中紅外雙光梳光譜檢測系統(tǒng)因其高分辨、高靈敏、快速測量的特性為極低濃度氣體的標定帶來了革新技術(shù)。目前產(chǎn)生相干雙光梳系統(tǒng)的技術(shù)主要有三種：鎖模激光器、電光調(diào)制和非線性光學微諧振腔。

近年來，單腔雙波長激光器，或稱“單腔雙梳”技術(shù)備受關(guān)注。在單個鎖模激光諧振腔內(nèi)加入調(diào)制元件，使得諧振腔內(nèi)兩個波長同時起振，從而輸出兩列重復(fù)頻率略有差異的脈沖序列，用以替代兩臺鎖模激光器。由于兩個波長共腔產(chǎn)生，兩者間的共模噪聲得到了很好地抑制，兩列脈沖間的相對頻率穩(wěn)定性高，無需外部鎖相系統(tǒng)，脈沖間重復(fù)頻率差值的頻率抖動量標準差就能降低至5.1 mHz，為雙光梳系統(tǒng)提供了結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、體積小巧、穩(wěn)定性高的可靠光源。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華東師范大學精密光譜科學與技術(shù)國家重點實驗室和精密光學重慶市重點實驗室的聯(lián)合科研團隊在《光子學報》期刊上發(fā)表了以“基于雙波長激光器的集成化中紅外雙光梳系統(tǒng)（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為楊梅，通訊作者為劉婷婷博士后和閆明研究員，閆明研究員主要從事精密光譜測量與相干光學成像方面的研究工作。

本文用單腔雙波長激光器輸出的異步雙波長脈沖替代兩臺鎖模激光器，結(jié)合非線性差頻技術(shù)，發(fā)展了集成實用化的中紅外雙光梳系統(tǒng)。

實驗裝置

基于單腔雙波長激光器的中紅外雙光梳系統(tǒng)包括全保偏光纖結(jié)構(gòu)摻鐿雙波長激光器、多級級聯(lián)光放大器、光學差頻模塊及長光程氣體吸收探測模塊，整體實驗裝置如圖1（a）所示。

基于非線性放大環(huán)形鏡（NALM）鎖模的全保偏摻鐿雙波長激光器由一個非線性環(huán)和一個Lyot濾波器通過光纖分束器（CP2）橋接而成，其中非線性環(huán)部分由980/1030 nm波分復(fù)用器（WDM1）、摻鐿增益光纖（YSF1）、光纖分束器（CP1）與非互易性相移器構(gòu)成，而光纖耦合鏡（COL1&2）、四分之一波片（QWP）、全保偏光纖與光纖反射鏡（OFM）組成的Lyot濾波器則充當了NALM腔的線性臂部分。

諧振腔的Out.1輸出端用于光譜監(jiān)測，Out.2輸出端則用于鎖模狀態(tài)與輸出功率監(jiān)測。在非線性環(huán)內(nèi)，最大功率400 mW的976 nm泵浦光沿WDM1的泵浦端耦合進1 m的全正色散保偏摻鐿增益光纖（YSF1，Nufern，PM-YSF-HI）中，受激輻射產(chǎn)生的1030 nm激光脈沖在諧振腔內(nèi)傳輸。

環(huán)內(nèi)的非互易相移器能為正反傳輸兩束光提供π/2的線性相移，同時，為增大非對稱性，環(huán)內(nèi)順時針傳輸?shù)拿}沖先經(jīng)過4.4 m的負色散單模光纖，再進入YSF1中進行功率放大；而逆時針傳輸?shù)拿}沖則先經(jīng)過0.9 m的負色散單模光纖，再進入YSF1中進行放大，非對稱放置的增益光纖能為兩束光引入非線性相移。

對于NALM鎖模的“9”字型腔來說，當總相移量達到π的奇數(shù)倍時，腔內(nèi)損耗最小，激光器可實現(xiàn)鎖模。在線性臂中，COL1與CP2之間的尾纖長度為0.27 m，而工作距離為30 cm的光纖耦合鏡對、四分之一波片、43 cm的保偏光纖（PM980-XP，Nufern）及雙軸工作的光纖反射鏡共同構(gòu)成了保偏Lyot濾波器。

