近日，超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室張文富研究員團(tuán)隊與其合作者，在基于集成微腔光頻梳的精密測距領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊提出了一種基于集成微腔交叉雙光梳進(jìn)行絕對距離測量的新方法，解決了傳統(tǒng)雙光梳測距方案中普遍存在的非同步測量誤差（Asynchronous measurement error，AME）問題，利用單次光譜采樣技術(shù)實現(xiàn)了艾倫偏差為5.63nm@0.3m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（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。西安光機(jī)所助理研究員王陽、重慶大學(xué)副研究員王金棟和中國石油安全與環(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驗工作，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)研究員對工作進(jìn)行了悉心指導(dǎo)。該工作得到了國家自然科學(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(tuán)隊、國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030重大項目和中國博士后科學(xué)基金的支持。

光學(xué)頻率梳作為一種時間和頻率“標(biāo)尺”，在精密測距領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在眾多基于光學(xué)頻率梳的測距方法中，色散干涉法充分利用了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(qiáng)的抗干擾能力。

研究團(tuán)隊前期利用單個高重復(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距中存在的測量死區(qū)問題（Photonics Res. 8,1964-1972 (2020)）。然而，由于測距的NAR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)上通常采用基于時域異步采樣的雙光梳測距方案，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量兩次，因而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顯著的絕對距離測量誤差，即AME（圖1b）。

針對這一問題，研究團(tuán)隊提出了一種基于色散干涉法的片上交叉雙光梳測距方法（圖1c）。

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圖1.片上交叉雙光梳測距系統(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. 非同步測量誤差示意圖；c. 片上交叉雙光梳測距系統(tǒng)概念。）

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，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。

從實驗上產(chǎn)生的兩套單孤子態(tài)微腔光頻梳的光譜（圖2a）可以看到，其梳齒頻率分布類似于十指交叉的雙手，所以稱為交叉雙光梳。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器陣列進(jìn)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，從而消除非同步測量誤差A(yù)ME。在數(shù)據(jù)處理時（圖2b），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以同時得到兩個混疊的小數(shù)距離（相對距離），然后根據(jù)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)解算出絕對距離。

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圖2.基于交叉雙光梳的絕對測距解算方法。（a. 交叉雙光梳光譜；b. 測距數(shù)據(jù)處理過程。）

為了評估這種新方法的測距性能，研究團(tuán)隊展開了一系列原理驗證實驗。

首先驗證了該方法對絕對距離的測量能力。在7.14 m附近的線性步進(jìn)測量中實現(xiàn)了絕對距離的解算（圖3a），對應(yīng)的測距標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.72 μm，其誤差主要來源于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)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(jìn)行定點重復(fù)測量（圖3b），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。最后通過同步和非同步測量以及靜態(tài)和動態(tài)測量的對比實驗，進(jìn)一步驗證該方法在消除AME方面的優(yōu)勢。

結(jié)果表明，光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)在擴(kuò)展NAR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（60 mm @ 0.3 m），而同步測量完全消除了這一誤差（圖3c）。最后，詳細(xì)分析了重復(fù)頻率抖動對擴(kuò)展后NAR的限制（圖3d），實驗上利用研究團(tuán)隊前期開發(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)頻率抖動降低至2 Hz，從而將NAR從3 mm擴(kuò)展至339 m。

所提出的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。

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圖3.測距實驗結(jié)果。a. 線性步進(jìn)測量結(jié)果（L1和L2為小數(shù)距離，L3為解算出的絕對距離）；b. 定點重復(fù)測量結(jié)果；c. 同步和非同步測量以及靜態(tài)和動態(tài)測量的對比實驗結(jié)果；d. NAR與重復(fù)頻率差的對應(yīng)關(guān)系，以及重復(fù)頻率抖動對擴(kuò)展后NAR的限制。

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