朱志高，劉 婭*，楊 潔，胡國(guó)慶

1.云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南省光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500 2.北京信息科技大學(xué)，光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192 3.北京信息科技大學(xué)，光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100016

引 言

光學(xué)頻率梳，又稱光頻梳或光梳，是由一系列等頻率間隔的相干光波構(gòu)成的一種新型寬帶光源。光頻梳頻域?yàn)镸Hz～GHz量級(jí)等間隔的窄線寬頻譜分量，其時(shí)域?yàn)榫哂酗w秒量級(jí)時(shí)間寬度的周期性脈沖序列，用于光學(xué)測(cè)量時(shí)具有極高的光譜分辨率和時(shí)間分辨率，已在精密光譜、時(shí)間和頻率的計(jì)量以及時(shí)鐘的同步和校準(zhǔn)等方面開展了廣泛應(yīng)用[1-2]。

利用光頻梳作為光源進(jìn)行測(cè)量，需要對(duì)攜帶有待測(cè)信息的超短時(shí)域脈沖信號(hào)進(jìn)行光電探測(cè)，然后在時(shí)域或頻域進(jìn)行分析來獲得待測(cè)信息，如飛行時(shí)間法測(cè)距、傅里葉變換光譜(Fourier transform spectroscopy，F(xiàn)TS)等。由于飛秒脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間極短，無法直接由光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而獲得，因此通常利用自相關(guān)或互相關(guān)的相干檢測(cè)方法來間接測(cè)量。在傳統(tǒng)的相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)中，需要用到機(jī)械位移元件來獲得不同延遲的相關(guān)信號(hào)，因而限制了測(cè)量速度的進(jìn)一步提高。為提高測(cè)量速率，一種新型的雙光梳測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，即采用兩套頻率間隔精確鎖定但略有差別的相干光頻梳，相應(yīng)地其時(shí)域脈沖的重復(fù)頻率具有微小的頻差，通過兩脈沖之間固定的時(shí)間走離實(shí)現(xiàn)異步光學(xué)采樣(asynchronous optical sampling，ASOPS)[3, 4]，其原理如圖1所示。異步光學(xué)采樣最初在1987年提出，與基于機(jī)械延遲的同步光學(xué)采樣相比具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是不需要任何位移元件，其測(cè)量更新頻率等于兩套脈沖的重復(fù)頻率差，具有非常高的測(cè)量速度，可達(dá)kHz量級(jí)以上；二是其等效采樣步長(zhǎng)大大減小，可獲得飛秒量級(jí)的測(cè)量精度。雙光梳測(cè)量技術(shù)具有的快速測(cè)量和高精度的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于精密光譜學(xué)[5-8]、絕對(duì)距離測(cè)量[9-12]以及快速泵浦探測(cè)[13]等，同時(shí)在目標(biāo)跟蹤測(cè)距、太赫茲安檢以及微環(huán)諧振器性能表征等需要快速響應(yīng)的高精度測(cè)量領(lǐng)域具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 異步光學(xué)采樣原理圖

目前產(chǎn)生光頻梳甚至相干雙光頻梳的技術(shù)主要有三種：鎖模激光器[14-18]、電光調(diào)制[19-20]和非線性光學(xué)微諧振腔[21-22]。其中，基于鎖模激光器的光頻梳相比而言具有更寬的帶寬和更小的譜線間隔，更適用于精密光譜探測(cè)領(lǐng)域。目前，采用兩套飛秒鎖模激光器，并將它們的重復(fù)頻率和包絡(luò)載波相移頻率嚴(yán)格鎖定到原子鐘等參考頻率，是較為成熟的雙光梳生成技術(shù)。該技術(shù)能夠在寬帶范圍內(nèi)獲得接近理想的光頻梳，其梳齒具有極窄的線寬和絕對(duì)的頻率，可以同時(shí)獲得高分辨率、絕對(duì)的頻率精度以及高信噪比。但是由于需要復(fù)雜的頻率鎖定電子反饋控制系統(tǒng)，其復(fù)雜度和成本仍然較高，因而難以將其在有體積、功耗等嚴(yán)格限制的諸多應(yīng)用中進(jìn)一步實(shí)用化。

