單腔雙光梳激光器及其光譜學應用研究進展

朱志高，劉 婭*，楊 潔，胡國慶

1.云南師范大學物理與電子信息學院，云南省光電信息技術重點實驗室，云南 昆明 650500 2.北京信息科技大學，光電測試技術及儀器教育部重點實驗室，北京 100192 3.北京信息科技大學，光纖傳感與系統(tǒng)北京實驗室，北京 100016

引 言

光學頻率梳，又稱光頻梳或光梳，是由一系列等頻率間隔的相干光波構成的一種新型寬帶光源。光頻梳頻域為MHz～GHz量級等間隔的窄線寬頻譜分量，其時域為具有飛秒量級時間寬度的周期性脈沖序列，用于光學測量時具有極高的光譜分辨率和時間分辨率，已在精密光譜、時間和頻率的計量以及時鐘的同步和校準等方面開展了廣泛應用[1-2]。

利用光頻梳作為光源進行測量，需要對攜帶有待測信息的超短時域脈沖信號進行光電探測，然后在時域或頻域進行分析來獲得待測信息，如飛行時間法測距、傅里葉變換光譜(Fourier transform spectroscopy，FTS)等。由于飛秒脈沖信號的持續(xù)時間極短，無法直接由光電探測器進行光電轉換而獲得，因此通常利用自相關或互相關的相干檢測方法來間接測量。在傳統(tǒng)的相關測量系統(tǒng)中，需要用到機械位移元件來獲得不同延遲的相關信號，因而限制了測量速度的進一步提高。為提高測量速率，一種新型的雙光梳測量技術應運而生，即采用兩套頻率間隔精確鎖定但略有差別的相干光頻梳，相應地其時域脈沖的重復頻率具有微小的頻差，通過兩脈沖之間固定的時間走離實現異步光學采樣(asynchronous optical sampling，ASOPS)[3, 4]，其原理如圖1所示。異步光學采樣最初在1987年提出，與基于機械延遲的同步光學采樣相比具有兩個優(yōu)勢：一是不需要任何位移元件，其測量更新頻率等于兩套脈沖的重復頻率差，具有非常高的測量速度，可達kHz量級以上；二是其等效采樣步長大大減小，可獲得飛秒量級的測量精度。雙光梳測量技術具有的快速測量和高精度的優(yōu)勢，尤其適用于精密光譜學[5-8]、絕對距離測量[9-12]以及快速泵浦探測[13]等，同時在目標跟蹤測距、太赫茲安檢以及微環(huán)諧振器性能表征等需要快速響應的高精度測量領域具有重要實際應用價值。

圖1 異步光學采樣原理圖

目前產生光頻梳甚至相干雙光頻梳的技術主要有三種：鎖模激光器[14-18]、電光調制[19-20]和非線性光學微諧振腔[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領域。目前，采用兩套飛秒鎖模激光器，并將它們的重復頻率和包絡載波相移頻率嚴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。該技術能夠在寬帶范圍內獲得接近理想的光頻梳，其梳齒具有極窄的線寬和絕對的頻率，可以同時獲得高分辨率、絕對的頻率精度以及高信噪比。但是由于需要復雜的頻率鎖定電子反饋控制系統(tǒng)，其復雜度和成本仍然較高，因而難以將其在有體積、功耗等嚴格限制的諸多應用中進一步實用化。

近年來，一種單腔鎖模激光器的雙光梳產生方式備受關注，在同一個激光器中能夠產生兩套重復頻率略有差異的飛秒脈沖。自由運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頻率穩(wěn)定性高，因而無需對該激光腔進行頻率鎖定等主動控制，顯著降低了雙光梳光源的復雜度和成本。其在雙光梳光譜學、絕對測距、頻率計量和泵浦探測等應用中都表現出良好的性能，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

