近日，中國科學院西安光學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實現了艾倫偏差為5.63 nm @ 0.3 m的測距結果，同時利用光學游標效應將測距的非模糊范圍從3 mm擴展至339 m。
光學頻率梳作為時間和頻率“標尺”，在精密測距領域具有應用價值。在眾多基于光學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頻率的微腔光頻梳，解決了傳統低重復頻率光頻梳在色散干涉測距中存在的測量死區問題。由于測距的非模糊范圍與光學頻率梳的重復頻率成反比，導致測距量程受限。傳統采用基于時域異步采樣的雙光梳測距方案，利用光學游標效應擴展非模糊范圍。這些方案需要在調諧重復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——當考慮真實測量場景中由目標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生兩套重復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魯棒地產生了兩套重復頻率約50 GHz且重復頻率差可調的單孤子態微腔光頻梳，進而基于熱調諧技術將兩個泵浦光的頻率差優化至重復頻率的一半，從而實現兩套微腔光頻梳的梳齒彼此錯開。
該團隊在實驗產生的兩套單孤子態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。在數據處理時，攜帶距離信息的雙光梳色散干涉光譜依次經過光譜分離、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距離，進而根據光學游標效應解算出絕對距離。
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了絕對距離的解算，對應的測距標準偏差為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的穩定光路上進行定點重復測量，對應的測距標準偏差為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和動態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勢。
結果表明，光學游標效應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，導致在動態情況下非同步測量產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的射頻注入鎖定技術將重復頻率抖動降至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、絕對距離測量應用場景中具有優勢。
相關研究成果發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技創新-2030重大項目、中國博士后科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領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概念及原理
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