基于锯齿波调制电光频梳干涉仪的高精度绝对测距与集成化计量技术

本文创新性地提出采用锯齿波调制电光调制器（EOM）替代传统声光调制器（AOM）的双电光频梳测距系统（SM-DCR），实现了0.1 nm@1 ms的艾伦偏差精度和100 kHz动态振动追踪能力。该系统通过相位斜坡调制实现91.84%的射频功耗降低，在19.2 MHz调谐范围内保持优异相位相干性，成功应用于压电陶瓷（PZT）纳米振动监测、三维表面成像和液面纳米级振动检测，为集成化精密计量提供了新范式。

　　

测量原理创新

锯齿波调制双电光频梳测距系统（SM-DCR）通过电光调制器（EOM）产生相位斜坡，实现载波频率ν₀到ν₀+mf_se的精确偏移。相较于传统声光调制器（AOM）方案，该系统采用四步分层测量策略：首先通过重复频率切换扩展非模糊范围（NAR）获得粗测距D₁；随后利用长合成波长Λ₁进行一级合成波长干涉（SWI）得到D₂；再通过高阶SWI缩短Λ_H精修至D₃；最终采用单波长干涉实现亚纳米级精度D₄。理论分析表明，非理想锯齿波形会通过傅里叶正弦展开产生多阶边带，但实验证实残余边带不影响相位相干性。

实验系统构建

实验采用1064 nm种子激光分束生成信号梳（16.040 GHz）和本地梳（16.048 GHz），EOM锯齿波驱动功率仅81.6 mW（7 V_pp）。系统产生23条梳齿覆盖353 GHz光谱范围，干涉信号在nΔf_r+f_se（Δf_r=8 MHz，f_se=19.2 MHz）处形成清晰拍频。时域波形显示52.08 ns（锯齿波周期）与125 ns（拍频周期）的嵌套周期性，其最小公倍数625 ns构成全局重复周期。值得注意的是，中央拍频（n=0）因相位信息退化被排除测量，这与既往研究结论一致。

静态目标测距验证

在高反射率镜面测试中，系统在10 kHz和19.2 MHz调制下分别实现1.42 μm和1.16 μm的多波长测距不确定度，单波长干涉进一步将精度提升至4.33 nm和2.81 nm。艾伦偏差分析显示，20 μs时稳定性达1.09 nm，1 ms时突破0.10 nm界限。与氦氖激光干涉仪对比显示平均偏差仅0.37 μm，验证了方案的绝对测距可靠性。

动态目标追踪能力

压电陶瓷（PZT）振动测试中，系统成功捕捉100 Hz（振幅±147.99 nm）和100 kHz（峰峰值13.31 nm）的纳米级位移。在低反射率"CGE"工件三维成像中，系统分辨出3 mm/4 mm/4.5 mm的阶梯高度差异，各区域垂直波动范围7.10-12.88 μm。旋转风扇监测实验通过螺旋扫描重建叶片0.5 mm高度差，50 Hz转速下的周期性信号完美匹配理论预期。

液面振动监测突破

双水下声学发射器（4.5 kHz/7 kHz）激发的纳米级液面振动被成功解析，单频测量显示4.99 nm@5 kHz和4.16 nm@7 kHz的清晰正弦响应。多频混合实验重建信号与实测吻合（振幅±5.72 nm），频谱分析准确分离各频率成分，证实系统在流体力学研究中的应用潜力。

技术优势与展望

相比AOM方案，EOM锯齿波调制具备响应快（～10 ps）、带宽大（数十GHz）、功耗低等优势。虽然当前受任意波形发生器（AWG）带宽限制仅验证到19.2 MHz，但理论支持更高频移。未来通过优化波形生成电路和增强边带抑制技术，可进一步提升信噪比。该系统跨越米级自由空间测距至纳米振动检测的六个数量级，为工业检测、生物医学成像和微纳振动分析提供了革新性测量工具。