西安光机所在集成微腔光频梳精密测距领域取得新进展

近日，超快光科学与技术全国重点实验室张文富研究员团队与其合作者，在基于集成微腔光频梳的精密测距领域取得进展。研究团队提出了一种基于集成微腔交叉双光梳进行绝对距离测量的新方法，解决了传统双光梳测距方案中普遍存在的非同步测量误差（Asynchronous measurement error，AME）问题，利用单次光谱采样技术实现了艾伦偏差为5.63nm@0.3m的测距结果，同时利用光学游标效应将测距的非模糊范围（Nonambiguity range，NAR）从3mm扩展至339m。

相关研究成果以“Cross dual-microcomb dispersion interferometry ranging”为题发表在Science Advances期刊。西安光机所助理研究员王阳、重庆大学副研究员王金栋和中国石油安全与环境技术研究院研发工程师黄景晟为论文的共同第一作者，西安光机所张文富研究员为通讯作者，陕西科技大学王伟强教授、西安光机所助理研究员黄龙和博士研究生邵雯、程敏辉参与了主要实验工作，合作者还包括西安光机所Brent E. Little教授和香港城市大学Sai Tak Chu教授，西安光机所赵卫研究员对工作进行了悉心指导。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目和中国博士后科学基金的支持。

光学频率梳作为一种时间和频率“标尺”，在精密测距领域具有重要的应用价值。在众多基于光学频率梳的测距方法中，色散干涉法充分利用了多个相干梳齿成分的光谱干涉信息，具有较高的测量精度和较强的抗干扰能力。

研究团队前期利用单个高重复频率（约50GHz）的微腔光频梳，解决了传统低重复频率光频梳在色散干涉测距中存在的测量死区问题（Photonics Res. 8,1964-1972 (2020)）。然而，由于测距的NAR与光学频率梳的重复频率成反比，导致测距量程受限。传统上通常采用基于时域异步采样的双光梳测距方案，并利用光学游标效应扩展NAR（图1a）。这些方案需要在调谐重复频率大小或交换双光梳角色前后非同步地测量两次，因而存在一个被普遍忽视的问题：当考虑真实测量场景中由目标运动或大气抖动等引起的待测距离实时变化时，非同步的二次采样会引入显著的绝对距离测量误差，即AME（图1b）。

针对这一问题，研究团队提出了一种基于色散干涉法的片上交叉双光梳测距方法（图1c）。

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图1.片上交叉双光梳测距系统概念及原理。（a. 基于光学游标效应的非模糊范围扩展原理；b. 非同步测量误差示意图；c. 片上交叉双光梳测距系统概念。）

这种基于频域光谱采样的双光梳测距方法的核心是利用集成微腔产生两套重复频率略有不同且梳齿彼此错开的光频梳。为此，研究人员首先基于辅助光热补偿技术鲁棒地产生了两套重复频率约50 GHz且重复频率差可调的单孤子态微腔光频梳，然后基于热调谐技术将两个泵浦光的频率差优化至重复频率的一半，从而实现两套微腔光频梳的梳齿彼此错开。

从实验上产生的两套单孤子态微腔光频梳的光谱（图2a）可以看到，其梳齿频率分布类似于十指交叉的双手，所以称为交叉双光梳。由于所有梳齿近似均匀分布且清晰可辨，因此可以用光谱仪或探测器阵列进行一次性光谱采样，单次光谱采样解决了待测距离实时变化的影响，从而消除非同步测量误差AME。在数据处理时（图2b），携带距离信息的双光梳色散干涉光谱依次经过光谱分离、快速傅里叶变换和脉冲峰值拟合可以同时得到两个混叠的小数距离（相对距离），然后根据光学游标效应解算出绝对距离。

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图2.基于交叉双光梳的绝对测距解算方法。（a. 交叉双光梳光谱；b. 测距数据处理过程。）

为了评估这种新方法的测距性能，研究团队展开了一系列原理验证实验。

首先验证了该方法对绝对距离的测量能力。在7.14 m附近的线性步进测量中实现了绝对距离的解算（图3a），对应的测距标准偏差为3.72 μm，其误差主要来源于步进电机的机械误差和实验环境的振动。为了排除这些因素对测距性能的影响，在0.3 m的稳定光路上进行定点重复测量（图3b），对应的测距标准偏差为56 nm，最小艾伦偏差为5.63 nm @ 56 s。最后通过同步和非同步测量以及静态和动态测量的对比实验，进一步验证该方法在消除AME方面的优势。

结果表明，光学游标效应在扩展NAR的同时会将二次采样引入的微小误差线性放大，导致在动态情况下非同步测量产生巨大的绝对距离测量误差（60 mm @ 0.3 m），而同步测量完全消除了这一误差（图3c）。最后，详细分析了重复频率抖动对扩展后NAR的限制（图3d），实验上利用研究团队前期开发的射频注入锁定技术（Adv. Photonics Nexus 3,046006 (2024);Sci. Adv. 11,eadq8982 (2025)）将重复频率抖动降低至2 Hz，从而将NAR从3 mm扩展至339 m。

所提出的测距方法消除了非同步测量误差，在长距离、动态、绝对距离测量应用场景中具有优势。

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图3.测距实验结果。a. 线性步进测量结果（L1和L2为小数距离，L3为解算出的绝对距离）；b. 定点重复测量结果；c. 同步和非同步测量以及静态和动态测量的对比实验结果；d. NAR与重复频率差的对应关系，以及重复频率抖动对扩展后NAR的限制。

相关链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4252