光学频率梳（OFC）已经成为精确测量频率和距离的重要工具，已经在 LiDAR、微纳器件的 3D 表面轮廓和引力波探测等领域被广泛应用。典型的 OFC 测量涉及许多的飞行时间检测，它通过检测激光脉冲从物体反射并返回探测器（通常是光学干涉仪）所需的时间来测定到物体或表面的距离。虽然测量概念很简单，但要同时精确且快速地完成测量极具挑战，通常需要牺牲其中一项。

近期，中科院西安光学精密机械研究所 (XIOPM) 和华中科技大学 (HUST) 的研究人员开发了一种新型精密测距方法，使用两个光学频率梳来达到测量精度和测量速度的最佳平衡。在该项目中， Moku:Lab — 基于 FPGA 的可重构的精密测试测量仪器，为科研人员提供了一体化精简的激光锁频解决方案，不仅显著提高了测量质量且加速了项目进展。相关研究成果以“Rapid and precise distance measurement with hybrid comb lasers”为题发表于Advanced Photonics Nexus。

简介与挑战

实验中有多个因素限制了距离测算的精度，包括激光频率的稳定性和测量系统的时间分辨率。而光频梳则是一种有助于解决这个问题的独特工具，它能以极其稳定的重复频率生成超短（飞秒）光脉冲信号。如图 1 所示，重复频率是 OFC 的重要指标，它决定了频率分辨率 - 在频域上的“梳齿”间距。

双光频梳测距技术通过结合使用两个OFC来提高性能，也成为近年来测距领域的研究热点。通过使用一个重复频率略有不同的 OFC 作为本地振荡器 (LO)，光谱分辨率可以降低到 Δf，即两个 OFCs 的重复频率之差（图. 1d）。虽然双 OFC 系统的稳定性对于精确测距很有帮助，但重复频率低意味着两者之间脉冲发出时间间隔很大（图. 1a）。这限制了 LiDAR 系统计算目标信息的速率，通常称为更新速率。

图 1. 不同双光频梳的干涉测量特点。光纤光频梳和微光频梳各有优势和劣势。转载自 [1]。

解决这一问题的一个潜在方法是使用微环谐振腔(micro-ring resonator, MRR) 或 Kerr 频率梳作为 OFC。西安光机所和华中科技大学的科研团队开发了一种 DFC (dual-frequency comb) 方法，该方法结合了传统 OFC 和 MRR 的优点，在保持高精度测量的同时大幅提高更新速率。

解决方案

微环谐振腔通常是刻蚀在基材上的小结构件，在使用泵浦激光驱动时可以生成光频梳。虽然 MRR的重复频率可以达到很高的水平（图 1b），但是它们也有重复频率波动和光频不稳定的问题，这限制了长时测距的精确度。

西安光机所和华中科技大学的科研团队提出的解决方案时使用一个光纤光频梳和一个 MRR 组成的 DFC 系统，如 图 2 所示。在这个系统中，一路调制的二极管激光（ECDL）用于 MRR 的泵浦源。在探测用于检测的样品前MRR 的输出会经过一个光纤放大器（EDFA）。光纤光频梳不仅提供了稳定的本振源来用于解调，同时十分重要的是提供了参考信号用于锁定泵浦激光器。Moku:Lab 的激光锁频/稳频器（图 2 中标记为 “Servo”）用于闭环反馈，监测泵浦激光器和超稳光频梳之间误差信号并通过内置的 PID 控制器来提供反馈信号给激光器，它会修正泵浦激光频率到我们的设定值。通过这个方式，科研人员可以精确且快速地控制两个激光源之间的频率差。而MRR 输出信号的稳定性也会受益于泵浦激光稳定性的提升。

西安光机所的博士王志闯同时本篇文章的第一作者表述：Moku激光锁频/稳频器在提高 DFC 系统的测量精度方面发挥了巨大作用：

“我们尝试过其他伺服器，但性能不够好。我使用Moku 有一年半了，非常喜欢激光锁频/稳频器的高度集成性。它不需要外部混频器，同时自带 PID 控制器。”

图 2. 西安光机所 DFC 测距实验示意图。转载自[1]

结果

通过使用混合 DFC 系统，西安光机所和华中科技大学的科研团队可以充分利用 MRR 的高重复频率和光纤光频梳的稳定性。为了对他们的系统进行评估，他们对一个快速旋转的圆盘进行成像操作，圆盘上有深浅不一的凹槽。结果可以在图. 3f 中与商用坐标检测系统 (CMM) 一起比较。

图 3. 测量结果来自参考 1 中的文章。包含 (e) 图的重要结果，DFC 系统的 Allan 方差检测结果，(f) 在带凹槽圆盘上进行测距实验的结果。转载自[1]。

有了泵浦激光锁定后增加的稳定性，团队最终确定了他们的 DFC 系统的测量精度可以在 4.136 µs 平均时间下达到 3.572 µm，在 827.2 µs 平均时间下 达到 432 nm。由于 MRR 和光纤光频梳巨大的重复频率差，当与双光纤光频梳系统比较时，该系统的测量速度提升了近 200 倍。

团队开发的 DFC 系统是一种同时保持极高测量精度和快速更新速率的超稳测距解决方案，同时又兼具动态控制的特点。亚微米 LiDAR 传感器可用于制造和加工领域，在这些领域中测量精度和灵活性至关重要。

尽管这个研究项目已经完成，王博士表示 Moku:Lab 上的其他仪器功能也可用于他将来的研究：

“我们计划使用相位表来表征相位噪声，同时使用时间间隔和频率分析仪来测量Allan 方差。”

参考

[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