单腔双光梳激光器

单腔双光梳激光器

一、技术背景与发展动因
光学频率梳是一种在频域中呈等间隔分布、在时域表现为超短脉冲列的特殊光源。自问世以来，它已广泛应用于高精度光谱测量、激光雷达、原子钟校准和绝对距离测量等前沿领域。

在此基础上发展出的“双光梳光谱技术”，通过两束重复频率略有差异的频率梳相互拍频干涉，将高速光学信息映射至射频域，无需机械扫描即可实现宽带、高分辨率、快速采样的测量能力。

然而，传统的双光梳系统需要两台独立锁模激光器，以及复杂的锁频、锁相控制环路，不仅系统庞大、成本高、功耗大，而且对共模噪声难以抑制，长期稳定性也较差，制约了其在便携式、嵌入式或工程场景中的实际应用。

因此，单腔双光梳锁模光纤激光器应运而生。该技术通过在一个激光腔体中同时输出两组锁模脉冲，利用复用机制实现不同频率梳的生成，显著简化系统结构，提高稳定性和集成度，为双光梳技术的微型化、低成本化和实用化提供了新路径。

二、工作原理与结构设计
光频梳由一系列频率间隔为 frep 的梳齿组成，单根梳齿频率可写作 fm = m·frep + fceo，其中 frep 为重复频率，fceo 为载波包络偏移。

若将两组频率略有差异的光频梳相互干涉，便可在射频域形成频率间隔为 Δfrep = frep,1 − frep,2 的拍频信号序列，从而无需扫描即可实现高速光谱采集，这就是双光梳干涉的原理。

单腔双光梳锁模激光器则通过以下方式在单一谐振腔中实现两组 frep 略有差异的锁模脉冲：

1. 方向复用：顺时针和逆时针传播的脉冲在光程上存在微小差异，从而形成重复频率差；
2. 波长复用：通过光谱滤波器（如 Lyot 或 Sagnac 结构）选出不同中心波长的两组脉冲，群速度差引入频差；
3. 偏振复用：利用保偏或非保偏光纤中的双折射效应，使两组正交偏振态脉冲独立传播；
4. 腔空间复用：构造双腔段或多模结构，使多个物理路径共用增益介质、独立锁模。

三、典型实现方式与实验示例

方向复用：例如 Kieu 等利用无隔离器的光纤环腔结构，顺/逆方向光程差产生 49.8–229 Hz 重复频率差。后续结合 SESAM 或 NPR 技术，实现 nJ 级脉冲能量与 20 nm 以上谱宽。

波长复用：如使用 Lyot 滤波器，在 1560 nm 和 1570 nm 两波段输出双光梳信号，频差为 kHz 级；Sagnac 环结构实现 1917 nm 与 1981 nm 双波长锁模，频差达 2.8–3.3 kHz。

偏振复用：通过控制偏振控制器与 PBS，构造正交偏振矢量孤子，输出频差为 510 Hz–3.2 kHz 的拍频信号。

腔空间复用：在多模光纤型可饱和吸收器系统中，两个谐振腔分别产生约 26.97 MHz 和 26.44 MHz 的脉冲列，可扩展至中红外波段或实现三光梳结构。

四、系统性能与非线性特性

拍频输出信号具备高信噪比、低相位噪声、频差稳定等优势，可直接用于光谱重建与非接触式测距，无需锁相系统。

在动态特性上，通过 TS-DFT 技术可实时捕捉孤子链的形成与演化过程，揭示偏振增益差引起的非同步起振机制。在碰撞阶段，观察到光谱漂移、干涉条纹位移与 FWM 边带生成，揭示了腔内非线性互作用的本征行为。

五、应用成就与典型案例

气体吸收光谱：可实现 THz 级宽带、GHz 分辨率测量。例：CH₄、HCN 气体吸收谱，200 ms 内完成全谱段扫描。

飞行时间测距：80 m 导轨上实现 10 μm 以内测距精度，1 s 内测量周期，无需扫描部件。

光纤应变传感：应变分辨率达 0.5 με，支持多点 FBG 阵列实时检测，频差漂移小于 13 Hz/h。

拉曼成像：配合双波长泵浦源，实现 kHz 级速率的拉曼成像，无需机械扫描，适用于生物样本或材料检测。

此外，系统正在向中红外（2–5 μm）、太赫兹检测、细胞光镊成像等应用拓展，具备高度交叉融合潜力。