光學(xué)頻率梳（OFC）已經(jīng)成為精確測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等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。典型的 OFC 測量涉及許多的飛行時間檢測，它通過檢測激光脈沖從物體反射并返回探測器（通常是光學(xué)干涉儀）所需的時間來測定到物體或表面的距離。雖然測量概念很簡單，但要同時精確且快速地完成測量極具挑戰(zhàn)，通常需要犧牲其中一項。

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)的研究人員開發(fā)了一種新型精密測距方法，使用兩個光學(xué)頻率梳來達(dá)到測量精度和測量速度的最佳平衡。在該項目中， Moku:Lab — 基于 FPGA 的可重構(gòu)的精密測試測量儀器，為科研人員提供了一體化精簡的激光鎖頻解決方案，不僅顯著提高了測量質(zhì)量且加速了項目進(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。

簡介與挑戰(zhàn)

實驗中有多個因素限制了距離測算的精度，包括激光頻率的穩(wěn)定性和測量系統(tǒng)的時間分辨率。而光頻梳則是一種有助于解決這個問題的獨特工具，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。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。

雙光頻梳測距技術(shù)通過結(jié)合使用兩個OFC來提高性能，也成為近年來測距領(lǐng)域的研究熱點。通過使用一個重復(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 OFCs 的重復(fù)頻率之差（圖. 1d）。雖然雙 OFC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于精確測距很有幫助，但重復(fù)頻率低意味著兩者之間脈沖發(fā)出時間間隔很大（圖. 1a）。這限制了 LiDAR 系統(tǒng)計算目標(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量特點。光纖光頻梳和微光頻梳各有優(yōu)勢和劣勢。轉(zhuǎn)載自[1]。

解決這一問題的一個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)隊開發(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，在保持高精度測量的同時大幅提高更新速率。

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)動時可以生成光頻梳。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)頻率波動和光頻不穩(wěn)定的問題，這限制了長時測距的精確度。

西安光機(jī)所和華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊提出的解決方案時使用一個光纖光頻梳和一個 MRR 組成的 DFC 系統(tǒng)，如 圖 2 所示。在這個系統(tǒng)中，一路調(diào)制的二極管激光（ECDL）用于 MRR 的泵浦源。在探測用于檢測的樣品前MRR 的輸出會經(jīng)過一個光纖放大器（EDFA）。光纖光頻梳不僅提供了穩(wěn)定的本振源來用于解調(diào)，同時十分重要的是提供了參考信號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)測泵浦激光器和超穩(wěn)光頻梳之間誤差信號并通過內(nèi)置的 PID 控制器來提供反饋信號給激光器，它會修正泵浦激光頻率到我們的設(shè)定值。通過這個方式，科研人員可以精確且快速地控制兩個激光源之間的頻率差。而MRR 輸出信號的穩(wěn)定性也會受益于泵浦激光穩(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)的測量精度方面發(fā)揮了巨大作用：

“我們嘗試過其他伺服器，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，同時自帶 PID 控制器?！?/p>

圖 2. 西安光機(jī)所 DFC 測距實驗示意圖。轉(zhuǎn)載自[1]

結(jié)果

通過使用混合 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。為了對他們的系統(tǒng)進(jìn)行評估，他們對一個快速旋轉(zhuǎn)的圓盤進(jìn)行成像操作，圓盤上有深淺不一的凹槽。結(jié)果可以在圖. 3f 中與商用坐標(biāo)檢測系統(tǒng)(CMM)一起比較。

圖 3. 測量結(jié)果來自參考 1 中的文章。包含(e)圖的重要結(jié)果，DFC 系統(tǒng)的 Allan 方差檢測結(jié)果，(f)在帶凹槽圓盤上進(jìn)行測距實驗的結(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)隊最終確定了他們的 DFC 系統(tǒng)的測量精度可以在 4.136 μs 平均時間下達(dá)到 3.572 μm，在 827.2 μs 平均時間下 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，該系統(tǒng)的測量速度提升了近 200倍。

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

盡管這個研究項目已經(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的研究：

“我們計劃使用相位表來表征相位噪聲，同時使用時間間隔和頻率分析儀來測量Allan 方差?！?/p>