【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員團(tuán)隊(duì)與其合作者，在基于集成微腔光頻梳的精密測(cè)距領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于集成微腔交叉雙光梳進(jìn)行絕對(duì)距離測(cè)量的新方法，解決了傳統(tǒng)雙光梳測(cè)距方案中普遍存在的非同步測(cè)量誤差(Asynchronous measurement error，AME)問(wèn)題，利用單次光譜采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了艾倫偏差為5.63nm@0.3m的測(cè)距結(jié)果，同時(shí)利用光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)將測(cè)距的非模糊范圍(Nonambiguity range，NAR)從3mm擴(kuò)展至339m。
相關(guān)研究成果以“Cross dual-microcomb dispersion interferometry ranging”為題發(fā)表在Science Advances期刊(論文鏈接)。西安光機(jī)所助理研究員王陽(yáng)、重慶大學(xué)副研究員王金棟和中國(guó)石油安全與環(huán)境技術(shù)研究院研發(fā)工程師黃景晟為論文的共同第一作者，西安光機(jī)所張文富研究員為通訊作者，陜西科技大學(xué)王偉強(qiáng)教授、西安光機(jī)所助理研究員黃龍和博士研究生邵雯、程敏輝參與了主要實(shí)驗(yàn)工作，合作者還包括西安光機(jī)所Brent E. Little教授和香港城市大學(xué)Sai Tak Chu教授，西安光機(jī)所趙衛(wèi)研究員對(duì)工作進(jìn)行了悉心指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
光學(xué)頻率梳作為一種時(shí)間和頻率“標(biāo)尺”，在精密測(cè)距領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在眾多基于光學(xué)頻率梳的測(cè)距方法中，色散干涉法充分利用了多個(gè)相干梳齒成分的光譜干涉信息，具有較高的測(cè)量精度和較強(qiáng)的抗干擾能力。
研究團(tuán)隊(duì)前期利用單個(gè)高重復(fù)頻率(約50GHz)的微腔光頻梳，解決了傳統(tǒng)低重復(fù)頻率光頻梳在色散干涉測(cè)距中存在的測(cè)量死區(qū)問(wèn)題(Photonics Res. 8,1964-1972 (2020))。然而，由于測(cè)距的NAR與光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率成反比，導(dǎo)致測(cè)距量程受限。傳統(tǒng)上通常采用基于時(shí)域異步采樣的雙光梳測(cè)距方案，并利用光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)擴(kuò)展NAR(圖1a)。這些方案需要在調(diào)諧重復(fù)頻率大小或交換雙光梳角色前后非同步地測(cè)量?jī)纱?，因而存在一個(gè)被普遍忽視的問(wèn)題：當(dāng)考慮真實(shí)測(cè)量場(chǎng)景中由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或大氣抖動(dòng)等引起的待測(cè)距離實(shí)時(shí)變化時(shí)，非同步的二次采樣會(huì)引入顯著的絕對(duì)距離測(cè)量誤差，即AME(圖1b)。
針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于色散干涉法的片上交叉雙光梳測(cè)距方法(圖1c)。
圖1 片上交叉雙光梳測(cè)距系統(tǒng)概念及原理。
(a. 基于光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的非模糊范圍擴(kuò)展原理；b. 非同步測(cè)量誤差示意圖；c. 片上交叉雙光梳測(cè)距系統(tǒng)概念。)
這種基于頻域光譜采樣的雙光梳測(cè)距方法的核心是利用集成微腔產(chǎn)生兩套重復(fù)頻率略有不同且梳齒彼此錯(cuò)開(kāi)的光頻梳。為此，研究人員首先基于輔助光熱補(bǔ)償技術(shù)魯棒地產(chǎn)生了兩套重復(fù)頻率約50 GHz且重復(fù)頻率差可調(diào)的單孤子態(tài)微腔光頻梳，然后基于熱調(diào)諧技術(shù)將兩個(gè)泵浦光的頻率差優(yōu)化至重復(fù)頻率的一半，從而實(shí)現(xiàn)兩套微腔光頻梳的梳齒彼此錯(cuò)開(kāi)。
從實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生的兩套單孤子態(tài)微腔光頻梳的光譜(圖2a)可以看到，其梳齒頻率分布類(lèi)似于十指交叉的雙手，所以稱(chēng)為交叉雙光梳。由于所有梳齒近似均勻分布且清晰可辨，因此可以用光譜儀或探測(cè)器陣列進(jìn)行一次性光譜采樣，單次光譜采樣解決了待測(cè)距離實(shí)時(shí)變化的影響，從而消除非同步測(cè)量誤差A(yù)ME。在數(shù)據(jù)處理時(shí)(圖2b)，攜帶距離信息的雙光梳色散干涉光譜依次經(jīng)過(guò)光譜分離、快速傅里葉變換和脈沖峰值擬合可以同時(shí)得到兩個(gè)混疊的小數(shù)距離(相對(duì)距離)，然后根據(jù)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)解算出絕對(duì)距離。
圖2 基于交叉雙光梳的絕對(duì)測(cè)距解算方法。(a. 交叉雙光梳光譜；b. 測(cè)距數(shù)據(jù)處理過(guò)程。)
為了評(píng)估這種新方法的測(cè)距性能，研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一系列原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
首先驗(yàn)證了該方法對(duì)絕對(duì)距離的測(cè)量能力。在7.14 m附近的線性步進(jìn)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)距離的解算(圖3a)，對(duì)應(yīng)的測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.72 μm，其誤差主要來(lái)源于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械誤差和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的振動(dòng)。為了排除這些因素對(duì)測(cè)距性能的影響，在0.3 m的穩(wěn)定光路上進(jìn)行定點(diǎn)重復(fù)測(cè)量(圖3b)，對(duì)應(yīng)的測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差為56 nm，最小艾倫偏差為5.63 nm @ 56 s。最后通過(guò)同步和非同步測(cè)量以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在消除AME方面的優(yōu)勢(shì)。
結(jié)果表明，光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)在擴(kuò)展NAR的同時(shí)會(huì)將二次采樣引入的微小誤差線性放大，導(dǎo)致在動(dòng)態(tài)情況下非同步測(cè)量產(chǎn)生巨大的絕對(duì)距離測(cè)量誤差(60 mm @ 0.3 m)，而同步測(cè)量完全消除了這一誤差(圖3c)。最后，詳細(xì)分析了重復(fù)頻率抖動(dòng)對(duì)擴(kuò)展后NAR的限制(圖3d)，實(shí)驗(yàn)上利用研究團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)發(fā)的射頻注入鎖定技術(shù)(Adv. Photonics Nexus 3,046006 (2024);Sci. Adv. 11,eadq8982 (2025))將重復(fù)頻率抖動(dòng)降低至2 Hz，從而將NAR從3 mm擴(kuò)展至339 m。
所提出的測(cè)距方法消除了非同步測(cè)量誤差，在長(zhǎng)距離、動(dòng)態(tài)、絕對(duì)距離測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景中具有優(yōu)勢(shì)。
圖3 測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果。a. 線性步進(jìn)測(cè)量結(jié)果(L1和L2為小數(shù)距離，L3為解算出的絕對(duì)距離)；b. 定點(diǎn)重復(fù)測(cè)量結(jié)果；c. 同步和非同步測(cè)量以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果；d. NAR與重復(fù)頻率差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及重復(fù)頻率抖動(dòng)對(duì)擴(kuò)展后NAR的限制。
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