近日，超快光科學與技術(shù)全國重點實驗室張文富研究員團隊與其合作者，在基于集成微腔光頻梳的精密測距領(lǐng)域取得進展。研究團隊提出了一種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，同時利用光學游標效應(yīng)將測距的非模糊范圍（Nonambiguity range，NAR）從3mm擴展至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。西安光機所助理研究員王陽、重慶大學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，西安光機所張文富研究員為通訊作者，陜西科技大學王偉強教授、西安光機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所Brent E. Little教授和香港城市大學Sai Tak Chu教授，西安光機所趙衛(wèi)研究員對工作進行了悉心指導(dǎo)。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊、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基金的支持。

光學頻率梳作為一種時間和頻率“標尺”，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的抗干擾能力。

研究團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，并利用光學游標效應(yīng)擴展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顯著的絕對距離測量誤差，即AME（圖1b）。

針對這一問題，研究團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. 基于光學游標效應(yīng)的非模糊范圍擴展原理；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)光學游標效應(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附近的線性步進測量中實現(xiàn)了絕對距離的解算（圖3a），對應(yīng)的測距標準偏差為3.72 μm，其誤差主要來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（圖3b），對應(yīng)的測距標準偏差為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，進一步驗證該方法在消除AME方面的優(yōu)勢。

結(jié)果表明，光學游標效應(yīng)在擴展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，詳細分析了重復(fù)頻率抖動對擴展后NAR的限制（圖3d），實驗上利用研究團隊前期開發(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)頻率抖動對擴展后NAR的限制。

相關(guān)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4252