绝对距离测量在卫星编队飞行校正、航空装备检测和微机电系统测量等领域有着重要应用，双光梳测距技术在其中发挥着极大作用^[1]。太赫兹波段拥有可见和近红外光学波段不具备的强穿透性，未来将在精密测量领域发挥重要作用。

异步采样基于飞秒光梳，它是双光梳测距系统的重要组成单元 ^[2]。在时域上，飞秒光梳表现为时间间隔相等的脉冲串；在频域上，其表现为一系列的频率间隔相等的梳齿的合集。光学频率梳的发展虽然仅有20年左右，但作为一项突破性技术，其推动了精密测量科学和先进测距技术的改革，在光学原子钟^[3]、精密光谱测量^[4]、三维检测^[5]等方面得到了不断的发展。尤其因为其特殊的时频特性，它在绝对距离测量^[6]和相位噪声探测^[7]领域有着重要的应用。2009年，Coddington等^[8]从激光雷达中得到启发，率先提出双光梳超外差测距原理。该方案选取2台重复频率差很小的飞秒光梳作为测距系统的探测端和发射端。在测量过程中，探测端光梳和发射端光梳重复频率锁定的精度和稳定性决定了异步采样的数据密度，进一步影响着测距的精度，因此保证优异的重复频率锁定效果是十分重要的。

实现激光器重复频率锁定的方法主要有如下几种：一是调节激光器谐振腔的几何腔长。一般在腔内加入压电陶瓷（piezoelectric ceramics, PZT），根据压电陶瓷的伸缩带动光纤长度的改变来形成锁定。二是通过控制光纤激光器的折射率。2015年，Shen等^[9]在非线性偏振旋转锁模激光器内放置一个电控偏振控制器，采用可控应力挤压的方式控制光纤折射率变化以实现重复频率锁定，锁定后重复频率的标准差为1.4 mHz，峰峰值抖动为7.5 mHz。其采用的非保偏结构容易受到室温变化的影响，从而使锁模和锁定的稳定性降低。2017年，王少峰等^[10]基于可饱和吸收镜锁模原理搭建了掺铒光纤光梳，将光纤粘在PZT上，通过PZT的伸缩来带动光纤的移动从而实现重频锁定，锁定后重频的峰峰值抖动为3 mHz。但其腔内采用的可饱和吸收体^[11]（semiconductor saturable absorber mirror, SESAM）可靠性较差，随着使用时间的增加，其内部会慢慢受到损伤。2018年，杨松等^[12]在共振增强式非线性折射率调制技术上进行了改进，在激光器内加入能提供线性相移的非互易性元件，优化了腔内锁模泵浦功率，控制了光纤非线性折射率的泵浦功率。锁定后其重复频率最大抖动范围小于0.4 mHz，标准偏差为0.1 mHz。2021年，魏明明等^[13]采用反馈调节电光调制晶体及压电陶瓷共同驱动的方法，完成了对掺铒光纤飞秒光梳的重频锁定，实现了37 h的重频锁定。锁定后峰峰值抖动仅为0.8 mHz，其锁定精度较高，但腔内空间光路较多，不利于集成应用。

本文基于全保偏掺铒光纤激光器、锁相环系统^[14]和太赫兹测距光路搭建了太赫兹双光梳测距系统。其中，2个掺铒光纤激光器采用非线性放大环形镜（nonlinear amplifying loop mirror, NALM）进行锁模，重复频率均为79.261 MHz，平均功率分别为25 mW和22 mW，脉冲宽度分别为98 fs和94 fs。采用PZT实现了600 Hz的重复频率锁定范围，重复频率波动的峰峰值为±1.5 mHz，标准差为0.4 mHz。基于异步采样飞秒激光器搭建了太赫兹双光梳测距光路，在重复频率差固定为10 Hz时，基于飞行时间测量法得到了物体实际移动距离和测量移动距离的误差仅为3 μm。