近年來，一種單腔鎖模激光器的雙光梳產(chǎn)生方式備受關(guān)注，在同一個(gè)激光器中能夠產(chǎn)生兩套重復(fù)頻率略有差異的飛秒脈沖。自由運(yùn)行的單腔雙光梳激光器因共腔而具有共模噪聲抑制作用，其生成的脈沖間的相對(duì)頻率穩(wěn)定性高，因而無需對(duì)該激光腔進(jìn)行頻率鎖定等主動(dòng)控制，顯著降低了雙光梳光源的復(fù)雜度和成本。其在雙光梳光譜學(xué)、絕對(duì)測(cè)距、頻率計(jì)量和泵浦探測(cè)等應(yīng)用中都表現(xiàn)出良好的性能，具有替代傳統(tǒng)龐大而昂貴的頻率鎖定的雙光頻梳系統(tǒng)的潛力。

1 單腔雙光頻梳技術(shù)

通常由于受限于模式增益競(jìng)爭(zhēng)并考慮實(shí)現(xiàn)鎖模的較苛刻的帶寬、能量要求，傳統(tǒng)鎖模激光器只輸出具有一個(gè)中心波長(zhǎng)和一個(gè)重復(fù)頻率的脈沖。然而光纖在導(dǎo)波機(jī)制上具有多個(gè)不同的物理維度, 支持光信號(hào)的復(fù)用傳輸，如波長(zhǎng)復(fù)用、偏振復(fù)用等，這些機(jī)制目前在超大容量光通信等領(lǐng)域得到了高度重視并為突破信息傳輸容量的極限提供了途徑。單腔雙光梳技術(shù)就是利用光纖的相關(guān)導(dǎo)波物理維度上的資源，利用脈沖在光纖不同維度上的傳播特性差異，使光纖鎖模激光中生成異步的雙重頻脈沖序列成為可能。由于這種單腔雙光梳的重復(fù)頻率差由腔內(nèi)的總色散或雙折射大小決定，使得單一激光光纖腔中產(chǎn)生的兩套亞皮秒脈沖具有微小重復(fù)頻率差，并且由于共模作用頻差不易受到外界環(huán)境的干擾，因而近年來備受關(guān)注。目前，基于光纖激光腔復(fù)用產(chǎn)生雙重頻序列的方式可主要?dú)w納為波長(zhǎng)復(fù)用、偏振復(fù)用和空間復(fù)用等。最近，為了進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，利用保偏光纖來構(gòu)成雙梳激光器也得到了一定研究。

1.1 波長(zhǎng)復(fù)用

在以往的研究中，采用波長(zhǎng)這一維度進(jìn)行復(fù)用的多波長(zhǎng)直流光激光器通常是利用腔內(nèi)周期性窄帶光譜濾波的方式來實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激光激射的。然而，對(duì)于脈沖激光，腔內(nèi)的濾波效應(yīng)對(duì)鎖模激光的帶寬限制和超短脈沖的生成之間可能存在嚴(yán)重的矛盾，因此一直在傳統(tǒng)的鎖模光源中極少采用。另一方面，雖然采用類似多波長(zhǎng)直流光激光器結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生帶寬較窄的多波長(zhǎng)信號(hào)[23]，但其脈沖穩(wěn)定性、重頻特性及其原因并未得到研究，帶寬也不能滿足雙光梳光譜學(xué)應(yīng)用的需要。因此，一直以來，多波長(zhǎng)鎖模是否能夠穩(wěn)定生成具有不同重頻的超短脈沖的問題沒有得到關(guān)注和充分研究。

2011年，北京航空航天大學(xué)趙欣提出利用增益光纖的增益譜傾斜效應(yīng)，在激光腔內(nèi)加入一個(gè)可調(diào)衰減器調(diào)控激光器腔內(nèi)的損耗，實(shí)現(xiàn)了1 532和1 557 nm的雙波長(zhǎng)亞皮秒鎖模[24]。當(dāng)腔內(nèi)損耗較低時(shí)，長(zhǎng)波長(zhǎng)單獨(dú)鎖模，而當(dāng)腔內(nèi)損耗逐漸增大時(shí)，摻鉺光纖在短波長(zhǎng)1 532 nm處的增益也逐漸增大并鎖模，最終實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)波長(zhǎng)的同時(shí)鎖模，發(fā)現(xiàn)了鎖模脈沖具有分別為9.090 312和9.089 842 MHz的不同重復(fù)頻率，并明確解釋了該重頻差是由光纖腔的群速度色散決定的。

