可测量距离扩展的双光学频率梳及绝对距离的实时测量 | 进展

快速、高精度和长距离的绝对距离测量在航空航天、大地测绘、航海等领域具有重要的应用。飞秒光学频率梳（简称光梳）由于兼具丰富光谱成分和稳定重复频率的特性，人们用其发展了多种绝对距离测量方法。其中双光梳绝对距离测量技术基于异步光学采样原理，将对光的测量直接转换到相干电学测量，具有更新速度快（μs-ms）、测量精度高（nm-μm）等特点，成为了近年来先进的测距方案之一，在空间导航、引力波探测等重大战略领域倍受关注，被视为是未来最具潜力的空间测距技术。但是直接的双光梳可测距范围（non-ambiguity range）受限于其重复频率，通常重复频率是100 MHz时，可精确测量的距离只有1.5米左右，限制了对大距离的测量应用。虽然通过改变光梳重复频率进行两次独立测距可将无模糊的测距范围扩展到千米量级，但这种方案破坏了双光梳测距的实时性，无法对运动物体的绝对距离进行实时跟踪测量。

图1 实验装置图

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L07组自成立以来，持续在光学频率梳相关的研究方面取得了系列重要进展。最近该研究组的韩海年副研究员、邵晓东博士后在魏志义研究员等人的参与下，提出并实现了一种可测量距离扩展的双光梳绝对距离实时测量方案，该方案巧妙利用两个光梳的偏振合束和分束，可以同时获得信号梳和本振梳互换的两组干涉图，在不改变信号梳重复频率的情况下可以将可测量距离从米量级扩展到几十甚至数百公里，同时可直接测量实时移动物体的绝对距离。

图2 运动物体穿越死区的动态绝对距离测量

该研究采用自建的两套掺Yb光纤光梳作为光源，重复频率分别设置为201.2 MHz和201.2 MHz+5.4 kHz。针对测距要求，两套光梳实现了非常稳定可靠的性能（详细报导已发表Optics Express（Opt. Express 31(20), 32813-32823 (2023)）。测距时首先将两个光梳的输出进行偏振合束，然后再将合束后的脉冲分束到参考臂和目标臂进行距离测量，返回脉冲合束后经过第二偏振分束棱镜分成两束并进行光电探测和数据处理，从而获得绝对距离。图1所示为实验装置示意图，该方案利用两个光梳本身的重频差，通过偏振分离实现了对两个光梳交换（信号光梳和本振光梳）的干涉信号的同时测量，避免了再改变一次重复频率的操作。室内演示静态测距结果的可测量距离从0.75m扩展到了27km，减小重频差可以进一步扩展到数百甚至数千公里。为了验证动态实时测量效果，实验也演示证明了当移动目标穿过3~4倍可测量距离死区时的动态距离测量，结果也表明测距更新时间仅为925μs，残差距离的标准偏差为1.48μm，测量结果如图2所示。

该进展近期以“Dual-comb interchanging absolute distance measurement with non-ambiguity range extension”为题发表在Applied Physics Letters上。（Appl. Phys. Lett. 124, 171103 (2024)）。工作获得了中国科学院先导专项(XDA1502040404, XDB210104004)及国家自然科学基金项目 (62305373)的支持。

编辑：7号机

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.