搭建的太赫兹双光梳测距系统如图1所示，包括掺铒光纤激光器^[15]、锁相环控制系统和太赫兹双光梳测距光路3个部分。掺铒光纤激光器如图1（a）和1（b）所示。在Laser1 的光路中，LD1和LD2为中心波长是974 nm的光电二极管（laser diodes, LD），最大输出功率为480 mW；WDM1和WDM2为980/1550 nm波分复用器（wavelength division multiplexing, WDM）；EDF1和EDF2为长度分别是0.9 m和3.0 m的单模保偏掺铒光纤；PS为非互易性相移器（phaser shifter, PS）；COL-1和COL-2为焦距是10 cm的光纤准直器（collimator, COL）；HWP为1550 nm的半波片（half wave plate, HWP），用于准确调节腔内脉冲的偏振态；SM1和SM2为步进电机；PZT1和PZT2为压电陶瓷；Coupler1和Coupler2为光纤耦合器，分光比分别为4∶6和3∶7；FM为保偏全反射镜；ISO1和ISO2为1 550 nm的光纤隔离器；PD1，PD2和PD3均为光电探测器，用于将光信号转换为电信号。如图1（b）所示，Laser2与Laser1的光路结构完全相同。重复频率锁定系统主要由锁相环构成，如图1（c）所示：Rb为铷原子钟，可以输出频率为10 MHz，1 s稳定度为2×10⁻¹¹的正弦模拟信号；Splitter为功分器；DDS1和DDS2为任意数字信号发生器（direct digital synthesis, DDS）；LPF1和LPF2为低通滤波器（low-pass filter, LPF）；BPF1至BPF4为带通滤波器（band-pass filter, BPF），其中心频率为80 MHz，−1 dB带宽为 20 MHz，低通滤波器截止频率为30 kHz；Mixer1和Mixer2为混频器；Amp1和Amp2为信号放大器（amplifier, AMP）；HIV1和HIV2为驱动PZT的高压放大器。FPGA1和FPGA2是现场可编程门阵列，用于实现激光器和锁相环的自动工作。太赫兹双光梳测距光路如图1（d）所示：Lens为聚焦透镜；PPLN是周期极化铌酸锂晶体（periodically poled lithium niobate, PPLN）；PCA1，PCA2分别为太赫兹天线的发射端和探测端，太赫兹天线的输入功率须低于30 mW；GM1，GM2和GM3为全反射金镜；BS为分束镜；AMP为信号放大器；A/D为数据采集卡；PC为电脑；Output1~4为激光输出端口。

图 1

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图 1 实验装置图 Figure 1 Experimental setup

全保偏掺铒光纤激光器的谐振腔采用的是NALM锁模^[16]，能形成稳定的锁模脉冲输出。当LD1输出功率为380 mW时，谐振腔内可实现锁模脉冲自启动，脉冲序列表现为多脉冲；将泵浦光功率降至115 mW时，脉冲序列表现为单脉冲。从FM的输出端口测得平均功率为1.4 mW。腔内输出的种子光经过光纤隔离器进入放大器。当LD2的输出功率为350 mW时，放大器的输出功率为35 mW，并由光纤耦合器（Coupler2）分成两路脉冲输出，平均功率分别为25 mW（Output1）和10 mW（Output2）。Laser2的输出端口为Output3和Output4，平均功率分别为22 mW和9 mW。Output1和Output3的24 h输出功率稳定性如图2（d）所示，平均功率抖动率仅为0.2%。全保偏掺铒光纤激光器输出的光谱及自相关曲线如图2所示。图2（a）为激光器Laser1的光谱及自相关曲线，其中心波长为1 565 nm，光谱谱宽为42 nm，输出脉冲经过1 550 nm的保偏单模光纤压缩后，脉冲宽度为98 fs。图2（b）为Laser2的光谱及自相关曲线，其中心波长为1 562 nm，光谱谱宽为45 nm，使用1 550 nm保偏单模光纤压缩后，可得到脉冲宽度为94 fs的脉冲输出。激光器样机实物图见图2（c）。

图 2

Figure 2

图 2 激光器输出光谱脉宽功率参数及实物图 Figure 2 Power parameters of laser output spectral pulse width and the prototype images

PZT驱动电压范围为0～150 V，最大行程量为20 μm，计算可知重复频率最大调节范围约为1.12 kHz。由于谐振腔内的光纤暴露在环境中，环境温度的变化势必导致光纤折射率的变化。实验发现，环境温度每上升1 ℃，光纤折射率提高0.000015，重复频率下降800 Hz。假设温度上升2 ℃，重复频率则下降约1.6 kHz，因此仅依靠PZT无法实现对重复频率的长时间锁定。所以需要在谐振腔内加入步进电机（stepper motor, SM），通过SM的移动来补偿PZT伸缩量的不足。该SM的最大行程量为25 mm，最小步进量为30 nm，在80 MHz重复频率附近时，对应重复频率变化量约为1.54 MHz，最小重复频率步进为1.8 Hz。该步进电机对重复频率的调节量足以补偿普通室外早晚的温度变化。

重复频率的锁定系统主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器3部分构成。搭建的锁相环系统见图1（c）。光纤耦合器（Coupler）输出端口的光学脉冲重复频率信号通过光电探测器（PD1，PD2）转换为电学模拟信号。光电探测器输出的电学信号进入带通滤波（（BPF3、BPF4），信号由方波输入转换为正弦波输出。铷原子钟提供的正弦信号通过比较器转换为数字信号，为DDS1和DDS2提供参考信号。通过FPGA1和PFGA2分别对DDS1和DDS2进行控制，输出频率为76.261 MHz的正弦模拟信号。经BPF1和BPF2滤波后将信号输入放大器（AMP1、AMP2）中，再利用混频器（Mixer1、Mixer2）将脉冲重复频率信号和铷原子钟产生的正弦信号进行混频，得到误差信号。使用无源低通滤波器（LPF1、LPF2）将误差信号里的高频信号滤除。误差信号输入高压放大器（HIV1、HIV2）获得20 dB的信号增益，经过高压放大器形成两路输出。一路用于驱动谐振腔内压电陶瓷（PZT1、PZT2）；另一路连接到FPGA作为PZT工作状态的监测。电机控制电路板，通过接收FPGA发出的控制信号来驱动SM。

