混合梳：绝对距离测量新方法 | Adv. Photon. Nexus
2005年，诺贝尔物理学奖颁发给了德国物理学家Theodor W. Hansch和美国物理学家John L. Hall，以表彰他们在光学频率梳的发展及其光学精密计量领域的杰出贡献。得益于光学频率梳的发明，时间频率标准、光谱学和绝对距离测量等领域取得了革命性的进展。绝对距离测量在科学和工业的多种领域有着至关重要的作用，如基础物理量测量、引力波探测、激光雷达测距、精密加工、卫星紧密编队飞行和航天器交会对接等。双光梳测距充分发挥了光频梳脉冲速率快和光谱分辨率高的优势，且可以在不同种类的光频梳平台上实现（例如光纤光频梳和微腔光频梳），在测量速度、非模糊范围及测量精度等技术指标方面具备更好的综合性能，也成为近年来测距领域的研究热点。
目前，双光纤梳测距最为成熟，已广泛应用于工业计量领域。由于光纤光频梳的低重频，双光纤梳测距的测量速度在kHz水平。最近，具有低功耗、可集成、高重频（X波段-太赫兹波段）的微腔光频梳受到越来越多的关注，双微腔梳测距拥有更高的测量速度（～MHz）。但由于很难用f-2f自参考技术实现载波包络偏移频率的锁定，产生重频低于100GHz的倍频程微腔光频梳仍是一个挑战。因此，微腔光频梳梳齿的频率（相位）波动限制了长期的测距精度。
近日，中国科学院西安光机所张文富课题组和华中科技大学物理学院引力中心吴翰钟课题组首次利用全锁定的微腔梳和光纤梳混合测距系统实现了250kHz更新率、单次测量精度3.572μm的绝对距离测量。与传统的250MHz重频的双光纤梳系统相比，该系统的测量速度提升了196倍。全锁定的微腔光频梳的重频稳定度为3.1×10-14@1s，梳齿频率稳定度为1.4×10-13@1s。相关研究工作以Rapid and precise distance measurement with hybrid comb lasers为题发表于Advanced Photonics Nexus2024年第4期。
混合梳测距的原理如图1所示，将微腔光频梳的泵浦激光通过锁相环技术锁定到光纤光频梳上，全锁定的微腔光频梳和光纤光频梳即可获得长期的高相干性。微腔梳的重频为48.943GHz，光纤梳的重频为249.711MHz，相差196倍。在时域上，将一个光纤梳脉冲与196个微腔梳脉冲异步光学采样，可使得等效测量速度提升196倍；在频域上，产生以等效重频差为间隔的不同中心频率的射频梳，每一组射频梳都包含距离信息。
利用辅助激光热平衡法产生微腔单孤子光频梳之后，采用注入锁定方案对泵浦激光进行正弦调制，实现重频的注入锁定。锁定重频的线宽比自由运转重频压窄很多，频谱仪已经测不到其线宽（图2a），锁定重频的单边带相位噪声在1Hz处相噪为-57.54dBc/Hz，与锁定前相噪相比降低了97dBc/Hz（图2b），锁定重频的频率稳定度为3.1×10-14@1s，与锁定前相比稳定度降低5个数量级（图2c）。图2d展示了对锁定重频的大范围调频：微腔光频梳的泵浦激光通过锁相环技术锁定到光纤光频梳上，等效锁定载波包络偏移频率。至此，即获得一套全锁定的微腔梳。继而选择泵浦激光（1560nm）和第20根梳齿（1568nm）进行锁定性能测试。锁定前后梳齿的单边带相位噪声如图2e所示，锁定泵浦激光和锁定第20根梳齿的频率稳定度为1.4×10-13@1s，与未锁定相比稳定度提高4个量级，如图2f所示。
在测距中，微腔梳作为信号梳分成测量路和参考路两路。光纤光频梳作为本振梳，对信号梳进行异步光学采样，干涉信号如图3a所示。图3b展示了位移台每次移动0.05m时混合梳测距系统与商用激光干涉仪测距的残差和标准差，受限于实验室的环境，系统测量不确定度为2.5μm @ 1m。研究人员在位移台0.5m位置处进行了长期测量，艾伦偏差由3.572μm @ 4.136μs 提高到了432nm @ 827.2μs，如图3c。研究人员还测量了150m/s转速飞盘的表面轮廓，如图3d。
图3 测距实验结果 a 混合双梳干涉信号；b 混合双梳干涉测距和商用激光干涉仪测距的残差和标准差；c 在0.5米处的测距艾伦偏差图；d 测量飞盘的表面轮廓，黑点为系统测量结果，红线为三维坐标机测量结果
本研究的混合测距方案不仅继承了光纤梳易于锁定的优势，而且还由于微腔梳的存在可以实现超快速测量。从更广泛的角度来看，混合技术适用于不同类型的光频梳，能够为双梳干涉测量提供新的视角，有提高整体性能的潜力。
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