此外，在腔內(nèi)加入光譜濾波器件，也可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)甚至多波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，Lyot濾波器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光纖兼容性良好、濾波深度和透過峰可調(diào)而被在波長(zhǎng)復(fù)用的單腔雙梳光源中得到了應(yīng)用。其工作原理是基于偏振干涉效應(yīng)，可由腔內(nèi)雙折射和一個(gè)偏振相關(guān)型元件構(gòu)成，其光譜透過率呈現(xiàn)出具有固定波長(zhǎng)間隔和濾波深度可調(diào)的梳狀。北京航空航天大學(xué)鄭錚教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于Lyot濾波與腔內(nèi)損耗控制效應(yīng)相結(jié)合的雙波長(zhǎng)摻鉺光纖飛秒鎖模激光器[25]，其結(jié)構(gòu)和輸出特性如圖2 所示。該激光器重復(fù)頻率漂移大于10 Hz時(shí)，10 min內(nèi)重頻差標(biāo)準(zhǔn)差為16 mHz，表明其具有良好的環(huán)境噪聲抑制特性。2019年，日本豐田工業(yè)大學(xué)的Luo等也采用Lyot濾波方式實(shí)現(xiàn)了摻鉺光纖雙波長(zhǎng)雙梳光源[26]。2020年，Zhu等報(bào)道了一種基于動(dòng)態(tài)可調(diào)Lyot濾波器，實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)摻鉺光纖鎖模激光器，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為30 nm[27]。除此以外，還可以利用錐形光纖濾波[28]、Sagnac環(huán)濾波[29]等實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)復(fù)用鎖模?；诓ㄩL(zhǎng)復(fù)用的單腔雙光梳鎖模激光器輸出的各波長(zhǎng)相互錯(cuò)開，有效規(guī)避了增益競(jìng)爭(zhēng)而具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性，其重頻差可較準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 (a)基于濾波及腔內(nèi)損耗控制的雙波長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)圖；(b)光譜圖；(c)頻譜圖

2018年，天津大學(xué)宋有建團(tuán)隊(duì)與北航團(tuán)隊(duì)合作研究了單腔雙波長(zhǎng)鎖模激光器的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)(相位噪聲)問題[30]。測(cè)量結(jié)果表明該雙波長(zhǎng)鎖模脈沖的相對(duì)周期時(shí)間抖動(dòng)約為0.82 fs±25 as，與常見的單波長(zhǎng)孤子鎖模光源的指標(biāo)相近，其結(jié)果表明單腔的共路結(jié)構(gòu)能夠消除環(huán)境引起的共模噪聲。

1.2 偏振復(fù)用

偏振復(fù)用的單腔雙梳光源利用光纖腔內(nèi)的雙折射，使得不同偏振方向的鎖模脈沖存在群速度差異，從而實(shí)現(xiàn)兩路脈沖的微小重頻差。

2014年，鄭錚團(tuán)隊(duì)提出通過將一段保偏光纖(polarization-maintaining fiber，PMF)引入到非保偏碳納米管激光器中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同重復(fù)頻率的正交偏振孤子脈沖序列輸出[31]，其光譜之間具有良好的重疊，不需要對(duì)其進(jìn)行非線性譜展寬便可直接應(yīng)用于雙光梳測(cè)量[32]。通過對(duì)偏振復(fù)用激光器的偏振進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了重頻差的連續(xù)可調(diào)。2018年，他們進(jìn)而演示驗(yàn)證了對(duì)于反常色散和正常色散腔中的孤子和耗散孤子均可以用該方法獲得偏振復(fù)用的雙梳生成[33]，而且生成脈沖可產(chǎn)生高質(zhì)量的雙梳光譜學(xué)信號(hào)，其結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)果如圖3所示。后續(xù)，2019年ukasz A.Sterczewski等用石墨烯作為可飽和吸收體，采用相同的光腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了140 MHz的重復(fù)頻率和幾百赫茲到幾千赫茲重復(fù)頻率差可調(diào)的偏振復(fù)用激光器，該激光器可以在350 mW的較低功率下連續(xù)工作十幾個(gè)小時(shí)，證明了此類腔型的穩(wěn)定性[34]。2019年，日本電氣通信大學(xué)的Minoshima研究團(tuán)隊(duì)也采用非線性放大環(huán)形鏡(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)鎖模的方法實(shí)現(xiàn)了偏振復(fù)用的雙光梳生成[35]。此外，在固體激光器中，一般采用雙光軸晶體，如Nd∶YAG，Yb∶KGW，Nd∶YLF[36-39]等作為增益介質(zhì)，可也以實(shí)現(xiàn)正交偏振的雙重頻脈沖輸出，這類鎖模激光器重復(fù)頻率都能達(dá)到GHz量級(jí)，但是其應(yīng)用往往受限于其鎖模性能以及相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 (a)偏振復(fù)用雙光梳鎖模激光器；(b)反常色散；(c)正常色散：偏振分解的光譜和頻譜

