光复合专业人才的培养，适合作为光学、仪器仪表类专业的研究生和高年级本科生的教材。

目 录

第1章 绪论1

1.1 测距技术及性能评价指标1

1.2 激光 测距技术简介6

1.2.1 脉冲飞行时间测量6

1.2.2 激光调制 测距7

1.2.3 多波长干涉测距9

1.3 飞秒激光频率梳测距的发展现状13

参考文献15

第2章 飞秒激光脉冲与光学频率梳原理20

2.1 飞秒激光的时间-频率性质20

2.1.1 飞秒激光脉冲的数学描述20

2.1.2 飞秒脉冲的色散与啁啾21

2.1.3 飞秒脉冲的光谱相位23

2.2 飞秒激光脉冲产生技术25

2.2.1 被动锁模原理25

2.2.2 光纤飞秒激光技术27

2.2.3 脉冲序列的定时抖动34

2.2.4 超连续光谱产生技术38

2.3 光学频率梳41

2.3.1 f?2f自参考技术42

2.3.2 光学频率梳的稳频44

2.3.3 电光调制频率梳52

2.3.4 微腔频率梳产生技术55

参考文献59

第3章 飞秒激光脉冲飞行时间 距离测量62

3.1 基于一阶互相关的飞秒激光频率梳 测距原理62

3.2 一阶互相关 测距实验65

3.2.1 群速度色散对测距精度的影响及修正方法65

3.2.2 大量程测距精度提升技术68

3.2.3 减小测量死区的技术手段70

3.3 基于一阶互相关的飞行时间三维形貌测量73

3.4 基于强度互相关的飞秒激光 测距75

3.4.1 非共线式强度互相关提取脉冲飞行时间76

3.4.2 干涉条纹分辨的强度互相关提取脉冲飞行时间78

3.5 平衡光学互相关飞行时间 测距技术81

3.5.1 平衡光学互相关原理81

3.5.2 通信波段的平衡光学互相关飞行时间 距离测量82

3.5.3 1 μm波段的平衡光学互相关飞行时间 距离测量83

参考文献88

第4章 飞秒激光频率梳合成波长 测距技术91

4.1 基于光频梳模间拍频的合成波长 测距91

4.1.1 测量分辨力93

4.1.2 空气群折射率的自校准94

4.1.3 距离测量95

4.2 参考至光学频率梳的合成波长 测距96

4.2.1 多波长干涉测距97

4.2.2 扫频干涉测距101

4.2.3 合成波长测距在大台阶结构的三维面型测量中的应用104

4.3 基于电光频率梳的外差式多波长干涉 测距106

参考文献110

第5章 双光梳 距离测量113

5.1 基于线性光学采样的双光梳 测距技术113

5.1.1 基本原理与演示实验113

5.1.2 避免测量死区的方法118

5.1.3 微腔光频梳高速、高精度 测距120

5.2 基于非线性异步光学采样的双光梳 测距技术121

5.3 影响双光梳 测距精度的关键系统设计参数124

5.3.1 线性光学采样 测距的 脉冲重复频率差124

5.3.2 非线性异步光学采样 测距中的脉冲定时抖动的影响130

5.4 基于单台飞秒激光器的双光梳 测距141

5.4.1 双波长光纤飞秒激光器应用于线性光学采样 测距142

5.4.2 双波长飞秒激光器应用于非线性异步光学采样 测距及

测量精度极限144

5.4.3 双向微腔光频梳线性光学采样 测距147

5.4.4 双重复频率电光调制光频梳的 测距148

5.5 基于双光梳测距的三自由度传感150

参考文献153

第6章 飞秒激光调频连续波（FMCW）激光雷达156

6.1 调频连续波激光雷达概述156

6.2 飞秒激光频率梳矫正的成像FMCW激光雷达157

6.3 基于线性啁啾飞秒激光频率梳的FMCW 测距161

6.4 基于微腔孤子光频梳的多路FMCW 测距164

参考文献166

第7章 飞秒激光频率梳光谱成像方法168

7.1 光频梳光谱干涉 距离测量168

7.2 基于虚像相位阵列（VIPA）的单梳齿分辨的光谱干涉

测距172

7.3 啁啾光学频率梳单次曝光光谱干涉成像176

7.3.1 啁啾光学频率梳的光谱干涉成像原理176

7.3.2 单点测距的实验装置与距离值定标方法177

7.3.3 单次曝光的台阶测量实验结果179

7.4 基于实时光谱技术的高速成像180