通常由于受限于模式增益競爭并考慮實現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中心波長和一個重復頻率的脈沖。然而光纖在導波機制上具有多個不同的物理維度, 支持光信號的復用傳輸，如波長復用、偏振復用等，這些機制目前在超大容量光通信等領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。單腔雙光梳技術就是利用光纖的相關導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頻率差由腔內的總色散或雙折射大小決定，使得單一激光光纖腔中產生的兩套亞皮秒脈沖具有微小重復頻率差，并且由于共模作用頻差不易受到外界環(huán)境的干擾，因而近年來備受關注。目前，基于光纖激光腔復用產生雙重頻序列的方式可主要歸納為波長復用、偏振復用和空間復用等。最近，為了進一步提高穩(wěn)定性，利用保偏光纖來構成雙梳激光器也得到了一定研究。

1.1 波長復用

在以往的研究中，采用波長這一維度進行復用的多波長直流光激光器通常是利用腔內周期性窄帶光譜濾波的方式來實現多波長激光激射的。然而，對于脈沖激光，腔內的濾波效應對鎖模激光的帶寬限制和超短脈沖的生成之間可能存在嚴重的矛盾，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直流光激光器結構可以產生帶寬較窄的多波長信號[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應用的需要。因此，一直以來，多波長鎖模是否能夠穩(wěn)定生成具有不同重頻的超短脈沖的問題沒有得到關注和充分研究。

2011年，北京航空航天大學趙欣提出利用增益光纖的增益譜傾斜效應，在激光腔內加入一個可調衰減器調控激光器腔內的損耗，實現了1 532和1 557 nm的雙波長亞皮秒鎖模[24]。當腔內損耗較低時，長波長單獨鎖模，而當腔內損耗逐漸增大時，摻鉺光纖在短波長1 532 nm處的增益也逐漸增大并鎖模，最終實現了兩個波長的同時鎖模，發(fā)現了鎖模脈沖具有分別為9.090 312和9.089 842 MHz的不同重復頻率，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，在腔內加入光譜濾波器件，也可以實現雙波長甚至多波長運轉。其中，Lyot濾波器由于結構簡單、光纖兼容性良好、濾波深度和透過峰可調而被在波長復用的單腔雙梳光源中得到了應用。其工作原理是基于偏振干涉效應，可由腔內雙折射和一個偏振相關型元件構成，其光譜透過率呈現出具有固定波長間隔和濾波深度可調的梳狀。北京航空航天大學鄭錚教授團隊報道了基于Lyot濾波與腔內損耗控制效應相結合的雙波長摻鉺光纖飛秒鎖模激光器[25]，其結構和輸出特性如圖2 所示。該激光器重復頻率漂移大于10 Hz時，10 min內重頻差標準差為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)大學的Luo等也采用Lyot濾波方式實現了摻鉺光纖雙波長雙梳光源[26]。2020年，Zhu等報道了一種基于動態(tài)可調Lyot濾波器，實現了雙波長摻鉺光纖鎖模激光器，波長調諧范圍為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]等實現波長復用鎖模?；诓ㄩL復用的單腔雙光梳鎖模激光器輸出的各波長相互錯開，有效規(guī)避了增益競爭而具有較高的運行穩(wěn)定性，其重頻差可較準確地進行設計。

圖2 (a)基于濾波及腔內損耗控制的雙波長激光器結構圖；(b)光譜圖；(c)頻譜圖

2018年，天津大學宋有建團隊與北航團隊合作研究了單腔雙波長鎖模激光器的相對時間抖動(相位噪聲)問題[30]。測量結果表明該雙波長鎖模脈沖的相對周期時間抖動約為0.82 fs±25 as，與常見的單波長孤子鎖模光源的指標相近，其結果表明單腔的共路結構能夠消除環(huán)境引起的共模噪聲。