1.3 空間復(fù)用

在光學(xué)空間復(fù)用是通過改變腔內(nèi)增益介質(zhì)的位置破壞諧振腔的對(duì)稱性，引起雙向傳輸?shù)膬墒袷幖す庠谠鲆娼橘|(zhì)中不對(duì)稱地放大，從而完成不對(duì)稱的非線性效應(yīng)的積累，不同的非線性相位偏移引起兩脈沖一定的光程差，最終輸出具有不同重復(fù)頻率的兩鎖模脈沖序列。由于雙重頻脈沖在腔內(nèi)的光學(xué)路徑完全一致，兩脈沖的重復(fù)頻率保持變化的協(xié)同性，而重頻差值大小可以受到兩脈沖的群速度延時(shí)差和中心波長(zhǎng)差的影響，對(duì)總腔長(zhǎng)隨機(jī)變化不敏感。

2008年，面向潛在的光纖陀螺應(yīng)用，Kieu等研究了基于碳納米管飽和吸收體的環(huán)形腔全光纖鎖模激光器的雙向鎖模效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)順時(shí)針(clock-wise，CW)和逆時(shí)針(counterclock-wise，CCW)方向輸出的脈沖寬度約為600 fs，其重頻差在±10 Hz內(nèi)可調(diào)[40]。2016年他們?cè)诖嘶A(chǔ)上報(bào)道了可穩(wěn)定運(yùn)行的雙向環(huán)形腔雙重頻鎖模激光器，重復(fù)頻率約為72 MHz，重頻差為82 Hz[41]。2014年，北京航空航天大學(xué)趙欣報(bào)道了一種基于SWNT的雙向、雙波長(zhǎng)鎖模激光器，通過調(diào)整腔內(nèi)損耗，實(shí)現(xiàn)了具有不同中心波長(zhǎng)的雙向鎖模以及百Hz的大范圍可變重頻差[42]，明確了脈沖波長(zhǎng)差對(duì)于重頻差的影響，為有效控制雙向激光器的重頻差提供了途徑。

通常單腔雙光頻梳激光器由于共享可飽和吸收體，會(huì)使得兩列脈沖在可飽和吸收體發(fā)生非線性作用進(jìn)而引起不穩(wěn)定，尤其是有很強(qiáng)的非線性作用時(shí)還會(huì)導(dǎo)致兩列脈沖自同步[43]。2018年，Minoshima團(tuán)隊(duì)為了避免此效應(yīng)，報(bào)道了一種非共享飽和吸收體的雙向雙光梳激光器[44]，如圖4(a)所示。該激光器采用兩個(gè)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(saturable absorber mirror，SAM)并工作于不同的方向，與非線性偏振旋轉(zhuǎn)(nonlinear polarization rotation，NPR)共同作用下實(shí)現(xiàn)混合鎖模，不但避免了雙向脈沖在可飽和吸收體處的非線性作用，而且使輸出的脈沖具有低相位噪聲。在沒有溫控的情況下，重頻差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.14 Hz，艾倫偏差0.01 Hz，如圖4(b，c)所示。此外，他們還通過自參考技術(shù)測(cè)量了載波包絡(luò)偏移頻率(fCEO)，首次測(cè)量了沒有主動(dòng)穩(wěn)頻控制的單腔雙光梳的每個(gè)fCEO在1 000 s內(nèi)的變化都約為1 MHz，對(duì)應(yīng)的載波包絡(luò)偏置頻率差ΔfCEO約5.5 MHz，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為30.5 kHz，而ΔfCEO的大小僅僅取決于泵浦電流。具有高穩(wěn)定性的ΔfCEO對(duì)于雙光梳光譜學(xué)這種需要穩(wěn)定拍頻的測(cè)量應(yīng)用來講是至關(guān)重要的。

圖4 (a)雙向雙光梳光纖激光器結(jié)構(gòu)；(b)重復(fù)頻率的波動(dòng)；(c)重頻差的標(biāo)準(zhǔn)頻差和艾倫偏差

1.4 脈沖波形復(fù)用

上述復(fù)用雙梳產(chǎn)生方法中的光脈沖在波長(zhǎng)范圍、偏振態(tài)或傳輸方向上具有顯著的不同特性，而是否可以在一個(gè)鎖模光腔內(nèi)產(chǎn)生具有相同波長(zhǎng)范圍、偏振態(tài)和傳輸方向的不同光脈沖則是另一個(gè)有趣的研究思路。

