光學頻率梳（OFC）已經成為(wei) 精確測量頻率和距離的重要工具，已經在 LiDAR、微納器件的 3D 表麵輪廓和引力波探測等領域被廣泛国产成人在线观看免费网站。典型的 OFC 測量涉及許多的飛行時間檢測，它通過檢測激光脈衝(chong) 從(cong) 物體(ti) 反射並返回探測器（通常是光學幹涉儀(yi) ）所需的時間來測定到物體(ti) 或表麵的距離。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，通常需要犧牲其中一項。
Moku:Lab国产成人在线观看免费网站於(yu) 雙光頻梳鎖定實現高效精準測距
光學頻率梳（OFC）已經成為(wei) 精確測量頻率和距離的重要工具，已經在 LiDAR、微納器件的 3D 表麵輪廓和引力波探測等領域被廣泛国产成人在线观看免费网站。典型的 OFC 測量涉及許多的飛行時間檢測，它通過檢測激光脈衝(chong) 從(cong) 物體(ti) 反射並返回探測器（通常是光學幹涉儀(yi) ）所需的時間來測定到物體(ti) 或表麵的距離。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，通常需要犧牲其中一項。
近期，中科院西安光學精密機械研究所 (XIOPM) 和華中科技大學 (HUST) 的研究人員開發了一種新型精密測距方法，使用兩(liang) 個(ge) 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， Moku:Lab — 基於(yu) FPGA 的可重構的精密測試測量儀(yi) 器，為(wei) 科研人員提供了一體(ti) 化精簡的激光鎖頻解決(jue) 方案，不僅(jin) 顯著提高了測量質量且加速了項目進展。相關(guan) 研究成果以“Rapid and precise distance measurement with hybrid comb lasers”為(wei) 題發表於(yu) Advanced Photonics Nexus。
簡介與(yu) 挑戰
實驗中有多個(ge) 因素限製了距離測算的精度，包括激光頻率的穩定性和測量係統的時間分辨率。而光頻梳則是一種有助於(yu) 解決(jue) 這個(ge) 問題的獨特工具，它能以很穩定的重複頻率生成超短（飛秒）光脈衝(chong) 信號。如圖 1 所示，重複頻率是 OFC 的重要指標，它決(jue) 定了頻率分辨率 - 在頻域上的“梳齒”間距。
雙光頻梳測距技術通過結合使用兩(liang) 個(ge) OFC來提高性能，也成為(wei) 近年來測距領域的研究熱點。通過使用一個(ge) 重複頻率略有不同的 OFC 作為(wei) 本地振蕩器 (LO)，光譜分辨率可以降低到 Δf，即兩(liang) 個(ge) OFCs 的重複頻率之差（圖. 1d）。雖然雙 OFC 係統的穩定性對於(yu) 精確測距很有幫助，但重複頻率低意味著兩(liang) 者之間脈衝(chong) 發出時間間隔很大（圖. 1a）。這限製了 LiDAR 係統計算目標信息的速率，通常稱為(wei) 更新速率。
圖 1. 不同雙光頻梳的幹涉測量特點。光纖光頻梳和微光頻梳各有優(you) 勢和劣勢。轉載自 [1]。
解決(jue) 這一問題的一個(ge) 潛在方法是使用微環諧振腔(micro-ring resonator, MRR) 或 Kerr 頻率梳作為(wei) OFC。西安光機所和華中科技大學的科研團隊開發了一種 DFC (dual-frequency comb) 方法，該方法結合了傳(chuan) 統 OFC 和 MRR 的優(you) 點，在保持高精度測量的同時大幅提高更新速率。
解決(jue) 方案
微環諧振腔通常是刻蝕在基材上的小結構件，在使用泵浦激光驅動時可以生成光頻梳。雖然 MRR的重複頻率可以達到很高的水平（圖 1b），但是它們(men) 也有重複頻率波動和光頻不穩定的問題，這限製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(jue) 方案時使用一個(ge) 光纖光頻梳和一個(ge) MRR 組成的 DFC 係統，如 圖 2 所示。在這個(ge) 係統中，一路調製的二極管激光（ECDL）用於(yu) MRR 的泵浦源。在探測用於(yu) 檢測的樣品前MRR 的輸出會(hui) 經過一個(ge) 光纖放大器（EDFA）。光纖光頻梳不僅(jin) 提供了穩定的本振源來用於(yu) 解調，同時十分重要的是提供了參考信號用於(yu) 鎖定泵浦激光器。Moku:Lab 的激光鎖頻/穩頻器（圖 2 中標記為(wei) “Servo”）用於(yu) 閉環反饋，監測泵浦激光器和超穩光頻梳之間誤差信號並通過內(nei) 置的 PID 控製器來提供反饋信號給激光器，它會(hui) 修正泵浦激光頻率到我們(men) 的設定值。通過這個(ge) 方式，科研人員可以精確且快速地控製兩(liang) 個(ge) 激光源之間的頻率差。而MRR 輸出信號的穩定性也會(hui) 受益於(yu) 泵浦激光穩定性的提升。
西安光機所的博士王誌闖同時本篇文章的第1作者表述：Moku激光鎖頻/穩頻器在提高 DFC 係統的測量精度方麵發揮了巨大作用：
“我們(men) 嚐試過其他伺服器，但性能不夠好。我使用Moku 有一年半了，非常喜歡激光鎖頻/穩頻器的高度集成性。它不需要外部混頻器，同時自帶 PID 控製器。”
圖 2. 西安光機所 DFC 測距實驗示意圖。轉載自[1]
結果
通過使用混合 DFC 係統，西安光機所和華中科技大學的科研團隊可以充分利用 MRR 的高重複頻率和光纖光頻梳的穩定性。為(wei) 了對他們(men) 的係統進行評估，他們(men) 對一個(ge) 快速旋轉的圓盤進行成像操作，圓盤上有深淺不一的凹槽。結果可以在圖. 3f 中與(yu) 商用坐標檢測係統 (CMM) 一起比較。
圖 3. 測量結果來自參考 1 中的文章。包含 (e) 圖的重要結果，DFC 係統的 Allan 方差檢測結果，(f) 在帶凹槽圓盤上進行測距實驗的結果。轉載自[1]。
有了泵浦激光鎖定後增加的穩定性，團隊zui終確定了他們(men) 的 DFC 係統的測量精度可以在 4.136 µs 平均時間下達到 3.572 µm，在 827.2 µs 平均時間下 達到 432 nm。由於(yu) MRR 和光纖光頻梳巨大的重複頻率差，當與(yu) 雙光纖光頻梳係統比較時，該係統的測量速度提升了近 200 倍。
團隊開發的 DFC 係統是一種同時保持極高測量精度和快速更新速率的超穩測距解決(jue) 方案，同時又兼具動態控製的特點。亞(ya) 微米 LiDAR 傳(chuan) 感器可用於(yu) 製造和加工領域，在這些領域中測量精度和靈活性至關(guan) 重要。
盡管這個(ge) 研究項目已經完成，王博士表示 Moku:Lab 上的其他儀(yi) 器功能也可用於(yu) 他將來的研究：
“我們(men) 計劃使用相位表來表征相位噪聲，同時使用時間間隔和頻率分析儀(yi) 來測量Allan 方差。”
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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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