圖1 中紅外雙光梳系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，中紅外雙光梳系統(tǒng)的雙波長激光器、級聯(lián)光纖放大器部分均采用光纖及光纖器件直接熔融耦合的方式連接，光纖結(jié)構(gòu)具有良好的柔繞性和集成性。諧振腔中的光纖耦合鏡對可采用角度偏差膠合的方式，空間距離可縮短至<1 cm。光學差頻模塊則采用空間結(jié)構(gòu)，出于對系統(tǒng)集成度的考量，所用透鏡焦距僅有11 mm。摻鐿雙波長激光器、級聯(lián)光纖放大器、光學差頻模塊可集成在3U 機箱內(nèi)。對比于其他集成化雙光梳系統(tǒng)，2014年，NIST實驗室運用車載雙光梳系統(tǒng)在km級開放光程中實現(xiàn)了遙感，但其系統(tǒng)依賴于兩套獨立光學頻率梳源及配套鎖相環(huán)實現(xiàn)，未體現(xiàn)出簡易性和集成度方面的優(yōu)勢。本文基于單腔雙波長激光器搭建的中紅外雙光梳系統(tǒng)為簡化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小體積，降低成本提供了可行方案。

系統(tǒng)性能表征

實驗裝置中的雙波長激光器可通過泵浦功率調(diào)諧實現(xiàn)單波長鎖模與雙波長鎖模的切換。當泵浦功率增加到~150 mW時，鎖模呈現(xiàn)單波長多脈沖狀態(tài)，逐漸將泵浦功率降低至~85 mW，可實現(xiàn)單波長單脈沖鎖模。由于1034 nm與1039 nm的透射率相近，鎖模脈沖的中心波長具有隨機性，旋轉(zhuǎn)四分之一波片的角度，可實現(xiàn)兩個波長的切換。Lyot濾波器的多峰透射特性允許多個波長在諧振腔內(nèi)同時起振，為雙波長甚至多波長鎖模提供了必要條件。

當泵浦功率增加到~180 mW時，腔內(nèi)能量足以支持兩個波長脈沖起振，激光器工作在雙波長多脈沖狀態(tài)，泵光功率降低至~90 mW，可獲得穩(wěn)定的雙波長雙脈沖鎖模，其中心波長分別為1034 nm與1039 nm，光譜數(shù)據(jù)如圖2（a）所示，每個波長的3 dB譜寬~1.6 nm。

由于Lyot濾波器其他通帶的自發(fā)輻射無法完全抑制，所以在1034 nm與1039 nm的相鄰?fù)◣?nèi)仍存在微弱的光譜成分。圖2（b）為射頻分析儀（KEYSIGHT，N9320B）記錄的雙波長脈沖射頻域信號。由于腔內(nèi)色散影響，雙波長脈沖的群速度不同，因而其重復(fù)頻率會存在微小差異，射頻頻率分別為25.5205 MHz與25.5217 MHz的主峰信號驗證了雙波長脈沖的異步特性。

圖2 輸出雙波長脈沖特征圖

為驗證底層雙光梳光源脈沖間的相對穩(wěn)定性，對雙波長脈沖的重復(fù)頻率及其差值進行了測量。諧振腔輸出的雙波長脈沖經(jīng)由光柵與反射鏡的組合進行分光，并由兩個高速光電探測器（FPD 510-FS NIR）分別測量其重復(fù)頻率的變化。圖3記錄了10 h內(nèi)雙波長脈沖各自重頻偏移與相應(yīng)的重復(fù)頻率差。如圖3所示，黑線和藍線分別為1040 nm和1034 nm脈沖重復(fù)頻率漂移曲線。

在10 h測量時間內(nèi)，由環(huán)境擾動引起的脈沖重復(fù)頻率偏移量約為60 Hz，且兩個波長脈沖的重復(fù)頻率同步下降。紅線為相應(yīng)的重復(fù)頻率差值，其最大偏移量約為3.5 Hz。在1 Hz的采樣頻率下，雙波長重復(fù)頻率差的標準差為0.45 Hz。無需外部鎖相環(huán)，重復(fù)頻率差的漂移量較雙波長脈沖各自重頻漂移量小1~2個量級，說明實驗采用的單腔雙波長激光器可以很好地抑制共模噪聲，并在較長時間范圍內(nèi)保持良好的脈沖相對穩(wěn)定性。

