Abstract

A scheme is proposed for high-precision, absolute length measurement for an arbitrary optical distance of a few meters to beyond 106 m. The approach utilizes a phase-stabilized femtosecond laser to provide both incoherent, time-of-flight information and coherent, fringe-resolved interferometry. Such a combined measurement capability allows an optical wavelength resolution to be achieved for absolute length measurement over a large dynamic range.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
    [CrossRef]
  3. R. Dändilker, R. Thalmann, and D. Prongué, Opt. Lett. 13, 339 (1988).
    [CrossRef]
  4. I. Fujima, S. Iwasaki, and K. Seta, Meas. Sci. Technol. 9, 1049 (1998).
    [CrossRef]
  5. A. M. Chekhovsky, A. N. Golubev, and M. V. Gorbunkov, Appl. Opt. 37, 3480 (1998).
    [CrossRef]
  6. K. Minoshima and H. Matsumoto, Appl. Opt. 39, 5512 (2000).
    [CrossRef]
  7. J. L. Hall, Science 202, 147 (1978).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. P. L. Bender, J. L. Hall, J. Ye, and W. M. Klipstein, Space Sci. Rev. 108, 377 (2003).
    [CrossRef]
  9. S. T. Cundiff and J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003).
    [CrossRef]
  10. R. K. Shelton, S. M. Foreman, J. L. Hall, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, M. Notcutt, and J. Ye, Opt. Lett. 27, 312 (2002).
    [CrossRef]
  11. A. Bartels, S. A. Diddams, T. M. Ramond, and L. Hollberg, Opt. Lett. 28, 663 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. T. R. Schibli, J. Kim, O. Kuzucu, J. T. Gopinath, S. N. Tandon, G. S. Petrich, L. A. Kolodziejski, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, and F. X. Kärtner, Opt. Lett. 28, 947 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. T. M. Fortier, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, and R. S. Windeler, Opt. Lett. 27, 1436 (2002).
    [CrossRef]

2003 (4)

2002 (2)

2000 (2)

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

K. Minoshima and H. Matsumoto, Appl. Opt. 39, 5512 (2000).
[CrossRef]

1998 (2)

I. Fujima, S. Iwasaki, and K. Seta, Meas. Sci. Technol. 9, 1049 (1998).
[CrossRef]

A. M. Chekhovsky, A. N. Golubev, and M. V. Gorbunkov, Appl. Opt. 37, 3480 (1998).
[CrossRef]

1994 (1)

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1988 (1)

1978 (1)

J. L. Hall, Science 202, 147 (1978).
[CrossRef] [PubMed]

Bartels, A.

Bender, P. L.

P. L. Bender, J. L. Hall, J. Ye, and W. M. Klipstein, Space Sci. Rev. 108, 377 (2003).
[CrossRef]

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Buller, G. S.

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

Chekhovsky, A. M.

Cova, S.

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

Cundiff, S. T.

Dändilker, R.

Dickey, J. O.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Diddams, S. A.

Faller, J. E.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Foreman, S. M.

Fortier, T. M.

Fujima, I.

I. Fujima, S. Iwasaki, and K. Seta, Meas. Sci. Technol. 9, 1049 (1998).
[CrossRef]

Fujimoto, J. G.

Golubev, A. N.

Gopinath, J. T.

Gorbunkov, M. V.

Hall, J. L.

P. L. Bender, J. L. Hall, J. Ye, and W. M. Klipstein, Space Sci. Rev. 108, 377 (2003).
[CrossRef]

R. K. Shelton, S. M. Foreman, J. L. Hall, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, M. Notcutt, and J. Ye, Opt. Lett. 27, 312 (2002).
[CrossRef]

J. L. Hall, Science 202, 147 (1978).
[CrossRef] [PubMed]

Hollberg, L.

Ippen, E. P.

Iwasaki, S.

I. Fujima, S. Iwasaki, and K. Seta, Meas. Sci. Technol. 9, 1049 (1998).
[CrossRef]

Jones, D. J.

Kapteyn, H. C.

Kärtner, F. X.

Kim, J.

Klipstein, W. M.

P. L. Bender, J. L. Hall, J. Ye, and W. M. Klipstein, Space Sci. Rev. 108, 377 (2003).
[CrossRef]

Kolodziejski, L. A.

Kuzucu, O.

Matsumoto, H.

Minoshima, K.

Murnane, M. M.

Newhall, X. X.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Notcutt, M.

Pellegrin, S.

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

Petrich, G. S.

Prongué, D.

Ramond, T. M.

Ricklefs, R. L.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Ries, J. G.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Schibli, T. R.

Seta, K.

I. Fujima, S. Iwasaki, and K. Seta, Meas. Sci. Technol. 9, 1049 (1998).
[CrossRef]

Shelton, R. K.

Shelus, P. J.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Smith, J. M.

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

Tandon, S. N.

Thalmann, R.

Veillet, C.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Wallace, A. M.

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

Whipple, A. L.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Wiant, J. R.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Williams, J. G.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Windeler, R. S.

Ye, J.

Yoder, C. F.

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Opt. (2)

Meas. Sci. Technol. (2)

S. Pellegrin, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Meas. Sci. Technol. 11, 712 (2000).
[CrossRef]

I. Fujima, S. Iwasaki, and K. Seta, Meas. Sci. Technol. 9, 1049 (1998).
[CrossRef]

Opt. Lett. (5)

Rev. Mod. Phys. (1)

S. T. Cundiff and J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003).
[CrossRef]

Science (2)

J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, X. X. Newhall, R. L. Ricklefs, J. G. Ries, P. J. Shelus, C. Veillet, A. L. Whipple, J. R. Wiant, J. G. Williams, and C. F. Yoder, Science 265, 482 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

J. L. Hall, Science 202, 147 (1978).
[CrossRef] [PubMed]

Space Sci. Rev. (1)

P. L. Bender, J. L. Hall, J. Ye, and W. M. Klipstein, Space Sci. Rev. 108, 377 (2003).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Interferometer configuration for measuring absolute distances by use of a combination of incoherent time-of-flight and coherent fringe-resolved techniques. L1 is a known length for the reference arm, and L2 is the unknown distance to be measured. L1 can be rather short, for example, on the millimeter or centimeter scale, and an exact-fractions approach can determine it. The pulse train used in the measurement has a repetition frequency frep and its pulse-to-pulse carrier-envelope phase slippage is stabilized to zero. a and b represent pulses that have traveled through L1 (corresponding to pulses a and b), and c and d are for L2.

Fig. 2
Fig. 2

A controlled change in frep of the mode-locked laser allows precise scanning of the timing offset between the two pulse trains that have traveled through two different arms of the interferometer. When the frep increases, pulse c, which lags behind pulse a, slowly catches up.

Fig. 3
Fig. 3

Transition from the incoherent to the coherent measurement regime, where the two pulse trains are made to overlap partially with a proper choice of frep. When the pulse trains overlap, an interference fringe starts to develop, as illustrated by the representative experimental trace shown as a solid curve at the bottom. Stable optical fringes are made possible by control of the pulse-to-pulse carrier-envelope phase shift. Introduction of a rms timing jitter into frep reduces the fringe contrast to 30%, shown as a dashed curve at the bottom. The optical fringe offers a clear definition of the incremental length and the location where the two pulses exactly overlap.

Metrics