双光子双光梳激光雷达成像

研究人员开发出一种新的激光雷达方法，能以远超传统激光雷达的精度对微小物体进行成像。该方法可用于在制造过程中对关键零件或特征进行非接触式测量。

英国赫瑞-瓦特大学的研究团队负责人Derryck T. Reid说：“自动驾驶汽车所用的激光雷达系统，通常在远距离测量道路、汽车和树木等大型物体，精度在几厘米左右，我们的激光雷达成像技术则能在保持全电子探测的同时，实现更高精度的测量，这就避免了某些高精度系统在复杂性和可扩展性方面的难题。”

在《光学快报》期刊上，研究人员描述了这项基于双光子双光梳测距的新成像技术。他们展示，该方法能够在40厘米外，对小型铝制物体生成微米级精度的精细三维表征。

“我们的光学双光梳激光雷达成像技术可用于制造业，传统上测量物体上的关键特征必须使用与物体接触的机械工具，例如，可以用来验证发动机内部一个难以触及的部件是否被正确制造。”

用更短脉冲提升精度

这项新研究源于赫瑞-瓦特大学与雷尼绍公司之间的产业合作，后者为航空航天和汽车行业制造精密测量工具。

Reid说：“双光子双光梳激光雷达成像技术是我们之前工作的延伸，之前的工作能在单点上提供非常精确的测量，但无法测量表面上的多个点，”里德说，“在那项研究中，我们展示了如何测量黄铜、铜和铝等表面的距离，所以自然而然就想到将这种能力扩展到实现小型金属物体的完整成像。”

新方法结合了超精确的激光时序与非线性探测方式，以实现极高精度的距离测量。传统激光雷达使用纳秒级光脉冲，而新系统使用的脉冲持续时间仅为几百飞秒。更短的脉冲使测量精度得以大幅提高。

尽管许多研究人员一直在研究双光梳激光技术，里德团队却开发出了首个实现双光梳成像探测的全电子方法。该方法利用一种称为双光子吸收的现象，将返回的光脉冲直接转换为电信号。这使得系统对波动的敏感度降低，从而能使用更简单的激光器。

对小型金属物体进行成像

为演示新方法，研究人员与哈德斯菲尔德大学的精密技术中心合作，后者提供了用于测试的铝制物体。这些物体经过数控铣削，包含各种专门设计的特征。例如，一个物体的尺寸为50 × 50 × 30 立方毫米，其表面包含圆形、菱形、方形、台阶和沉孔。

利用这些测试物体，他们展示了双光子双光梳激光雷达能够生成微米级精度的三维点云数据集，并对三个表面的测量达到了9至38微米的精度。

在完成概念验证演示后，研究人员正致力于通过让激光在物体上方扫描，而不是在激光束下物理移动被测物体，来加快该技术的速度。他们还在试验脉冲重复频率更高的激光器，以进一步提升性能。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/ol.603240