圖3 雙波長脈沖重復(fù)頻率長期穩(wěn)定性

脈沖間的高相干性是構(gòu)成雙光梳測量系統(tǒng)的必要條件。為了驗證單腔雙波長激光器輸出脈沖間的相干性能，我們利用平衡探測器、高速示波器、頻譜分析儀搭建相干性測試鏈路，測量并記錄了雙波長脈沖的時域拍頻信號與頻域拍頻包絡(luò)。

用平衡光電探測器（Thorlabs，PDB410C）接收諧振腔Out.1端輸出的脈沖光，電信號經(jīng)低通濾波器（LPF：DC-15 MHz）濾波后送入示波器（Teledyne LeCroy，HDO6104A），此示波器兼具時域與頻域分析功能。將示波器采樣時間設(shè)為5 ms，采樣頻率設(shè)為1 GHz時，示波器可在時域上探測到脈沖干涉信號序列，如圖4（a）所示，其周期約為840 μs，與1.18 kHz的重頻差相對應(yīng)。圖4（a）中插圖為0時刻附近展開的單個時域干涉包絡(luò)，藍色為單次采樣值，紅色為200次平均值，將單次采樣值進行傅里葉變換（FFT）后，即可得到脈沖干涉的頻域包絡(luò)信號。圖4（b）比較了單次采集的頻域干涉信號包絡(luò)（黑）與FFT變換后的射頻信號（紅），兩者跡線趨于一致。圖4（c）為圖4（b）中~11.6 MHz附近藍框內(nèi)展開后獲得的拍頻梳齒信號，梳齒間隔等于1.18 kHz的重復(fù)頻率差，梳齒信號信噪比超過25 dB。受限于示波器的分辨率，讀取到每根梳齒半高寬在12 Hz。高信噪比的拍頻梳齒信號證明了雙波長脈沖序列之間的高相干性，而梳齒的窄線寬特性則證實了單腔雙波長激光器的高穩(wěn)定、低噪聲性能。

圖4 雙波長脈沖拍頻信號圖

以高相干、高穩(wěn)定、低噪聲的單腔雙波長激光器為光源，將其功率放大后與1550 nm連續(xù)光非線性差頻，發(fā)展出集成化的中紅外雙光梳系統(tǒng)。單腔雙波長激光器輸出的種子脈沖平均功率僅有1 mW，為避免因種子脈沖過于微弱，而在放大中引入大量自發(fā)輻射噪聲，在實驗中采用兩級前向預(yù)放大與一級主放大級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將種子光脈沖功率逐級提升，以維持脈沖之間的高相干性。預(yù)放大器與主放大器均采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)，增強了系統(tǒng)的環(huán)境免疫性。與前向預(yù)放大中各采用1 m的單模摻鐿增益光纖不同，在主放大器中，采用雙包層結(jié)構(gòu)的摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，進行脈沖功率的提升。

雙包層結(jié)構(gòu)有利于承載更高功率的脈沖，當主放泵浦光功率增加至3.5 W時，級聯(lián)放大器可將雙波長脈沖的平均功率提升至1.1 W。在放大過程中，由于多種非線性效應(yīng)的綜合影響，例如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等，種子脈沖的輸出光譜不斷展寬，同時，由于光纖對1 μm激光呈現(xiàn)正色散特性，脈沖寬度不斷增加。圖5（a）為記錄的功率衰減后的主放大輸出光譜。對比于圖2（a）可以看出，1034 nm與1039 nm的光譜均被展寬，兩個波長的光譜重疊部分增加，光譜較為連續(xù)，在非線性效應(yīng)的作用下，放大后光譜的3 dB帶寬超過20 nm。產(chǎn)生中紅外激光的技術(shù)手段有多種，例如利用增益介質(zhì)直接泵浦產(chǎn)生或利用非線性頻率變換技術(shù)間接產(chǎn)生等。

本實驗中，采用1030 nm的激光脈沖與1550 nm的連續(xù)激光在PPLN中非線性差頻的方式來產(chǎn)生中紅外激光，此種方法的優(yōu)勢在于產(chǎn)生的中紅外激光光譜較寬、轉(zhuǎn)化效率高，且中紅外的光譜覆蓋范圍可以通過波長調(diào)諧技術(shù)擴展。將放大后的激光通過準直透鏡耦合至非線性差頻模塊中，激光脈沖與1550 nm附近的連續(xù)激光在二向色鏡（DM）處合束，共同進入PPLN晶體。

