华中科大在双电光梳干涉测量方面取得进展，实现高精度测距及动态3D表面成像
2025-08-09 08:45:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光学频率梳（OFC）为精密计量领域带来了革命性突破，可实现高精度的频率和距离测量。传统双电光频率梳测距系统通常依赖声光调制器（AOM）来偏移本地振荡器频率，虽然能缓解频率简并问题，但会限制调谐灵活性、响应速度以及功率效率。

据麦姆斯咨询报道，近期，华中科技大学的研究团队提出了一种无AOM的双电光频率梳测距系统（DCR），采用Serrodyne调制型电光调制器（EOM）实现频率偏移，从而实现优异的相位相干性和高精度距离测量。研究人员通过实验证实了该系统测距精度可达纳米级，在1 ms积分时间下Allan偏差低于0.1 nm。该系统可有效跟踪压电换能器产生的高频振动（最高100 kHz），并实现动态三维（3D）表面成像。此外，通过精确的激光测距分析，该系统还能检测纳米级水面振动。

值得注意的是，该系统在从米级自由空间测距到纳米级振动传感的宽空间尺度上均能保持高测量精度，展现出卓越的通用性。与传统基于声光调制器的方法相比，该方案具有更高的灵活性，降低了射频（RF）功耗，并提升了光子集成兼容性，从而为精密计量和高分辨率传感应用带来显著优势。相关研究内容以“Serrodyne-Enabled Dual Electro-Optic Comb Interferometry for High-Precision Absolute Ranging and Integration-Ready Metrology”为题发表在Advanced Science期刊上。

在传统的双电光频率梳测距系统中，声光调制器通常放置在本地梳发生器之前。而在本研究提出的Serrodyne调制型双电光频率梳测距（SM-DCR）系统中，声光调制器被锯齿波驱动的电光调制器所取代（如图1A）。这种Serrodyne调制技术通过施加连续线性相位斜坡实现本地梳的频率偏移。如图1C所示，本研究采用四步分层策略实现高精度、非模糊距离测量：（1）基于扩展非模糊范围（NAR）的粗测距；（2）和（3）合成波长干涉测量；（4）单波长干涉测量。

图1 Serrodyne调制型双电光频率梳测距系统的测量原理

实验设置如图2A所示。1064 nm种子激光被分成两束，分别由两个不同的射频信号独立调制，以生成信号电光梳和本地电光梳。二者的重复频率分别为16.040 GHz和16.048 GHz。通过功率为81.6 mW的锯齿波驱动的电光调制器，对本地梳施加额外频移。所有射频信号均与一台铷原子钟同步。随后，每个梳状光被分成两臂，分别生成测量干涉信号（Smeas）和参考干涉信号（Sref）。

图2 Serrodyne调制型双电光频率梳测距系统的实验装置和信号示意图

为了评估Serrodyne调制型双电光频率梳测距系统在理想条件下的绝对测距性能，研究人员利用安装在电动平移台上的高反射率反射镜进行静态距离测量。接着，通过测量压电换能器（PZT）在外加电压下的变形，研究人员评估了该双电光频率梳测距系统对动态位移的跟踪能力。此外，为验证对通用目标的主动测量能力，研究人员对一个平面基底带有三个凸起字母（C、G、E）的低反射率物体进行了深度成像。图3展示了绝对距离测量结果、PZT变形分析以及深度成像结果。

图3 绝对距离测量结果、PZT变形分析以及深度成像

为了模拟旋转机械检测、螺旋桨叶片缺陷检测等工业场景，研究人员使用该双电光频率梳测距系统测量了旋转风扇的旋转状态和3D表面轮廓，相关结果如图4所示。实验结果突显了该系统对低反射率旋转物体进行实时、非接触式监测的能力，证明了其在制造质量控制、动态物体检测和旋转机械诊断等领域的适用性。

图4 旋转风扇的3D重建

图5A展示了水面振动监测实验的示意图，相关实验结果如图5B至图5E所示。实验结果验证了该双电光频率梳测距系统对流体表面进行高精度、非接触式振动监测的能力，为声学特征提取和精细表面振动分析提供了技术支撑。

图5 水面振动监测

综上所述，这项研究提出了一种新型双电光梳测距系统，采用基于Serrodyne效应的电光调制器实现频率偏移，从而替代了传统声光调制器。这种方案不仅有效地解决了频率简并问题，还将功耗降低了91.84%（从约1 W下降到81.6 mW），同时保持了出色的相位相干性。该系统在多种精密计量应用中展现出优异的性能，成功实现了不同场景下动态位移的追踪，包括监测频率高达100 kHz的PZT振动、重建旋转目标的实时3D图像以及检测流体表面的纳米级振动。随着微型化和集成化成为光学计量领域的发展趋势，电光频率梳凭借其生成方式简化、调制方案灵活以及集成能力强大等实用特性脱颖而出。因此，推进双电光梳干涉测量技术的集成化具有重要意义。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202507459

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