1.2 偏振復用

偏振復用的單腔雙梳光源利用光纖腔內的雙折射，使得不同偏振方向的鎖模脈沖存在群速度差異，從而實現兩路脈沖的微小重頻差。

2014年，鄭錚團隊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現了兩個不同重復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，不需要對其進行非線性譜展寬便可直接應用于雙光梳測量[32]。通過對偏振復用激光器的偏振進行調節(jié)，實現了重頻差的連續(xù)可調。2018年，他們進而演示驗證了對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用的雙梳生成[33]，而且生成脈沖可產生高質量的雙梳光譜學信號，其結構和輸出結果如圖3所示。后續(xù)，2019年ukasz A.Sterczewski等用石墨烯作為可飽和吸收體，采用相同的光腔結構，實現了140 MHz的重復頻率和幾百赫茲到幾千赫茲重復頻率差可調的偏振復用激光器，該激光器可以在350 mW的較低功率下連續(xù)工作十幾個小時，證明了此類腔型的穩(wěn)定性[34]。2019年，日本電氣通信大學的Minoshima研究團隊也采用非線性放大環(huán)形鏡(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)鎖模的方法實現了偏振復用的雙光梳生成[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，可也以實現正交偏振的雙重頻脈沖輸出，這類鎖模激光器重復頻率都能達到GHz量級，但是其應用往往受限于其鎖模性能以及相對復雜的系統(tǒng)結構。

圖3 (a)偏振復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 空間復用

在光學空間復用是通過改變腔內增益介質的位置破壞諧振腔的對稱性，引起雙向傳輸的兩束振蕩激光在增益介質中不對稱地放大，從而完成不對稱的非線性效應的積累，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頻率的兩鎖模脈沖序列。由于雙重頻脈沖在腔內的光學路徑完全一致，兩脈沖的重復頻率保持變化的協(xié)同性，而重頻差值大小可以受到兩脈沖的群速度延時差和中心波長差的影響，對總腔長隨機變化不敏感。

2008年，面向潛在的光纖陀螺應用，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，發(fā)現順時針(clock-wise，CW)和逆時針(counterclock-wise，CCW)方向輸出的脈沖寬度約為600 fs，其重頻差在±10 Hz內可調[40]。2016年他們在此基礎上報道了可穩(wěn)定運行的雙向環(huán)形腔雙重頻鎖模激光器，重復頻率約為72 MHz，重頻差為82 Hz[41]。2014年，北京航空航天大學趙欣報道了一種基于SWNT的雙向、雙波長鎖模激光器，通過調整腔內損耗，實現了具有不同中心波長的雙向鎖模以及百Hz的大范圍可變重頻差[42]，明確了脈沖波長差對于重頻差的影響，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，會使得兩列脈沖在可飽和吸收體發(fā)生非線性作用進而引起不穩(wěn)定，尤其是有很強的非線性作用時還會導致兩列脈沖自同步[43]。2018年，Minoshima團隊為了避免此效應，報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。該激光器采用兩個半導體可飽和吸收鏡(saturable absorber mirror，SAM)并工作于不同的方向，與非線性偏振旋轉(nonlinear polarization rotation，NPR)共同作用下實現混合鎖模，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，重頻差的標準偏差為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測量了載波包絡偏移頻率(fCEO)，首次測量了沒有主動穩(wěn)頻控制的單腔雙光梳的每個fCEO在1 000 s內的變化都約為1 MHz，對應的載波包絡偏置頻率差ΔfCEO約5.5 MHz，標準偏差僅為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對于雙光梳光譜學這種需要穩(wěn)定拍頻的測量應用來講是至關重要的。

圖4 (a)雙向雙光梳光纖激光器結構；(b)重復頻率的波動；(c)重頻差的標準頻差和艾倫偏差

1.4 脈沖波形復用

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

2015年，北航鄭錚團隊提出了一種碳納米管鎖模激光器結構，實現了脈沖波形復用的雙光梳鎖模激光器[45]，其結構和輸出特性如圖5所示。該激光器利用腔內的起偏器及其保偏光纖尾纖的雙折射導致了一定深度的Lyot濾波效應。同時，起偏器與腔內非線性效應結合可以產生非線性偏振旋轉效應，與物理鎖模器件相結合形成混合鎖模機制[46]。對于腔內脈沖能量較低的脈沖，線性濾波起主要作用，此時鎖模光譜較窄；對于腔內脈沖能量較大的脈沖，非線性偏振旋轉效應出現使得鎖模光譜變寬。因此在腔內整體功率較高時，能同時出現不同能量和不同時域特性的脈沖。由于不同鎖模機制的同時作用，該激光器的雙頻鎖模輸出光譜重疊并且偏振方向一致，其時域互相關信號證明了兩種脈沖之間具有良好的互相干性。

