单腔双光梳激光器用于精密测距

使用频率梳分辨率进行长距离测量

介绍

精密测距在工业计量、测量、自主导航、机器人和遥感等众多领域发挥着至关重要的作用。它能够精确定位和映射物体，检测距离的微小变化，并高精度地监控动态环境。

精密测距采用各种方法，包括基于激光的技术，例如飞行时间 （ToF） 测量、干涉测量和调频连续波 （FMCW） 雷达（光检测和测距）。这些方法利用光波或电磁波的原理，根据传播时间或相移的测量来确定距离。

双光梳激光雷达

双光梳激光雷达是一项前沿的传感技术，它结合了飞行时间（ToF）和干涉测量的原理，同时还借鉴了调频连续波（FMCW）激光雷达的相干信号放大技术。这种创新方法融合了这些技术的优势，能够实现高精度、快速的绝对距离测量。

传统的激光雷达系统通常依靠飞行时间法或干涉测量法来进行距离测量。飞行时间法测量激光脉冲往返目标物体所需的时间，而干涉测量法则分析激光束的干涉图样。然而，这两种方法在测量精度、速度或范围方面都存在局限性。

双光梳激光雷达通过使用两个重复频率略有不同的频率梳克服了这些局限性。当发射的光与目标物体相互作用时，一部分光会被反射回来。还有一部分光会被参考反射镜反射。通过使一个频率梳经目标和参考反射镜反射后的光与另一个频率梳的光发生干涉，并测量所产生干涉图之间的延迟，就可以获得精确的距离测量结果。

双光梳激光雷达的关键决定因素包括脉冲带宽、重复频率和重复频率差。通过利用游标效应（即在同一测量过程中交换本地振荡器和采样振荡器的角色），双光梳激光雷达可以实现极长的无模糊测量范围。这个范围可以延伸到数百公里，超过了大多数实际应用的需求。同时，该系统能够保持微米级的精度，这由脉冲持续时间（通常在亚皮秒范围内）和数据采集速度决定。此外，双光梳激光雷达可以获取干涉信号，从而实现亚波长级的测量精度。这些综合特性使双光梳激光雷达成为一项强大的技术。

双光梳激光雷达中距离测量信号的示意图。距离测量每隔 1/Δfᵣₑₚ 重复一次。目标脉冲和参考脉冲之间的时间间隔编码了距离信息。距离可以仅根据飞行时间来确定，也可以使用光学相位来优化距离测量。

基于单腔双光梳激光器的双光梳激光雷达

在双光梳激光雷达系统中使用单腔双光梳激光器对于推动该技术的实际应用至关重要。通过采用单腔设计，系统变得更加紧凑，这对于集成到各种平台和设备中非常理想。使用单一激光源消除了复杂的同步需求，简化了整个系统架构。

此外，单腔双光梳激光器方法在生产方面具有可扩展性。由于设计简化，制造过程更加高效，能够实现双光梳激光雷达系统的高效且经济的生产。这种可扩展性对于该技术的广泛应用和商业化尤为重要。

K2 Photonics 精密测距的优势

• 扫描速度快

单腔双光梳激光器能够以较快的更新速率进行高分辨率测量，速度高达 100 kHz，在特殊情况下甚至接近 1 MHz。

• 精度高

双光梳激光雷达 通过利用时间拉伸因子进行光学采样，提供优异的测量精度，确保飞秒级精度记录返回脉冲。此外，光学相位信息的利用进一步提高了测量的精度，实现了精确和详细的测距功能。

• 体积小
利用紧凑型单腔双光梳激光器，尤其是那些以 GHz 重复频率或更高频率运行的激光器，可以开发紧凑的 雷达 系统。

• 敏感性高

双光梳激光雷达 中本振的相干放大可以获得对返回反射的高灵敏度检测。此外，锁模固态激光器在高频下产生具有超低噪声（RIN 和定时）的激光，从而实现高灵敏度、散粒噪声受限的测量。