2015年，北航鄭錚團(tuán)隊(duì)提出了一種碳納米管鎖模激光器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了脈沖波形復(fù)用的雙光梳鎖模激光器[45]，其結(jié)構(gòu)和輸出特性如圖5所示。該激光器利用腔內(nèi)的起偏器及其保偏光纖尾纖的雙折射導(dǎo)致了一定深度的Lyot濾波效應(yīng)。同時(shí)，起偏器與腔內(nèi)非線性效應(yīng)結(jié)合可以產(chǎn)生非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，與物理鎖模器件相結(jié)合形成混合鎖模機(jī)制[46]。對(duì)于腔內(nèi)脈沖能量較低的脈沖，線性濾波起主要作用，此時(shí)鎖模光譜較窄；對(duì)于腔內(nèi)脈沖能量較大的脈沖，非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)出現(xiàn)使得鎖模光譜變寬。因此在腔內(nèi)整體功率較高時(shí)，能同時(shí)出現(xiàn)不同能量和不同時(shí)域特性的脈沖。由于不同鎖模機(jī)制的同時(shí)作用，該激光器的雙頻鎖模輸出光譜重疊并且偏振方向一致，其時(shí)域互相關(guān)信號(hào)證明了兩種脈沖之間具有良好的互相干性。

圖5 (a)脈沖波形復(fù)用激光器結(jié)構(gòu)；(b)時(shí)域干涉圖；(c)雙梳光譜

1.5 保偏光纖雙梳激光器

隨著單腔雙光梳產(chǎn)生技術(shù)的不斷發(fā)展和各種相干測(cè)量應(yīng)用的開展，近幾年對(duì)提高單腔雙光梳光源的穩(wěn)定性也開展了研究。通常采用的方法是利用保偏光纖來構(gòu)成激光器，優(yōu)點(diǎn)是保持光的偏振態(tài)不易受到外力的影響，具有更高的穩(wěn)定性。2018年，北京航空航天大學(xué)王如柳等基于SWNT實(shí)現(xiàn)了單腔保偏型雙梳激光器[47]，其結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，利用波片和偏振片引入光譜濾波效應(yīng)獲得了重頻差700 Hz的雙波長(zhǎng)鎖模輸出。2018年，胡明列團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于NALM和Sagnac濾波的全保偏雙波長(zhǎng)鎖模激光器[48]，其結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。其中，環(huán)形部分充當(dāng)NALM，相反方向的線性偏振光獲得不同的非線性相移，并在偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)2產(chǎn)生偏振干涉從而獲得梳狀濾波效應(yīng)，線型部分的非互易移相器提供額外的相移積累以實(shí)現(xiàn)鎖模自啟動(dòng)。同時(shí)，通過調(diào)整1/4波片(quarter-wave plate，QWP)即圖6(b)中的QWP2來調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗以實(shí)現(xiàn)不同的雙波長(zhǎng)鎖模。該光源在連續(xù)90 min內(nèi)的重復(fù)頻率差波動(dòng)小于0.1%，表明了該保偏雙光梳光源具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。2019年，Jakob Fellinger報(bào)道了一種類似的NALM保偏摻鐿雙波長(zhǎng)激光器，其濾波方法是通過腔內(nèi)的空間光柵實(shí)現(xiàn)的機(jī)械可調(diào)帶阻濾波，同時(shí)通過微調(diào)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻差的動(dòng)態(tài)控制，在連續(xù)200 min內(nèi)對(duì)重復(fù)頻率與重頻差進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，由于空間光路部分的影響，得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為12和1.7 Hz[49]。

2016年，Kolano等提出從基于兩個(gè)反射式半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)的具有兩個(gè)環(huán)路的全保偏激光器產(chǎn)生兩列正交偏正的脈沖序列，這種設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了固定偏振的輸出，但兩個(gè)脈沖序列經(jīng)歷的光腔有很大的區(qū)別，對(duì)其穩(wěn)定性具有一定的影響[50]。以上保偏型激光器都有部分光路為自由空間光路，因此在功能實(shí)現(xiàn)和集成方面較為困難。

2019年，日本名古屋大學(xué)Nishizawa研究組報(bào)道了一種保偏光纖結(jié)構(gòu)的雙向激光腔[51]，如圖6(c)所示。為避免對(duì)SWNT的損傷以及脈沖同步作用，采用與參考文獻(xiàn)[44]類似的雙分支結(jié)構(gòu)，通過雙路的可調(diào)諧衰減器控制腔內(nèi)增益與損耗，最終實(shí)現(xiàn)雙光梳輸出。封裝后加入溫度控制裝置，在監(jiān)測(cè)的7 h內(nèi)，重復(fù)頻率最大變化20 Hz，重頻差最大變化1 Hz，并通過對(duì)窄帶濾波器的光譜分析，驗(yàn)證了該激光器的穩(wěn)定性。2019年，日本豐田工業(yè)大學(xué)Luo Xing等報(bào)道了一種全腔共享的線型部分保偏全光纖雙波長(zhǎng)激光器[26]。該結(jié)構(gòu)采用SESAM和光纖反射鏡構(gòu)成線型腔，腔內(nèi)的偏振相關(guān)保偏波分復(fù)用器(wavelength division multiplexer，WDM)和其余保偏光纖構(gòu)成Lyot濾波器，通過控制一段非保偏部分的偏振控制器可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模，如圖6(d)所示。這種基于可飽和吸收體的鎖模方式以及全光纖的結(jié)構(gòu)，更容易實(shí)現(xiàn)低閾值鎖模和集成封裝。

