光頻梳作為一種新型光源，由鎖模激光器產生。光頻梳作為時域和頻域的超精密“光尺”，對精密計量領域帶來了革命性的進展，也因此獲得了2005年的諾貝爾獎。
2000年，日本工業技術院計量研究所的美濃島熏(Kaoru Minoshima)教授首次提出了基于光頻梳及其倍頻光梳的絕對距離測量方法。利用光頻梳多縱模之間的拍頻相位信息，在距240 m遠處，實現了8 ppm的測量精度[1]。2009年，美國國家標準局(NIST) I. Coddington博士又提出了異步鎖定雙光梳測距方法[2]。
隨后美國、日本、德國等國家的其他研究人員，和國內包括清華大學、天津大學、中國計量院、中國科學院光電研究院等單位也對雙光梳測距進行了深入研究，也相繼提出了光譜干涉、脈沖對準、雙光梳測距等幾種測距方法。
其中雙光梳測距方法能充分利用光頻梳光譜分辨率高，脈沖速率高的優勢，在測量精度、測量速度和非模糊范圍等方面提供了獨一無二的綜合性能。同時，雙光頻梳相關技術還被美國NIST推廣到了時間同步技術。
雙光梳是如何測距的？
圖1 雙光梳測距原理
雙光梳測距原理如圖1所示，光源由兩臺具有微小重頻差（Δfr）的光梳組成，其中光梳1為信號光梳（重頻為fr1），光梳2為本振光梳（重頻為fr2 = fr1+Δfr）。
信號光梳發出的信號脈沖經過邁克爾遜干涉光路，在分光棱鏡BS1處分離，經測量鏡（M）和參考鏡（R）定向反射后產生在時域上分離的參考脈沖和測量脈沖。時延為Δτ的參考脈沖和測量脈沖經分光鏡合光之后與本振光梳發出的本振脈沖合光。
由于信號脈沖時間周期（Tr1 = 1/ fr1）和本振脈沖時間周期（Tr2 =1/ fr2）具有微小差別，因此每經過一個脈沖時間周期兩列脈沖會產生ΔT = Δfr/(fr1·fr2)的時間滑移，即由本振光脈沖對參考脈沖和測量脈沖的線性采樣，在每個測量周期內（Tupdate = 1/Δfr），出現一對時間延遲為Δt的參考干涉信號（IR）和測量干涉信號（IM）。
通過雙光梳的線性互相關采樣，原先以Tr1 =1/ fr1為重復周期的脈沖信號，放大成了周期Tupdate=1/Δfr的互相關信號，時域放大比例因子為fr1/Δfr，故被測距離值D可表示為：
其中Vg代表光脈沖的群速度。我們通常將這種測距方法稱為雙光梳飛行時間法，由于時域尺度的放大，雙光梳飛行時間法擺脫了傳統脈沖飛行時間測距中光電探測器帶寬的限制，實現了在千赫茲測量速度下，微米級精度的絕對距離測量，其測量性能已經能滿足絕大多數工業應用的需求。
清華大學自主研制的雙光梳絕對測距設備將雙光梳光源、測距光路和數據處理系統集成，目前已經在航天領域的空間相機絕對變形測量，衛星天線展開的地面驗證測量中進行了應用。以衛星天線測量為例，超高精度的天線基線測量技術是遙感衛星對地觀測領域中的重要共性問題，因為基線測量精度直接影響到遙感衛星產品的精度。
圖2 天線展開測量
如圖2所示，測量方法是在天線上安裝測量鏡，通過計算測量鏡和激光發射器之間的相對位置關系，確定基線的軸向位置。通過引入雙光梳絕對測距設備可以實現大量程、高精度、快速的基線測量，為新一代遙感衛星的發展提供了更高水平的定位方法。
該設備通過了中國計量院的檢驗測試，與中國計量院的標準干涉儀進行比對，在50 m測量范圍內實現了0.2 ppm的測量精度。這里，我們主要對雙光梳飛行時間法進行了介紹，如果要進一步提高測距精度以應對更高水平的工業應用或實驗研究，可以通過對互相關信號進行傅里葉變換，提取參考互相關信號和測量互相關信號的載波相位差來實現。但是提取穩定載波相位差信息需要基于相位穩定的雙光梳系統，這需要在原有光梳的基礎上增加額外的噪聲抑制或補償措施。
高重頻微腔光梳是新機遇？
在工業應用中，設備的小型化與集成化是雙光梳測距系統亟需解決的首要問題。目前系統主要以光纖激光器作為光源，為實現光源的穩定運行，需要一系列復雜的溫度控制以及頻率計數與鎖定裝置，導致體積較大。為實現測距設備的小型化，光纖激光器的集成和控制設備模塊化是非常必要的。
近年來，高重頻微腔光梳的出現也為光頻梳的小型化和集成化帶來了新的機遇，國內外研究人員嘗試用微腔光梳替代傳統的光纖光梳在雙光梳測距中進行了試驗。這樣的雙光梳系統可以提供更高的重頻差，實現兆赫茲量級測量速率、亞微米級精度下的距離測量。但同時高重頻差也意味著較小的非模糊范圍，需要輔助方法消除這個模糊。目前微腔光梳及微腔光梳測距技術還處于原理實驗階段，離工業應用還有一段距離。
雙光梳測距多應用于合作目標探測，即需要在測量目標上安裝角錐棱鏡或反射鏡作為靶鏡，通過探測回光的信息從而計算與被測目標的距離。而在例如激光雷達等應用中，通常沒有固定目標，無法利用合作目標探測。
圖3 光梳激光雷達
瑞士洛桑工業大學提出了一種基于微腔光梳的激光雷達，如圖3所示，該雷達通過衍射元件將光梳的不同頻率分量(ω)色散到被測目標的不同區域，利用目標的漫反射回光信息實現了對整個目標距離(x)和速度(v)的恢復[3]。這是光頻梳測距在非合作目標測量領域的一種新的嘗試，在這樣應用中，對激光器的能量、重頻等指標也提出了更高的要求。
未來，隨著光頻梳技術的發展，雙光梳將成為一種便捷的光學測量工具，并有望代替傳統測距工具在科學研究和工業界中廣泛應用。
參考文獻
1. K. Minoshima and H.Matsumoto.High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser[J].Appl.Opt.39(30),5512–5517 (2000).
2. I.Coddington, W.C.Swann, L.Nenadovic, et al. Rapid and precise absolute distance measurements at long range[J].Nat. Photonics 3(6), 351–356 (2009).
3. J.Riemensberger, A.Lukashchuk, M.Karpov, et al. Massively parallel coherent laser ranging using soliton microcombs[J].arXiv: 1912.11374 (2019).
該文摘編自《光電產品與資訊》2020年6月刊“激光雷達”專題，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。此文章版權歸作者顧波本人所有，如因內容、版權問題存在異議的，請在20個工作日內與我們取得聯系，聯系方式：0510-83781808。網站及新媒體平臺將加強監控與審核，一旦發現違反規定的內容，按國家法規處理，處理時間不超過24小時。本站擁有對此聲明的最終解釋權。
