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近日，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所研究員張文富團隊與合作者，在基于集成微腔光頻梳的精密測距方面取得進展。該團隊提出了基于集成微腔交叉雙光梳進行絕對距離測量的新方法，解決了傳統(tǒng)雙光梳測距方案普遍存在的非同步測量誤差問題，利用單次光譜采樣技術(shù)實現(xiàn)了艾倫偏差為5.63 nm @ 0.3 m的測距結(jié)果，同時利用光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)將測距的非模糊范圍從3 mm擴展至339 m。

光學(xué)頻率梳作為時間和頻率“標(biāo)尺”，在精密測距領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。在眾多基于光學(xué)頻率梳的測距方法中，色散干涉法利用多個相干梳齒成分的光譜干涉信息，具有較高的測量精度和較強的抗干擾能力。

前期，研究團隊利用單個高重復(fù)頻率的微腔光頻梳，解決了傳統(tǒng)低重復(fù)頻率光頻梳在色散干涉測距中存在的測量死區(qū)問題。由于測距的非模糊范圍與光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率成反比，導(dǎo)致測距量程受限。傳統(tǒng)采用基于時域異步采樣的雙光梳測距方案，利用光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)擴展非模糊范圍。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量兩次，存在一個被普遍忽視的問題——當(dāng)考慮真實測量場景中由目標(biāo)運動或大氣抖動等引起的待測距離實時變化時，非同步的二次采樣會引入絕對距離測量誤差即非同步測量誤差。

針對這一問題，該團隊提出了基于色散干涉法的片上交叉雙光梳測距方法。這種基于頻域光譜采樣的雙光梳測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開的光頻梳。為此，團隊基于輔助光熱補償技術(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，進而基于熱調(diào)諧技術(shù)將兩個泵浦光的頻率差優(yōu)化至重復(fù)頻率的一半，從而實現(xiàn)兩套微腔光頻梳的梳齒彼此錯開。

該團隊在實驗產(chǎn)生的兩套單孤子態(tài)微腔光頻梳的光譜中觀察到，其梳齒頻率分布類似于十指交叉的雙手，被稱為交叉雙光梳。所有梳齒近似均勻分布且清晰可辨，可用光譜儀或探測器陣列進行一次性光譜采樣。單次光譜采樣解決了待測距離實時變化的影響，消除了非同步測量誤差。在數(shù)據(jù)處理時，攜帶距離信息的雙光梳色散干涉光譜依次經(jīng)過光譜分離、快速傅里葉變換和脈沖峰值擬合，可同時得到兩個混疊的小數(shù)距離，進而根據(jù)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)解算出絕對距離。

為評估這一新方法的測距性能，該團隊展開了一系列原理驗證實驗。團隊在7.14 m附近的線性步進測量中實現(xiàn)了絕對距離的解算，對應(yīng)的測距標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.72 μm，誤差主要源于步進電機的機械誤差和實驗環(huán)境的振動。為了排除這些因素對測距性能的影響，在0.3 m的穩(wěn)定光路上進行定點重復(fù)測量，對應(yīng)的測距標(biāo)準(zhǔn)偏差為56 nm，最小艾倫偏差為5.63 nm @ 56 s。進一步，同步和非同步測量以及靜態(tài)和動態(tài)測量的對比實驗驗證了該方法在消除非同步測量誤差方面的優(yōu)勢。

結(jié)果表明，光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)在擴展非模糊范圍的同時會將二次采樣引入的微小誤差線性放大，導(dǎo)致在動態(tài)情況下非同步測量產(chǎn)生巨大的絕對距離測量誤差，而同步測量完全消除了這一誤差。研究分析了重復(fù)頻率抖動對擴展后非模糊范圍的限制，實驗利用團隊前期開發(fā)的射頻注入鎖定技術(shù)將重復(fù)頻率抖動降至2 Hz，從而將非模糊范圍從3 mm擴展至339 m。

這一測距方法消除了非同步測量誤差，在長距離、動態(tài)、絕對距離測量應(yīng)用場景中具有優(yōu)勢。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新-2030重大項目、中國博士后科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃的支持。

論文鏈接

片上交叉雙光梳測距系統(tǒng)概念及原理