圖6 (a)基于SWNT的保偏型激光器結(jié)構(gòu)；(b)基于Sagnac濾波的保偏雙波長(zhǎng)鎖模激光器結(jié)構(gòu)；(c)雙向全保偏光纖激光器結(jié)構(gòu)；(d)雙向部分保偏光纖激光器結(jié)構(gòu)

保偏型單腔雙光梳鎖模激光器的鎖模方式通常采用的是NALM和可飽和吸收體，本文對(duì)已報(bào)道的不同結(jié)構(gòu)保偏雙光梳的輸出特性做了總結(jié)，如表1所示。盡管NPR的鎖模方式同樣有著高功率輸出的優(yōu)勢(shì)，但將其與全保偏光纖結(jié)合的鎖模方式還較為困難。

表1 已報(bào)道的保偏雙光梳鎖模光纖激光器的輸出特性

2 單腔雙光梳的光譜學(xué)應(yīng)用

雙梳光譜學(xué)(dual-comb spectroscopy，DCS)是一種新興的光譜測(cè)量工具，其利用具有微小重復(fù)頻率差的相干雙光梳在光電探測(cè)器上干涉產(chǎn)生一系列拍頻微波梳，成功將光學(xué)頻率一對(duì)一地轉(zhuǎn)換到電學(xué)組件可探測(cè)的微波頻段，如圖7(a)所示。因此待測(cè)樣品的光譜響應(yīng)可以通過低速光電探測(cè)器采集拍頻得到的時(shí)域干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換來重建光學(xué)頻率梳的頻域光譜信息[52]，并且獲得單次光譜信息的最小采樣時(shí)間等于重復(fù)頻率差的倒數(shù)。因此，雙光梳光譜學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品光譜響應(yīng)的超高分辨率、高靈敏度的快速測(cè)量，突破傳統(tǒng)光譜儀的尺寸約束和儀器響應(yīng)極限。在測(cè)量系統(tǒng)中，可以使用不同的方式將待測(cè)樣品的響應(yīng)編碼到梳齒上，有非對(duì)稱和對(duì)稱兩種，如圖7(b)所示。前者只讓一個(gè)光梳通過樣品傳輸，與另一個(gè)本振光梳干涉，能夠測(cè)量相位和振幅響應(yīng)；后者讓兩個(gè)光梳同時(shí)通過樣品，只能測(cè)量樣品的吸收，但更適用于有振動(dòng)的路徑測(cè)量。

圖7 (a)雙光梳光譜探測(cè)下轉(zhuǎn)換原理；(b)兩種不同測(cè)量方式

隨著光梳技術(shù)的發(fā)展，雙光梳光譜學(xué)也在逐漸成熟并將超越傳統(tǒng)光譜儀在實(shí)驗(yàn)室和戶外的應(yīng)用。目前，該技術(shù)已經(jīng)在超寬譜的近紅外光譜測(cè)量、光譜激光雷達(dá)、遠(yuǎn)程大氣等氣體監(jiān)測(cè)、亞波長(zhǎng)空間分辨率的近場(chǎng)顯微成像、分子頻率的高精度計(jì)量等應(yīng)用具有重要意義，進(jìn)而可延伸到受激拉曼散射非線性光譜、相干反斯托克斯拉曼光譜，以及雙光子光譜等領(lǐng)域，覆蓋了整個(gè)從紫外到太赫茲的超寬頻率范圍，如圖8所示。

圖8 雙梳測(cè)量的頻譜范圍以及相應(yīng)的雙光梳源技術(shù)

