Science Advances | 微腔光梳辅助的高精度FMCW测距

FDML激光器的腔长与腔内可调谐滤波器（FFP-TF）的驱动频率相匹配，从而使扫频范围内所有波长同时在腔内振荡，避免了激光重新建立的过程，可以实现快速扫频。通过仔细调控腔内色散，研究团队实现了33 nm的扫描范围和24.6 kHz的扫描速率。但由于腔内可调谐滤波器由正弦信号驱动，FDML激光器输出扫频曲线是非线性的。为解决这一问题，研究团队将FDML激光器输出分出一路与氮化硅微腔中产生的50 GHz孤子拍频，用来标定激光器的非线性扫描过程（图1（A））。利用标定得到的激光器扫频曲线对测距信号进行重采样，可以实现高精度测距。为展示FDML LiDAR系统的测距能力，研究团队对一个形状为清华门的铝板材料目标进行了三维扫描成像，结果如图1（B）所示。

图1：FDML LiDAR系统示意图与三维成像结果

基于微腔辅助的FDML激光器，研究团队展示了系统的高精度测距结果和低回波功率探测能力。如图2（A）、（B）所示，测距系统的单次测量时间为40 μs，经过平均在8 ms的时间内达到了sub-10 nm的精度。另外，研究团队指出只有标定的频率才对精度有贡献，比如用8 GHz带宽示波器的测量结果精度比24 GHz示波器的低。此外，研究团队还测试了测距系统低功率探测的能力，如图2（D）、（E）、（F）所示，当测量路功率衰减至4 pW（衰减72 dB）时，经过标定之后的测距信号在频域中仍然可以看到清晰的峰。

图2：高精度测距与低回波功率探测能力

针对非线性扫频激光器应用在FMCW速度测量中的挑战，研究团队对重采样的过程进行了理论分析，并表明基于标定的扫频曲线，可以将非线性扫描引入的误差项分离出来，实际测量中可以算出该误差项的大小对实测速度进行修正，从而得到准确的速度大小。如图3所示，实验结果表明，对直接测量的速度修正后与距离求导的速度曲线吻合得很好，验证了所提方法的可靠性。

图3：速度测量结果

该研究提出的微腔光梳辅助的FDML LiDAR，在更新率24.6 kHz下，是目前报道最高精度（图4）。该研究为高精度FMCW LiDAR技术的发展提供了新的思路。未来，通过进一步优化激光器的性能和微腔光梳的设计，有望实现更大的测距范围、更高的测距精度和更快的测量速度。另外，该研究建立的理论分析为非线性扫频光源进行FMCW速度测量提供了参考。此外，利用具有大梳齿间距的微腔光梳对高速扫频光源进行标定的方法，也为拓展高速扫频光源在光学相干层析成像、气体吸收光谱等其它精密测量中的应用提供了新的思路。

图4：本工作与其它FMCW测距工作对比

Zhaoyu Cai et al. , A microcomb-empowered Fourier domain mode-locked LIDAR. Sci. Adv. 11,eads9590(2025).

https://doi.org/10.1126/sciadv.ads9590