光學(xué)頻率梳（OFC）已經(jīng)成為精確測(cè)量頻率和距離的重要工具，已經(jīng)在 LiDAR、微納器件的 3D 表面輪廓和引力波探測(cè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。典型的 OFC 測(cè)量涉及許多的飛行時(shí)間檢測(cè)，它通過(guò)檢測(cè)激光脈沖從物體反射并返回探測(cè)器（通常是光學(xué)干涉儀）所需的時(shí)間來(lái)測(cè)定到物體或表面的距離。雖然測(cè)量概念很簡(jiǎn)單，但要同時(shí)精確且快速地完成測(cè)量極具挑戰(zhàn)，通常需要犧牲其中一項(xiàng)。

近期，中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所(XIOPM)和華中科技大學(xué)(HUST)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型精密測(cè)距方法，使用兩個(gè)光學(xué)頻率梳來(lái)達(dá)到測(cè)量精度和測(cè)量速度的最佳平衡。在該項(xiàng)目中， Moku:Lab — 基于 FPGA 的可重構(gòu)的精密測(cè)試測(cè)量?jī)x器，為科研人員提供了一體化精簡(jiǎn)的激光鎖頻解決方案，不僅顯著提高了測(cè)量質(zhì)量且加速了項(xiàng)目進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Rapid and precise distance measurement with hybrid comb lasers”為題發(fā)表于Advanced Photonics Nexus。

簡(jiǎn)介與挑戰(zhàn)

實(shí)驗(yàn)中有多個(gè)因素限制了距離測(cè)算的精度，包括激光頻率的穩(wěn)定性和測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。而光頻梳則是一種有助于解決這個(gè)問(wèn)題的獨(dú)特工具，它能以極其穩(wěn)定的重復(fù)頻率生成超短（飛秒）光脈沖信號(hào)。如圖 1 所示，重復(fù)頻率是 OFC 的重要指標(biāo)，它決定了頻率分辨率-在頻域上的“梳齒”間距。

雙光頻梳測(cè)距技術(shù)通過(guò)結(jié)合使用兩個(gè)OFC來(lái)提高性能，也成為近年來(lái)測(cè)距領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)使用一個(gè)重復(fù)頻率略有不同的 OFC 作為本地振蕩器(LO)，光譜分辨率可以降低到Δf，即兩個(gè) OFCs 的重復(fù)頻率之差（圖. 1d）。雖然雙 OFC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于精確測(cè)距很有幫助，但重復(fù)頻率低意味著兩者之間脈沖發(fā)出時(shí)間間隔很大（圖. 1a）。這限制了 LiDAR 系統(tǒng)計(jì)算目標(biāo)信息的速率，通常稱為更新速率。

圖 1. 不同雙光頻梳的干涉測(cè)量特點(diǎn)。光纖光頻梳和微光頻梳各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。轉(zhuǎn)載自[1]。

解決這一問(wèn)題的一個(gè)潛在方法是使用微環(huán)諧振腔(micro-ring resonator, MRR)或 Kerr 頻率梳作為 OFC。西安光機(jī)所和華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種 DFC (dual-frequency comb)方法，該方法結(jié)合了傳統(tǒng) OFC 和 MRR 的優(yōu)點(diǎn)，在保持高精度測(cè)量的同時(shí)大幅提高更新速率。

解決方案

微環(huán)諧振腔通常是刻蝕在基材上的小結(jié)構(gòu)件，在使用泵浦激光驅(qū)動(dòng)時(shí)可以生成光頻梳。雖然 MRR的重復(fù)頻率可以達(dá)到很高的水平（圖 1b），但是它們也有重復(fù)頻率波動(dòng)和光頻不穩(wěn)定的問(wèn)題，這限制了長(zhǎng)時(shí)測(cè)距的精確度。

西安光機(jī)所和華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出的解決方案時(shí)使用一個(gè)光纖光頻梳和一個(gè) MRR 組成的 DFC 系統(tǒng)，如 圖 2 所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，一路調(diào)制的二極管激光（ECDL）用于 MRR 的泵浦源。在探測(cè)用于檢測(cè)的樣品前MRR 的輸出會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖放大器（EDFA）。光纖光頻梳不僅提供了穩(wěn)定的本振源來(lái)用于解調(diào)，同時(shí)十分重要的是提供了參考信號(hào)用于鎖定泵浦激光器。Moku:Lab 的激光鎖頻/穩(wěn)頻器（圖 2 中標(biāo)記為“Servo”）用于閉環(huán)反饋，監(jiān)測(cè)泵浦激光器和超穩(wěn)光頻梳之間誤差信號(hào)并通過(guò)內(nèi)置的 PID 控制器來(lái)提供反饋信號(hào)給激光器，它會(huì)修正泵浦激光頻率到我們的設(shè)定值。通過(guò)這個(gè)方式，科研人員可以精確且快速地控制兩個(gè)激光源之間的頻率差。而MRR 輸出信號(hào)的穩(wěn)定性也會(huì)受益于泵浦激光穩(wěn)定性的提升。

西安光機(jī)所的博士王志闖同時(shí)本篇文章的第一作者表述：Moku激光鎖頻/穩(wěn)頻器在提高 DFC 系統(tǒng)的測(cè)量精度方面發(fā)揮了巨大作用：

“我們嘗試過(guò)其他伺服器，但性能不夠好。我使用Moku 有一年半了，非常喜歡激光鎖頻/穩(wěn)頻器的高度集成性。它不需要外部混頻器，同時(shí)自帶 PID 控制器。”

圖 2. 西安光機(jī)所 DFC 測(cè)距實(shí)驗(yàn)示意圖。轉(zhuǎn)載自[1]

結(jié)果

通過(guò)使用混合 DFC 系統(tǒng)，西安光機(jī)所和華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)可以充分利用 MRR 的高重復(fù)頻率和光纖光頻梳的穩(wěn)定性。為了對(duì)他們的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，他們對(duì)一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)進(jìn)行成像操作，圓盤(pán)上有深淺不一的凹槽。結(jié)果可以在圖. 3f 中與商用坐標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)(CMM)一起比較。

圖 3. 測(cè)量結(jié)果來(lái)自參考 1 中的文章。包含(e)圖的重要結(jié)果，DFC 系統(tǒng)的 Allan 方差檢測(cè)結(jié)果，(f)在帶凹槽圓盤(pán)上進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。轉(zhuǎn)載自[1]。

有了泵浦激光鎖定后增加的穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)最終確定了他們的 DFC 系統(tǒng)的測(cè)量精度可以在 4.136 μs 平均時(shí)間下達(dá)到 3.572 μm，在 827.2 μs 平均時(shí)間下 達(dá)到 432 nm。由于 MRR 和光纖光頻梳巨大的重復(fù)頻率差，當(dāng)與雙光纖光頻梳系統(tǒng)比較時(shí)，該系統(tǒng)的測(cè)量速度提升了近 200倍。

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的 DFC 系統(tǒng)是一種同時(shí)保持極高測(cè)量精度和快速更新速率的超穩(wěn)測(cè)距解決方案，同時(shí)又兼具動(dòng)態(tài)控制的特點(diǎn)。亞微米 LiDAR 傳感器可用于制造和加工領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中測(cè)量精度和靈活性至關(guān)重要。

盡管這個(gè)研究項(xiàng)目已經(jīng)完成，王博士表示 Moku:Lab 上的其他儀器功能也可用于他將來(lái)的研究：

“我們計(jì)劃使用相位表來(lái)表征相位噪聲，同時(shí)使用時(shí)間間隔和頻率分析儀來(lái)測(cè)量Allan 方差。”