隨著光纖光梳的發(fā)展，雙光梳光譜學(xué)在近紅外波段、可見光波段以及紫外波段得到了大量的研究，在超寬帶范圍內(nèi)達(dá)到了梳齒分辨率和高信噪比，可分別通過近紅外鎖模激光器、光纖光梳的二次諧波產(chǎn)生(second harmonic generation，SHG)[53]和高次諧波產(chǎn)生(high harmonic generation，HHG)來實(shí)現(xiàn)。另一方面，具有更強(qiáng)的光譜特征的長(zhǎng)波段也是人們所關(guān)注的重點(diǎn)，包括中紅外(3～5 μm)和遠(yuǎn)紅外波段(6～13 μm)以及太赫茲波段。中紅外和遠(yuǎn)紅外光梳可以通過近紅外光梳源基于頻差發(fā)生器產(chǎn)生(difference frequency generation，DFG)[54]，或采用中/遠(yuǎn)紅外鎖模激光器[55]、光學(xué)參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO)[56]、微諧振器以及量子級(jí)聯(lián)激光器(quantum cascade laser，QCL)[57]等來實(shí)現(xiàn)，而太赫茲則可通過光導(dǎo)天線(photoconductive antenna，PCA)[58]來實(shí)現(xiàn)。

理想光頻梳的梳齒具有極窄的線寬和絕對(duì)的頻率，而實(shí)際上目前實(shí)驗(yàn)所采用的雙光頻梳分為三種：自由振蕩光梳、高度相關(guān)光梳和穩(wěn)頻光梳。其中，自由振蕩光梳由于信號(hào)相干疊加時(shí)間有限，分辨率和頻率精度都較低。穩(wěn)頻光梳可以同時(shí)獲得高分辨率、絕對(duì)的頻率精度以及高信噪比，但是由于需要龐大的電子控制系統(tǒng)，其復(fù)雜度和成本將大大提高。因此一種能夠產(chǎn)生高度相關(guān)雙光梳的單腔雙光梳激光器脫穎而出，由于腔內(nèi)共模噪聲的被動(dòng)抑制作用，無需復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬、梳齒分辨率的實(shí)時(shí)測(cè)量，并且可以通過增大相干平均時(shí)間來實(shí)現(xiàn)高信噪比，可顯著簡(jiǎn)化整個(gè)光譜測(cè)量系統(tǒng)。雙梳光譜學(xué)作為一種輕便靈活的光譜測(cè)量工具，不斷地朝著小型化、高分辨率和高精度的方向發(fā)展，未來在實(shí)驗(yàn)室和戶外的許多應(yīng)用中將替代傳統(tǒng)的傅里葉變換紅外光譜儀的應(yīng)用。

2016年，北航趙欣基于一個(gè)自由運(yùn)行的雙波長(zhǎng)激光器實(shí)現(xiàn)了單腔雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng)。激光器的鎖模中心波長(zhǎng)分別為1 533和1 544 nm，重復(fù)頻率52.74 MHz，重頻差1 250 Hz，10 min內(nèi)重頻差標(biāo)準(zhǔn)差為16 mHz，相對(duì)線寬為250 Hz，經(jīng)過分別放大展寬后成功測(cè)量了乙炔(C2H2)氣體在1 528～1 543 nm范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)[25]。利用具有不同重頻的雙光梳在低速光電探測(cè)器處拍頻獲得了周期性時(shí)域干涉信號(hào)，并對(duì)其分別進(jìn)行傅里葉變換得到光譜響應(yīng)信息，在199次相干平均后，吸收光譜的信噪比可達(dá)100，最終獲得了188 MHz(1.5 pm)的光譜分辨率，驗(yàn)證了單腔雙光梳激光器的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

同年，美國(guó)Kieu研究組采用雙向輸出的飛秒鎖模光纖激光器構(gòu)建了一種單腔雙光梳光譜探測(cè)系統(tǒng)，雙向輸出脈沖的光譜覆蓋基本相同，1 s內(nèi)梳齒相對(duì)線寬為1.6 kHz，對(duì)氰化氫(HCN)的吸收譜進(jìn)行了測(cè)量，經(jīng)15次相干平均后信噪比為50，光譜分辨率約1 GHz[59]。2017年，Hebert等進(jìn)一步將上述單腔雙光梳光譜與自適應(yīng)方案結(jié)合起來運(yùn)用[60]，測(cè)得了1 ms內(nèi)的相對(duì)線寬為12.9 kHz。為了改善脈沖序列之間的相干性，利用直接從干涉圖中提取的參考信號(hào)對(duì)干涉圖自身的相位和定時(shí)誤差進(jìn)行校正，經(jīng)過校正后的相對(duì)線寬可達(dá)28 Hz，利用該雙光梳光譜系統(tǒng)對(duì)HCN吸收譜測(cè)量時(shí)，相干平均次數(shù)可增加到700，信噪比提高到300，分辨率達(dá)822 MHz。2019年ukasz A.Sterczewski等基于偏振復(fù)用雙梳激光器實(shí)現(xiàn)了對(duì)低壓下受多普勒限制的HCN吸收譜的測(cè)量。在200 ms的相干平均時(shí)間內(nèi)，可獲得超過1.7 THz的光譜范圍，并且在太赫茲范圍內(nèi)獲得超過1%的透過率精度[34]。