实验中，PZT是控制重复频率锁定的重要器件，它的性能影响着整个锁重频系统的响应特性和锁定效果。通过优化锁相环电路，PZT的锁定范围设定在 600 Hz。将锁模振荡器的光纤盘绕于封闭的铝制金属盒体内，盒底放置温控模块（thermoelectric cooling, TEC）来控制谐振腔温度。4 min的内谐振腔重复频率随腔内温度变化曲线如图3所示，可看出前2 min温度波动较大时，重复频率随之显著波动。当温度稳定在26.5 ℃，TEC将腔内温度的波动控制在0.3 ℃以内时，外界温度变化对重频漂移造成的影响显著降低，重复频率锁定效果得到提高。

图 3

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图 3 谐振腔重复频率随温度变化图 Figure 3 Diagram of cavity repetition frequency with temperature

将双光梳的重复频率分别设定在79.26100 MHz和79.26101 MHz，均进行了36 h的频率锁定测试，重频锁定峰峰值为±1.5 mHz，标准差为0.4 mHz，如图4（a）所示。当双光梳系统刚开机时，频率有偶尔跳动的现象，跳动范围为±4 mHz，如图4（a）中画圈部分所示。原因在于系统开机时，半导体泵浦源、驱动电路开始产生一定的热量，热量传导至腔内，导致腔内温度上升，重频漂移量超过PZT的补偿范围，此时SM移动补偿重频漂移。当系统运行2 h后达到热平衡，谐振腔内温度保持稳定，SM的静默时间超过6 h，此期间重复频率锁定精度较好。图4（b）所示为截取图4（a）黑色虚线框内10 min的重复频率差的变化，最大抖动为3 mHz，标准差为0.6 mHz。

图 4

Figure 4

图 4 重复频率锁定效果图 Figure 4 Repetition rate locking effect

进一步采用飞行时间法开展了太赫兹脉冲测距技术研究^[17]。用2台重复频率锁定的掺铒光纤激光器作为光源，其中Laser1作为发射光，重频为f_r1；Laser2作为探测光，重频为f_r2。f_r2=f_r1+Δf_r，Δf_r为2台掺铒光纤激光器的重复频率差值。图1（d）为太赫兹双光梳测距光路，把Laser2的输出光接入太赫兹天线（PCA1）产生太赫兹信号。该信号经过太赫兹分束镜（BS）后分为参考信号和目标测量信号。它们在经过参考反射镜（GM1）和放在步进电机上的测量反射镜（GM2）反射后形成2束具有一定时间延迟的脉冲信号。延迟时间由参考臂和测量臂的臂长差来决定。脉冲信号在太赫兹分束镜（BS）处相遇产生干涉，最后聚焦输入太赫兹探测天线（PCA2）。太赫兹信号再经跨阻放大器（AMP）放大后输入数据采集卡（A/D）。聚焦透镜Lens则将Output2和Output4的脉冲光会聚到PPLN上，通过非共线和频的方式产生触发信号，接着经过PD3转换成射频信号，最后输入到A/D作为数据采集卡的时钟信号。在测量过程中，每隔1/Δf_r的测量周期内分别得到1个参考干涉信号（I_r）和1个测量干涉信号（I_m），被测距离D可表示为

式中：c为光脉冲群速度；n_g为空气群折射率；Δt为参考信号和目标测量信号之间的时间延迟。在双光梳重复频率差Δf为10 Hz时，反射镜（GM2）放置在电机上移动。移动1次可产生2个太赫兹信号，根据数据采集卡收集到的数据得到2个太赫兹信号的时间间隔Δt为3.7 ps，测量移动距离D为0.597 mm，与实际移动距离（0.6 mm）的误差为−3 μm，测距结果如图5所示，该系统适用于太赫兹器件面型检测的应用^[18]。

图 5

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图 5 测距结果图 Figure 5 Ranging result

综上所述，基于重复频率锁定技术和掺铒光纤激光器搭建了异步采样双光梳系统。通过优化锁相环系统，PZT的锁定范围达到600 Hz，重复频率峰峰值抖动为±1.5 mHz，抖动标准差为0.4 mHz。通过进一步控制锁模脉冲振荡器的环境温度，显著减少SM的补偿次数，在36 h的测量时间内系统稳定运行。将该异步采样双光梳系统应用到太赫兹双光梳测距中，测量误差仅为3 μm。本文搭建的异步采样双光梳系统外壳尺寸为65 cm×45 cm×55 cm，整体重量为20 kg ，满足室外应用需求，具有稳定性高和抗干扰性强的优势。