激光测距新标杆：无测量死区的微腔孤子光频梳测距

来源：两江科技评论

 利用激光测距的光雷达技术(Lidar, Light Detection and Ranging的缩写)，在很多领域都有应用，例如大气物理、地貌测量、高精度地图测绘、三维打印技术，以及测距测速方面（该功能对无人驾驶尤为关键）。其原理很简单，用激光脉冲照射探测目标 ，通过预先知道的激光波长和它在传播介质里的速度，以及测量中获得反射光信号需要的时间，可以得到与被探测目标的距离信息。

但是，同时实现高速、高精度以及长距离的测量，对传统的激光雷达技术而言有一定的困难。另一方面，激光技术中光频梳的发明人John L. Hall 和 Theodor W. Hänsch因其重要发明获得2005年的诺贝尔奖。何谓光频梳？它们就好比频域中的高精度 “尺子”，在光频梳的频谱里呈现等距频率的信号，在时域上它是稳定的激光脉冲序列。

近年来集成光学的进展也推动了利用芯片上的高品质光学微腔产生光频梳的发展，天津大学张福民教授团队与中国科学院西安光学精密机械研究所张文富研究员团队合作，利用芯片上品质因子超过百万的光学微环谐振腔产生的光频梳验证了高精度的长距离测量，该文章作为封面文章发表在Photonics Research2020年第12期上。

大尺寸高精度距离测量在前沿科学研究和先进工业制造等领域中发挥着至关重要的作用，如卫星编队组网、飞行器着陆对接、孔径雷达合成、大飞机外形测量等均依赖于远距离、高精度位置探测定位。其中，激光探测与测距技术因具有较高的分辨力和优良的抗干扰能力，一直广受关注。

随着太空探索、工业制造等快速发展，对高性能激光测距系统的需求也日益提升。然而，在现有的激光测距方法中，无论是基于光纤光频梳还是基于连续激光都很难同时兼顾长距离、高精度、小体积以及快测量速度等指标。

近日，天津大学张福民教授团队与中国科学院西安光学精密机械研究所张文富研究员团队合作，基于色散干涉原理，利用单个高重复频率（≈50 GHz）的微腔孤子光学频率梳（Soliton microcomb, SMC）实现了大于1 km的长程高精度测距，解决了利用传统低重复频率光纤光频梳色散干涉测距中存在测量死区的问题，该研究成果发表于Photonics Research 2020年第12期上。

图1. 微腔孤子光频梳产生示意图

该研究团队成功搭建了基于频域干涉的长距离测量系统，进行了系列技术创新与工程开发：

1）研制出高重复频率微腔孤子光频梳（图1），解决了传统光频梳频域干涉测距系统中脉冲激光重复频率与光谱采集分辨率失配导致的固有测量死区问题。微腔孤子光频梳是一种新型宽带相干光源，具有与传统光纤光频梳类似的严格等频距梳状光谱，此外，由于光学微谐振腔具有小尺寸的优点，从而微腔孤子光频梳可以实现大于10 GHz的高重复频率。实验将脉冲激光重复频率提高到50 GHz，对系统的测量死区进行了有效消除，使可测范围覆盖了整个待测区域；

2）针对微腔孤子光频梳环境适应性问题，对微腔芯片进行了高可靠光学封装与TEC（Thermal Electric Cooler，半导体制冷器）温控，开发了程序控制一键自启动微腔孤子光频梳的产生系统，实现了长时间稳定锁模，从而使其适用于户外环境长距离测量；

3）为了进一步提高测量距离，将相位调制连续激光测距作为辅助测量，用以估计待测距离的粗测值，再结合微腔孤子光频梳的精测值，从而可以将系统的无死区可测范围扩大到1500 m，这是首次实现的基于微腔孤子光频梳长距离测量的应用。

在中国计量科学研究院的支持下，该研究团队在拥有80 m大理石气浮导轨的地下洁净实验室和户外1200 m标准测距基线场两种场景中分别对微腔孤子光梳测距系统进行了性能测试。在室内实验中，以高精度的增量式激光干涉仪作为参考，孤子光频梳测距系统的精度可达纳米量级；在户外实验中，为了达到对空气折射率进行实时标定的目的，利用传感器对空气参数进行实时测量。在1179 m处，成功测量了振幅几十微米的高频振动，并且静态测量的最小ALLAN方差可达5.6 μm，接着，再利用高通滤波滤出空气波动后，最小ALLAN方差可降至27 nm，从而实现了户外长距离的高精度、无死区测量（图2）。

图2. 基于微腔孤子光频梳的长距离测量示意图

微腔光频梳具备独特的光学性能，尤其在小型化甚至芯片化方面具有巨大潜力，将其与精密测量相结合可以发挥重大作用。另外，其在先进制造、工业生产、航空航天等领域也有巨大的应用前景。

今后，微腔光频梳的稳频锁相以及仪器化、集成化将是其发展的重点方向。此外，对于高精度测距系统而言，折射率的精确标定、空气波动影响的消除也是亟待解决的问题。