基于双光子双梳测距技术实现快速高精度绝对距离测量

《Sensors and Actuators A: Physical》：Rapid and precise absolute distance measurement based on two-photon dual-comb ranging

本文系统探讨了双光子双梳测距（DCR）技术的理论模型与优化策略，提出了一种抗强度噪声的数值信号处理方法，显著提升了测距精度（达6.1 μm@0.5 m）。研究揭示了重复频率差与载波偏移频率对精度的影响规律，并通过静态/动态实验验证了系统的鲁棒性和波长不敏感性，为精密测量领域提供了新方案。

　　

Highlight

Intensity cross-correlation model

当两个光学频率梳（OFC）的脉冲入射探测器时，双光子效应可视为两电场强度的交叉相关过程。两梳的电场表示为：

E₁(t) = exp(-at²)exp(iw₀t),

E₂(t) = exp(-bt²)exp(iw₀t)。

梳1和梳2的脉冲宽度τ₁、τ₂分别对应√(2ln2/a)和√(2ln2/b)，光强为I₁(t)=E₁²(t)和I₂(t)=E₂²(t)。当双梳引发双光子吸收时，瞬时非线性光电流与两脉冲强度的卷积成正比，形成强度交叉相关信号。

Simulation results

仿真中双梳重复频率设为~100 MHz，重复频率差2 kHz，模型考虑了振幅噪声和时间抖动。目标距离设为0.5 m。图5(a)展示多组测距信号，图5(b)为其局部放大。由于采用高斯函数模拟非线性异步光学采样信号，信号呈现高斯轮廓。通过设置模拟参数，我们验证了数值算法在噪声环境下的鲁棒性。

Experiments and results

实验装置如图1所示。激光源为自制非线性放大环镜锁模光纤激光器，通过长程PZT调节重复频率。双梳重复频率（~100 MHz）由两个锁相环锁定。激光光谱如图7(a)(b)所示，谱宽约26 nm。种子源经EDFA放大后功率达38 mW，通过光学系统后由硅基探测器接收双光子信号。静态测距实验显示，在~1 kHz采集速度下，系统实现6.1 μm精度（0.5 m距离）；4秒平均后精度提升至~92 nm。动态测距结果与商用外差干涉仪高度一致。使用1656 nm波长偏移模块后，双梳在不同光谱范围内的测距结果验证了系统的波长不敏感性。

Conclusion

我们通过双光子双梳测距系统实现了快速精确的距离测量。建立的数学模型揭示了关键参数对测距精度的影响，采用基于互相关的后处理数值算法使双光子DCR达到与传统DCR相当的精度。该模型综合考虑了时间抖动和强度噪声的影响，为高性能测距系统优化提供了理论指导。