圖5 (a)脈沖波形復用激光器結構；(b)時域干涉圖；(c)雙梳光譜

1.5 保偏光纖雙梳激光器

隨著單腔雙光梳產生技術的不斷發(fā)展和各種相干測量應用的開展，近幾年對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成激光器，優(yōu)點是保持光的偏振態(tài)不易受到外力的影響，具有更高的穩(wěn)定性。2018年，北京航空航天大學王如柳等基于SWNT實現了單腔保偏型雙梳激光器[47]，其結構如圖6(a)所示，利用波片和偏振片引入光譜濾波效應獲得了重頻差700 Hz的雙波長鎖模輸出。2018年，胡明列團隊報道了一種基于NALM和Sagnac濾波的全保偏雙波長鎖模激光器[48]，其結構如圖6(b)所示。其中，環(huán)形部分充當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產生偏振干涉從而獲得梳狀濾波效應，線型部分的非互易移相器提供額外的相移積累以實現鎖模自啟動。同時，通過調整1/4波片(quarter-wave plate，QWP)即圖6(b)中的QWP2來調節(jié)腔內損耗以實現不同的雙波長鎖模。該光源在連續(xù)90 min內的重復頻率差波動小于0.1%，表明了該保偏雙光梳光源具有長期穩(wěn)定性。2019年，Jakob Fellinger報道了一種類似的NALM保偏摻鐿雙波長激光器，其濾波方法是通過腔內的空間光柵實現的機械可調帶阻濾波，同時通過微調還可實現對頻差的動態(tài)控制，在連續(xù)200 min內對重復頻率與重頻差進行了監(jiān)測，由于空間光路部分的影響，得到的標準偏差分別為12和1.7 Hz[49]。

2016年，Kolano等提出從基于兩個反射式半導體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)的具有兩個環(huán)路的全保偏激光器產生兩列正交偏正的脈沖序列，這種設計雖然實現了固定偏振的輸出，但兩個脈沖序列經歷的光腔有很大的區(qū)別，對其穩(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，因此在功能實現和集成方面較為困難。

2019年，日本名古屋大學Nishizawa研究組報道了一種保偏光纖結構的雙向激光腔[51]，如圖6(c)所示。為避免對SWNT的損傷以及脈沖同步作用，采用與參考文獻[44]類似的雙分支結構，通過雙路的可調諧衰減器控制腔內增益與損耗，最終實現雙光梳輸出。封裝后加入溫度控制裝置，在監(jiān)測的7 h內，重復頻率最大變化20 Hz，重頻差最大變化1 Hz，并通過對窄帶濾波器的光譜分析，驗證了該激光器的穩(wěn)定性。2019年，日本豐田工業(yè)大學Luo Xing等報道了一種全腔共享的線型部分保偏全光纖雙波長激光器[26]。該結構采用SESAM和光纖反射鏡構成線型腔，腔內的偏振相關保偏波分復用器(wavelength division multiplexer，WDM)和其余保偏光纖構成Lyot濾波器，通過控制一段非保偏部分的偏振控制器可以實現雙波長鎖模，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構，更容易實現低閾值鎖模和集成封裝。

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

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，本文對已報道的不同結構保偏雙光梳的輸出特性做了總結，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，但將其與全保偏光纖結合的鎖模方式還較為困難。