為提高中紅外激光的轉(zhuǎn)化效率，PPLN晶體的溫度精確控制在了125 ℃。連續(xù)激光器的線寬<10 kHz，其中心波長可調(diào)諧。圖5（b）為連續(xù)激光中心波長調(diào)節(jié)到1549.315 nm時，記錄的中紅外激光光譜。產(chǎn)生的中紅外激光平均功率大于3.5 mW，光譜處于多種氣體的特征吸收帶且范圍超過50 nm，可為多種氣體多個吸收峰的同時成譜檢測提供良好光源。

圖5 不同位置的雙波長脈沖光譜圖

根據(jù)朗伯-比爾定律，氣體分子對光的吸收強度與氣體濃度及相互作用長度成正比。因此，在PPLN晶體后，放置了一個多通長光程氣體池。氣體池由兩面高反射鏡組成，經(jīng)過精確的光路調(diào)整，中紅外激光在氣體池中來回反射50次后才出射，可將氣體與激光的接觸光程增長至10 m，更有利于極低濃度氣體檢測。值得注意的是，對于雙波長脈沖來說，其光譜重疊部分相干性較強。對于非線性差頻產(chǎn)生的中紅外激光來說，其中心波長附近相干性強，而邊帶部分相干性則較弱。中紅外激光的邊帶部分會引入噪聲，增加拍頻包絡(luò)探測的基底，降低梳齒信號的信噪比。因此，在氣體池出射端，用衍射光柵將中紅外激光按波長空間分布，并結(jié)合光闌取出中心部分，濾除邊帶部分，即可實現(xiàn)光譜濾波。

用碲鎘汞探測器測得濾波后的頻域拍頻包絡(luò)信號，如圖6所示。將2.6 MHz附近的包絡(luò)展開，可得到圖6插圖中的中紅外雙光梳拍頻梳齒信號。與圖4（c）比較，可看出梳齒信號的頻率間隔、信噪比及線寬沒有明顯劣化，說明中紅外雙光梳保持了底層雙光梳的相干性。由此，我們以1030 nm的單腔雙波長激光器為光源，通過非線性差頻技術(shù)將其輸出波段頻率轉(zhuǎn)換至中紅外，發(fā)展了集成化的中紅外雙光梳系統(tǒng)，且中紅外雙光梳能保持底層雙光梳的高相干性，為復(fù)雜環(huán)境下的高靈敏微量氣體檢測提供了良好光源。

圖6 中紅外拍頻梳齒頻譜圖

結(jié)論

中紅外雙光梳技術(shù)兼具光譜技術(shù)的高分辨、高精度，雙光梳技術(shù)的快速測量、高靈敏與中紅外波段特征指紋譜特性，為極低濃度的氣體分子標定提供了革新手段。目前構(gòu)建中紅外雙光梳系統(tǒng)的技術(shù)手段存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴、梳齒根數(shù)少、實用性不強等難題。針對上述問題，本文搭建了基于NALM鎖模的全保偏單腔雙波長激光器，以其輸出的異步雙波長脈沖替代兩臺鎖模激光器作為簡易的雙光梳光源。通過在諧振腔內(nèi)構(gòu)建多通帶Lyot濾波器，激光器可輸出1034與1039 nm的雙波長脈沖，其重復(fù)頻率差為1.18 kHz。以此作為種子脈沖，利用級聯(lián)放大技術(shù)，在引入較低噪聲的情況下，將激光器輸出脈沖的平均功率逐級從1 mW提升至1.1 W。放大后的激光與1549.315 nm的連續(xù)光合束后，在PPLN晶體內(nèi)非線性差頻，將激光器輸出波段拓展至中紅外。

通過精確晶體控溫及準相位匹配調(diào)制，產(chǎn)生中紅外激光的功率可達3.5 mW。為驗證雙光梳系統(tǒng)的相干性，分別測量了1 μm與3 μm波段雙光梳的拍頻梳齒信號。比較來看，非線性差頻產(chǎn)生的中紅外雙光梳拍頻梳齒信號的頻率間隔、線寬及信噪比無明顯劣化，可保持底層雙光梳特性。本文以單腔雙波長激光器為基礎(chǔ)，結(jié)合非線性差頻技術(shù)，發(fā)展了集成化的中紅外雙光梳系統(tǒng)，體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，能為復(fù)雜環(huán)境下極低濃度的氣體檢測提供可行方案。

審核編輯：劉清