為了將單腔雙光梳光源拓展到具有更高靈敏度的更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光譜波段，2018年，胡明列團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)雙波長(zhǎng)摻銩鎖模光纖激光器測(cè)量了腔內(nèi)光學(xué)路徑的水分子吸收譜(1 940 nm)，獲得了43.4 pm的分辨率[61]。2019年，鄭錚團(tuán)隊(duì)又運(yùn)用孤子自頻移(soliton self-frequency shift，SSFS)技術(shù)，通過改變注入到非線性光纖中的功率，在距種子雙波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器約100 nm的地方生成了低噪聲的雙光梳光譜，測(cè)量了1 647～1 663 nm范圍的甲烷2ν3能帶吸收譜線[62]，相干平均次數(shù)達(dá)5 135(1.96 s)，信噪比為150，殘余標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 8。通過對(duì)比從1 552 nm種子脈沖和轉(zhuǎn)換后的1 650 nm波段的甲烷光譜吸收，發(fā)現(xiàn)自由運(yùn)行的雙光梳摻鉺光纖激光器的光譜經(jīng)過非線性轉(zhuǎn)換后，仍然具有較好的互相干性和穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的雙光梳光譜探測(cè)。該實(shí)驗(yàn)表明單腔雙光梳激光器可以通過進(jìn)一步非線性光譜擴(kuò)展獲得更大的測(cè)量范圍。

北航團(tuán)隊(duì)同日本德島大學(xué)Yasui團(tuán)隊(duì)合作，在2018年實(shí)現(xiàn)了使用單腔雙光梳光纖激光器泵浦的太赫茲時(shí)域光譜學(xué)測(cè)量[63]。進(jìn)而，2020年雙方率先報(bào)道了測(cè)量吸收線寬低至25 MHz的低壓下氰化甲烷分子光譜，該研究中將單腔雙光梳光纖激光器同自適應(yīng)THz雙頻梳光譜學(xué)技術(shù)結(jié)合，有效地補(bǔ)償殘余時(shí)間抖動(dòng)所引起的光譜分辨率性能劣化[64]，其系統(tǒng)與結(jié)果如圖9所示。這一兼具高光譜分辨率和低系統(tǒng)復(fù)雜度的THz頻梳光譜學(xué)技術(shù)的極致實(shí)現(xiàn)形式將大大降低實(shí)際使用的門檻，推進(jìn)THz光譜學(xué)技術(shù)在氣體分析等應(yīng)用中的實(shí)際使用。

圖9 (a)光梳模式分辨自適應(yīng)采樣THz-DCS的結(jié)構(gòu)；(b)使用不同采樣時(shí)鐘的平均100 000次的時(shí)間波形比較插圖: 主要THz脈沖的放大圖；(c)常壓下通過空氣的梳齒模式分辨THz譜插圖: 0.567 2 THz左右的放大圖

總之，基于自由運(yùn)行的單腔雙光梳激光器測(cè)量系統(tǒng)，盡管在泵浦和環(huán)境影響下不可避免地存在著重復(fù)頻率等的漂移問題，但由于單腔光源的固有相關(guān)性，其在多種應(yīng)用場(chǎng)景中的測(cè)量結(jié)果能滿足許多實(shí)際應(yīng)用的需求。如何進(jìn)一步提高此類光源的環(huán)境穩(wěn)定性也是可以進(jìn)一步研究的科學(xué)問題。

3 總結(jié)與展望

介紹了單腔雙光梳激光器的技術(shù)原理和性能及基于不同生成機(jī)制的單腔雙光梳激光器的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了目前單腔雙光梳激光器在不同波段實(shí)現(xiàn)的光譜學(xué)應(yīng)用，并總結(jié)了在發(fā)展中仍然存在的問題。目前，重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面的研究，一是進(jìn)一步提高單腔型雙光梳激光腔的主要性能參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用對(duì)于精度等指標(biāo)的更高要求；二是探索單腔雙光梳系統(tǒng)在中紅外波段以及太赫茲波段的譜學(xué)測(cè)量應(yīng)用；三是高可靠性單腔雙光梳激光器的實(shí)用化。相信未來單腔雙光梳技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、生物成像等諸多領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮非常重要的作用。