光學頻率梳（OFC）已經(jīng)成為精確測量頻率和距離的重要工具胶惰，已經(jīng)在 LiDAR傻工、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孵滞，它通過檢測激光脈沖從物體反射并返回探測器（通常是光學干涉儀）所需的時間來測定到物體或表面的距離中捆。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)坊饶，通常需要犧牲其中一項泄伪。
Moku:Lab應(yīng)用于雙光頻梳鎖定實現(xiàn)高效精準測距
光學頻率梳（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匿级、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)用蟋滴。典型的 OFC 測量涉及許多的飛行時間檢測染厅，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津函，但要同時精確且快速地完成測量極具挑戰(zhàn)肖粮，通常需要犧牲其中一項。
近期尔苦，中科院西安光學精密機械研究所 (XIOPM) 和華中科技大學 (HUST) 的研究人員開發(fā)了一種新型精密測距方法涩馆，使用兩個光學頻率梳來達到測量精度和測量速度的平衡。在該項目中蕉堰， Moku:Lab — 基于 FPGA 的可重構(gòu)的精密測試測量儀器凌净，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)量且加速了項目進展屋讶。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冰寻。
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)的時間分辨率皿渗。而光頻梳則是一種有助于解決這個問題的獨特工具斩芭，它能以很穩(wěn)定的重復頻率生成超短（飛秒）光脈沖信號。如圖 1 所示乐疆，重復頻率是 OFC 的重要指標划乖，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來提高性能挤土，也成為近年來測距領(lǐng)域的研究熱點琴庵。通過使用一個重復頻率略有不同的 OFC 作為本地振蕩器 (LO)，光譜分辨率可以降低到 Δf仰美，即兩個 OFCs 的重復頻率之差（圖. 1d）迷殿。雖然雙 OFC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于精確測距很有幫助，但重復頻率低意味著兩者之間脈沖發(fā)出時間間隔很大（圖. 1a）咖杂。這限制了 LiDAR 系統(tǒng)計算目標信息的速率庆寺，通常稱為更新速率。
圖 1. 不同雙光頻梳的干涉測量特點诉字。光纖光頻梳和微光頻梳各有優(yōu)勢和劣勢懦尝。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壤圃。西安光機所和華中科技大學的科研團隊開發(fā)了一種 DFC (dual-frequency comb) 方法陵霉，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伍绳。
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)件撩匕，在使用泵浦激光驅(qū)動時可以生成光頻梳。雖然 MRR的重復頻率可以達到很高的水平（圖 1b）墨叛，但是它們也有重復頻率波動和光頻不穩(wěn)定的問題止毕，這限制了長時測距的精確度。
西安光機所和華中科技大學的科研團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)漠趁，如 圖 2 所示扁凛。在這個系統(tǒng)中，一路調(diào)制的二極管激光（ECDL）用于 MRR 的泵浦源闯传。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）谨朝。光纖光頻梳不僅提供了穩(wěn)定的本振源來用于解調(diào)康二，同時十分重要的是提供了參考信號用于鎖定泵浦激光器戏罢。Moku:Lab 的激光鎖頻/穩(wěn)頻器（圖 2 中標記為 “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一忱，它會修正泵浦激光頻率到我們的設(shè)定值共缕。通過這個方式洗出，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)定性的提升图谷。
西安光機所的博士王志闖同時本篇文章的第1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翩活，但性能不夠好。我使用Moku 有一年半了便贵，非常喜歡激光鎖頻/穩(wěn)頻器的高度集成性菠镇。它不需要外部混頻器，同時自帶 PID 控制器承璃±＃”
圖 2. 西安光機所 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)盔粹，西安光機所和華中科技大學的科研團隊可以充分利用 MRR 的高重復頻率和光纖光頻梳的穩(wěn)定性隘梨。為了對他們的系統(tǒng)進行評估，他們對一個快速旋轉(zhuǎn)的圓盤進行成像操作玻佩，圓盤上有深淺不一的凹槽出嘹。結(jié)果可以在圖. 3f 中與商用坐標檢測系統(tǒng) (CMM) 一起比較。
圖 3. 測量結(jié)果來自參考 1 中的文章咬崔。包含 (e) 圖的重要結(jié)果税稼，DFC 系統(tǒng)的 Allan 方差檢測結(jié)果，(f) 在帶凹槽圓盤上進行測距實驗的結(jié)果垮斯。轉(zhuǎn)載自[1]郎仆。
有了泵浦激光鎖定后增加的穩(wěn)定性，團隊zui終確定了他們的 DFC 系統(tǒng)的測量精度可以在 4.136 μs 平均時間下達到 3.572 μm兜蠕，在 827.2 μs 平均時間下 達到 432 nm扰肌。由于 MRR 和光纖光頻梳巨大的重復頻率差，當與雙光纖光頻梳系統(tǒng)比較時熊杨，該系統(tǒng)的測量速度提升了近 200 倍曙旭。
團隊開發(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)測距解決方案盗舰，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)域桂躏，在這些領(lǐng)域中測量精度和靈活性至關(guān)重要钻趋。
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剂习，同時使用時間間隔和頻率分析儀來測量Allan 方差蛮位。”
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參考文獻
[1] Z. Wang, J. Zhi, H. Wu, B. E. Little, S. T. Chu, J. Zhang, Z. Lu, C. Shao, W. Wang, and W. Zhang. “Rapid and precise distance measurement with hybrid comb lasers,“ (2024). https://doi.org/10.1117/1.APN.3.4.046006
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