锯齿调制双电光梳干涉：迈向纳米级高精度测距与片上集成

光频梳技术已成为现代精密测量的重要工具，能够实现超高精度的时间、频率和距离测量。在双电光梳测距系统中，为解决拍频简并问题，传统方法通常在本振端引入声光调制器，但AOM存在调谐范围有限、响应速度慢、功耗高且难以片上集成等问题。为突破这一瓶颈，研究团队引入了Serrodyne调制方法，通过在EOM上加载锯齿波实现频率偏移。这一方法不仅具有宽调谐、快响应和低功耗的优势，而且与光子集成电路天然兼容，为下一代片上精密测距技术提供了新的解决思路。

图1：系统概念与分层测距策略

研究团队提出的SM-DCR系统利用EOM锯齿调制取代AOM，从而实现无AOM架构。系统采用四步分层测距策略：首先通过重复频率切换扩展非模糊测距范围；随后利用一阶和高阶合成波长干涉逐步提升精度；最终在单波长干涉阶段实现纳米级分辨。这一层层递进的方法，使得系统能够兼顾米级大范围和纳米级高精度，突破了传统方法在精度与范围之间的权衡。

图2：绝对测距、振动监测与三维成像

研究团队首先在高反射镜上验证了系统的绝对测距性能，利用电动平移台逐步移动目标，并与商用He-Ne干涉仪进行对比。结果显示，在多波长干涉阶段，测距不确定度已压缩至约1.16 μm，而进一步结合单波长干涉后，精度提升至纳米级，最低达到约2.81 nm，且Allan方差在1 ms积分时间下优于0.1 nm，充分证明了SM-DCR系统在静态条件下的超高精度与稳定性。为了评估动态响应，研究人员将高反射镜固定在压电陶瓷片（PZT）上，通过外加电压激励其在100 Hz与100 kHz下发生形变。实验结果表明，系统能够实时捕捉百纳米量级的低频形变以及仅十余纳米的高频振动，展现出对高速动态过程的灵敏追踪能力。在复杂目标测试中，团队将系统用于低反射率工件的深度成像，成功重建出刻有“CGE”字样的三维表面轮廓，解析出3–4.5 mm的字母高度差，同时在微米级上保持成像稳定。整体实验不仅验证了系统在静态测距中的纳米级精度，也展示了其在动态振动监测与复杂表面三维成像中的多场景适应性与实用价值。

图3：旋转风扇的三维重建

为了模拟工业场景下的旋转机械检测，研究团队将SM-DCR系统应用于低反射率风扇叶片的三维成像。实验中，风扇以50 Hz转速旋转，研究人员通过平移镜头进行径向扫描，获得了随时间变化的干涉信号。结果显示，系统能够准确解析风扇叶片间0.5 mm的高度阶差，并在极短时间内重建出完整的三维表面结构。通过将距离数据转换为极坐标和直角坐标点云，研究人员成功获得了叶片的整体形貌与细节起伏，既能展现宏观几何轮廓，也能捕捉到细微的表面结构。这一结果表明，SM-DCR不仅适用于静态高精度测距，还能在复杂动态条件下完成非接触式检测，尤其适合于航空航天和精密制造中旋转部件的在线监测与缺陷诊断。

图4：水面纳米级振动监测

研究团队进一步探索了系统在流体表面振动监测中的潜力。实验中，两个水下压电换能器分别以5 kHz和7 kHz频率驱动，激发水面产生纳米级的周期性扰动。SM-DCR系统通过激光垂直照射水面并采集反射信号，实现了对单频与双频振动的分辨和重构。在单频测试中，系统清晰捕捉到幅度约为5 nm的水面振动；在双频条件下，成功区分出4.5 kHz与7 kHz两个成分，并在时域中重建出完整的叠加波形。实验结果表明，该系统不仅能够实现高精度的非接触式液体表面监测，还能对多声源信号进行频率分离和相位跟踪。此能力为未来的水下通信、液体动力学研究以及复杂声学场景中的高分辨监测提供了全新手段。

该研究展示了一种全新的无AOM双电光梳测距方法，兼具高精度、宽动态范围、低功耗和强集成潜力。在实验中，系统实现了米级自由空间测距、纳米级振动监测、复杂工件的三维成像以及液体表面的高分辨振动分析，展现出跨尺度的广泛适应性。未来，进一步优化调制波形生成电路、提升环境适应性并推动片上集成化，将为该技术在航空航天、精密制造、工业检测和流体监测等领域的应用开辟新空间。

华中科技大学物理学院国家精密重力测量科学中心2024级博士研究生郭潇洋、2023级硕士研究生杨旭升为共同第一作者，吴翰钟、邵成刚为通讯作者，论文合作者为华中科技大学博士研究生职佳文。研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接

https://doi.org/10.1002/advs.202507459

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