表1 已報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應用

雙梳光譜學(dual-comb spectroscopy，DCS)是一種新興的光譜測量工具，其利用具有微小重復頻率差的相干雙光梳在光電探測器上干涉產生一系列拍頻微波梳，成功將光學頻率一對一地轉換到電學組件可探測的微波頻段，如圖7(a)所示。因此待測樣品的光譜響應可以通過低速光電探測器采集拍頻得到的時域干涉信號進行傅里葉變換來重建光學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間等于重復頻率差的倒數。因此，雙光梳光譜學能夠實現對樣品光譜響應的超高分辨率、高靈敏度的快速測量，突破傳統(tǒng)光譜儀的尺寸約束和儀器響應極限。在測量系統(tǒng)中，可以使用不同的方式將待測樣品的響應編碼到梳齒上，有非對稱和對稱兩種，如圖7(b)所示。前者只讓一個光梳通過樣品傳輸，與另一個本振光梳干涉，能夠測量相位和振幅響應；后者讓兩個光梳同時通過樣品，只能測量樣品的吸收，但更適用于有振動的路徑測量。

圖7 (a)雙光梳光譜探測下轉換原理；(b)兩種不同測量方式

隨著光梳技術的發(fā)展，雙光梳光譜學也在逐漸成熟并將超越傳統(tǒng)光譜儀在實驗室和戶外的應用。目前，該技術已經在超寬譜的近紅外光譜測量、光譜激光雷達、遠程大氣等氣體監(jiān)測、亞波長空間分辨率的近場顯微成像、分子頻率的高精度計量等應用具有重要意義，進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域，覆蓋了整個從紫外到太赫茲的超寬頻率范圍，如圖8所示。

圖8 雙梳測量的頻譜范圍以及相應的雙光梳源技術

隨著光纖光梳的發(fā)展，雙光梳光譜學在近紅外波段、可見光波段以及紫外波段得到了大量的研究，在超寬帶范圍內達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生(second harmonic generation，SHG)[53]和高次諧波產生(high harmonic generation，HHG)來實現。另一方面，具有更強的光譜特征的長波段也是人們所關注的重點，包括中紅外(3～5 μm)和遠紅外波段(6～13 μm)以及太赫茲波段。中紅外和遠紅外光梳可以通過近紅外光梳源基于頻差發(fā)生器產生(difference frequency generation，DFG)[54]，或采用中/遠紅外鎖模激光器[55]、光學參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO)[56]、微諧振器以及量子級聯(lián)激光器(quantum cascade laser，QCL)[57]等來實現，而太赫茲則可通過光導天線(photoconductive antenna，PCA)[58]來實現。

理想光頻梳的梳齒具有極窄的線寬和絕對的頻率，而實際上目前實驗所采用的雙光頻梳分為三種：自由振蕩光梳、高度相關光梳和穩(wěn)頻光梳。其中，自由振蕩光梳由于信號相干疊加時間有限，分辨率和頻率精度都較低。穩(wěn)頻光梳可以同時獲得高分辨率、絕對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)，其復雜度和成本將大大提高。因此一種能夠產生高度相關雙光梳的單腔雙光梳激光器脫穎而出，由于腔內共模噪聲的被動抑制作用，無需復雜的電子控制系統(tǒng)就能夠實現大帶寬、梳齒分辨率的實時測量，并且可以通過增大相干平均時間來實現高信噪比，可顯著簡化整個光譜測量系統(tǒng)。雙梳光譜學作為一種輕便靈活的光譜測量工具，不斷地朝著小型化、高分辨率和高精度的方向發(fā)展，未來在實驗室和戶外的許多應用中將替代傳統(tǒng)的傅里葉變換紅外光譜儀的應用。

2016年，北航趙欣基于一個自由運行的雙波長激光器實現了單腔雙光梳光譜測量系統(tǒng)。激光器的鎖模中心波長分別為1 533和1 544 nm，重復頻率52.74 MHz，重頻差1 250 Hz，10 min內重頻差標準差為16 mHz，相對線寬為250 Hz，經過分別放大展寬后成功測量了乙炔(C2H2)氣體在1 528～1 543 nm范圍內的光譜響應[25]。利用具有不同重頻的雙光梳在低速光電探測器處拍頻獲得了周期性時域干涉信號，并對其分別進行傅里葉變換得到光譜響應信息，在199次相干平均后，吸收光譜的信噪比可達100，最終獲得了188 MHz(1.5 pm)的光譜分辨率，驗證了單腔雙光梳激光器的穩(wěn)定性和實用性。