7.4.1 时间拉伸-色散傅里叶变换（TS-DFT）实时光谱技术180

7.4.2 TS-DFT技术实现高速振动测量182

7.5 基于双光梳光谱测量的三维成像185

7.5.1 双光梳光谱技术185

7.5.2 基于双光梳光谱的线扫描三维成像187

7.6 全波形主动高光谱激光雷达191

7.6.1 高光谱激光雷达技术概述191

7.6.2 基于超连续光谱的全波形主动高光谱雷达技术192

7.6.3 双光梳高光谱成像技术195

7.6.4 双光梳高光谱单像素成像技术197

参考文献202

第8章 飞秒激光精密位移测量方法206

8.1 飞秒激光频率梳精密位移测量技术206

8.1.1 基于光外差变焦干涉仪的精密位移测量207

8.1.2 基于法布里-珀罗谐振腔的微位移测量技术208

8.2 基于精密光学-微波相位探测的飞行时间位移测量技术212

8.2.1 光纤环路光学-微波鉴相器213

8.2.2 飞行时间微位移测量218

8.2.3 微结构元器件的三维形貌测量技术219

8.3 基于微位移测量的光纤应变传感技术220

8.3.1 飞秒激光频率梳直接测量光学频率的应变传感221

8.3.2 双光梳精密光谱应用于应变传感223

8.3.3 基于光学-微波相位探测的高分辨力光纤应变传感224

参考文献226

第9章 大气测量环境中的折射率修正技术229

9.1 空气折射率对测距精度的影响及现有的折射率修正技术229

9.1.1 大气环境中的激光干涉测距的精度限制229

9.1.2 基于经验公式的空气折射率修正方法231

9.1.3 空气折射率的自动修正方法233

9.2 基于光学频率梳的双色法空气折射率自动修正技术235

9.2.1 利用双色光学频率梳提升空气折射率自动修正准确度235

9.2.2 利用参考至光学频率梳的双色激光进行空气折射率的自动修正240

9.3 利用飞秒激光飞行时间法直接测量空气群折射率241

参考文献244

0章 应用于飞秒激光 测距的新的距离解算算法246

10.1 卡尔曼滤波提升飞秒激光测距精度的方法246

10.1.1 卡尔曼滤波模型247

10.1.2 双光梳 测距和测速实验251

10.2 无参数频谱估计技术在飞秒激光 测距数据解算中的

应用259

10.2.1 奇异谱分析模型259

10.2.2 提升双光梳 测距信噪比的实验261

参考文献267

1章 飞秒激光任意长度 距离测量的应用269

11.1 工业与精密制造业的应用269

11.1.1 微米精度的大尺寸三维表面形貌测量269

11.1.2 工业现场的大尺寸、多站点、可溯源 测距网络276

11.2 空间探测领域的潜在应用279

11.2.1 航天搭载的光纤飞秒激光频率梳279

11.2.2 基于大尺寸、高精度基线长度测量的遥感成像任务的潜在

应用285

参考文献297

宋有建，天津大学精密仪器与光电子工程学院，英才副教授，中国光学学会、美国光学学会 会员， 激光与电光会议（CLEO）的程序委员会委员。主要从事飞秒激光技术及其在精密测量领域的研究，主持多项 自然科学基金项目及1项863课题，于2009年获 高校科技 成果奖技术发明一等奖 （排名第三），发表SCI收录论文百余篇。

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书籍介绍

本书介绍飞秒激光、光学频率梳精密测距技术的基本原理与前沿进展。全书共11章。主要内容包括：长度测量的基础知识与激光绝对测距技术、飞秒激光脉冲与光学频率梳原理、飞秒激光脉冲飞行时间绝对距离测量、飞秒激光频率梳合成波长绝对测距技术、双光梳绝对距离测量、飞秒激光调频连续波激光雷达、飞秒激光频率梳光谱成像方法、飞秒激光精密位移测量方法、空气测量环境中的折射率修正技术、应用于飞秒激光绝对测距的新的距离解算算法、飞秒激光任意长度绝对距离测量的应用。本书可以作为从事精密测量科学与技术、超短脉冲激光技术基础研究与工业应用的科技人员的参考书；同时可用于促进精密测量、先进激光复合专业人才的培养，适合作为光学、仪器仪表类专业的研究生和高年级本科生的教材。