吴冠豪、周思宇，清华大学精密仪器系，精密测试技术及仪器国家重点实验室
光频梳作为一种新型光源，由锁模激光器产生。光频梳作为时域和频域的超精密“光尺”，对精密计量领域带来了革命性的进展，也因此获得了2005年的诺贝尔奖。
2000年，日本工业技术院计量研究所的美濃島熏(Kaoru Minoshima)教授首次提出了基于光频梳及其倍频光梳的绝对距离测量方法。利用光频梳多纵模之间的拍频相位信息，在距240 m远处，实现了8 ppm的测量精度[1]。2009年，美国国家标准局(NIST) I. Coddington博士又提出了异步锁定双光梳测距方法[2]。
随后美国、日本、德国等国家的其他研究人员，和国内包括清华大学、天津大学、中国计量院、中国科学院光电研究院等单位也对双光梳测距进行了深入研究，也相继提出了光谱干涉、脉冲对准、双光梳测距等几种测距方法。
其中双光梳测距方法能充分利用光频梳光谱分辨率高，脉冲速率高的优势，在测量精度、测量速度和非模糊范围等方面提供了独一无二的综合性能。同时，双光频梳相关技术还被美国NIST推广到了时间同步技术。
双光梳是如何测距的？
图1 双光梳测距原理
双光梳测距原理如图1所示，光源由两台具有微小重频差（Δfr）的光梳组成，其中光梳1为信号光梳（重频为fr1），光梳2为本振光梳（重频为fr2 = fr1+Δfr）。
信号光梳发出的信号脉冲经过迈克尔逊干涉光路，在分光棱镜BS1处分离，经测量镜（M）和参考镜（R）定向反射后产生在时域上分离的参考脉冲和测量脉冲。时延为Δτ的参考脉冲和测量脉冲经分光镜合光之后与本振光梳发出的本振脉冲合光。
由于信号脉冲时间周期（Tr1 = 1/ fr1）和本振脉冲时间周期（Tr2 =1/ fr2）具有微小差别，因此每经过一个脉冲时间周期两列脉冲会产生ΔT = Δfr/(fr1·fr2)的时间滑移，即由本振光脉冲对参考脉冲和测量脉冲的线性采样，在每个测量周期内（Tupdate = 1/Δfr），出现一对时间延迟为Δt的参考干涉信号（IR）和测量干涉信号（IM）。
通过双光梳的线性互相关采样，原先以Tr1 =1/ fr1为重复周期的脉冲信号，放大成了周期Tupdate=1/Δfr的互相关信号，时域放大比例因子为fr1/Δfr，故被测距离值D可表示为：
其中Vg代表光脉冲的群速度。我们通常将这种测距方法称为双光梳飞行时间法，由于时域尺度的放大，双光梳飞行时间法摆脱了传统脉冲飞行时间测距中光电探测器带宽的限制，实现了在千赫兹测量速度下，微米级精度的绝对距离测量，其测量性能已经能满足绝大多数工业应用的需求。
清华大学自主研制的双光梳绝对测距设备将双光梳光源、测距光路和数据处理系统集成，目前已经在航天领域的空间相机绝对变形测量，卫星天线展开的地面验证测量中进行了应用。以卫星天线测量为例，超高精度的天线基线测量技术是遥感卫星对地观测领域中的重要共性问题，因为基线测量精度直接影响到遥感卫星产品的精度。
图2 天线展开测量
如图2所示，测量方法是在天线上安装测量镜，通过计算测量镜和激光发射器之间的相对位置关系，确定基线的轴向位置。通过引入双光梳绝对测距设备可以实现大量程、高精度、快速的基线测量，为新一代遥感卫星的发展提供了更高水平的定位方法。
该设备通过了中国计量院的检验测试，与中国计量院的标准干涉仪进行比对，在50 m测量范围内实现了0.2 ppm的测量精度。这里，我们主要对双光梳飞行时间法进行了介绍，如果要进一步提高测距精度以应对更高水平的工业应用或实验研究，可以通过对互相关信号进行傅里叶变换，提取参考互相关信号和测量互相关信号的载波相位差来实现。但是提取稳定载波相位差信息需要基于相位稳定的双光梳系统，这需要在原有光梳的基础上增加额外的噪声抑制或补偿措施。
高重频微腔光梳是新机遇？
在工业应用中，设备的小型化与集成化是双光梳测距系统亟需解决的首要问题。目前系统主要以光纤激光器作为光源，为实现光源的稳定运行，需要一系列复杂的温度控制以及频率计数与锁定装置，导致体积较大。为实现测距设备的小型化，光纤激光器的集成和控制设备模块化是非常必要的。
近年来，高重频微腔光梳的出现也为光频梳的小型化和集成化带来了新的机遇，国内外研究人员尝试用微腔光梳替代传统的光纤光梳在双光梳测距中进行了试验。这样的双光梳系统可以提供更高的重频差，实现兆赫兹量级测量速率、亚微米级精度下的距离测量。但同时高重频差也意味着较小的非模糊范围，需要辅助方法消除这个模糊。目前微腔光梳及微腔光梳测距技术还处于原理实验阶段，离工业应用还有一段距离。
双光梳测距多应用于合作目标探测，即需要在测量目标上安装角锥棱镜或反射镜作为靶镜，通过探测回光的信息从而计算与被测目标的距离。而在例如激光雷达等应用中，通常没有固定目标，无法利用合作目标探测。
图3 光梳激光雷达
瑞士洛桑工业大学提出了一种基于微腔光梳的激光雷达，如图3所示，该雷达通过衍射元件将光梳的不同频率分量(ω)色散到被测目标的不同区域，利用目标的漫反射回光信息实现了对整个目标距离(x)和速度(v)的恢复[3]。这是光频梳测距在非合作目标测量领域的一种新的尝试，在这样应用中，对激光器的能量、重频等指标也提出了更高的要求。
未来，随着光频梳技术的发展，双光梳将成为一种便捷的光学测量工具，并有望代替传统测距工具在科学研究和工业界中广泛应用。
参考文献
1. K. Minoshima and H.Matsumoto.High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser[J].Appl.Opt.39(30),5512–5517 (2000).
2. I.Coddington, W.C.Swann, L.Nenadovic, et al. Rapid and precise absolute distance measurements at long range[J].Nat. Photonics 3(6), 351–356 (2009).
3. J.Riemensberger, A.Lukashchuk, M.Karpov, et al. Massively parallel coherent laser ranging using soliton microcombs[J].arXiv: 1912.11374 (2019).