同年，美國Kieu研究組采用雙向輸出的飛秒鎖模光纖激光器構建了一種單腔雙光梳光譜探測系統(tǒng)，雙向輸出脈沖的光譜覆蓋基本相同，1 s內梳齒相對線寬為1.6 kHz，對氰化氫(HCN)的吸收譜進行了測量，經15次相干平均后信噪比為50，光譜分辨率約1 GHz[59]。2017年，Hebert等進一步將上述單腔雙光梳光譜與自適應方案結合起來運用[60]，測得了1 ms內的相對線寬為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對干涉圖自身的相位和定時誤差進行校正，經過校正后的相對線寬可達28 Hz，利用該雙光梳光譜系統(tǒng)對HCN吸收譜測量時，相干平均次數可增加到700，信噪比提高到300，分辨率達822 MHz。2019年ukasz A.Sterczewski等基于偏振復用雙梳激光器實現了對低壓下受多普勒限制的HCN吸收譜的測量。在200 ms的相干平均時間內，可獲得超過1.7 THz的光譜范圍，并且在太赫茲范圍內獲得超過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波長的光譜波段，2018年，胡明列團隊基于一個雙波長摻銩鎖模光纖激光器測量了腔內光學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，鄭錚團隊又運用孤子自頻移(soliton self-frequency shift，SSFS)技術，通過改變注入到非線性光纖中的功率，在距種子雙波長摻鉺光纖激光器約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]，相干平均次數達5 135(1.96 s)，信噪比為150，殘余標準差為0.005 8。通過對比從1 552 nm種子脈沖和轉換后的1 650 nm波段的甲烷光譜吸收，發(fā)現自由運行的雙光梳摻鉺光纖激光器的光譜經過非線性轉換后，仍然具有較好的互相干性和穩(wěn)定性，可以實現高質量的雙光梳光譜探測。該實驗表明單腔雙光梳激光器可以通過進一步非線性光譜擴展獲得更大的測量范圍。

北航團隊同日本德島大學Yasui團隊合作，在2018年實現了使用單腔雙光梳光纖激光器泵浦的太赫茲時域光譜學測量[63]。進而，2020年雙方率先報道了測量吸收線寬低至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THz雙頻梳光譜學技術結合，有效地補償殘余時間抖動所引起的光譜分辨率性能劣化[64]，其系統(tǒng)與結果如圖9所示。這一兼具高光譜分辨率和低系統(tǒng)復雜度的THz頻梳光譜學技術的極致實現形式將大大降低實際使用的門檻，推進THz光譜學技術在氣體分析等應用中的實際使用。

圖9 (a)光梳模式分辨自適應采樣THz-DCS的結構；(b)使用不同采樣時鐘的平均100 000次的時間波形比較插圖: 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，基于自由運行的單腔雙光梳激光器測量系統(tǒng)，盡管在泵浦和環(huán)境影響下不可避免地存在著重復頻率等的漂移問題，但由于單腔光源的固有相關性，其在多種應用場景中的測量結果能滿足許多實際應用的需求。如何進一步提高此類光源的環(huán)境穩(wěn)定性也是可以進一步研究的科學問題。

3 總結與展望

介紹了單腔雙光梳激光器的技術原理和性能及基于不同生成機制的單腔雙光梳激光器的研究現狀，重點闡述了目前單腔雙光梳激光器在不同波段實現的光譜學應用，并總結了在發(fā)展中仍然存在的問題。目前，重點關注以下幾個方面的研究，一是進一步提高單腔型雙光梳激光腔的主要性能參數，以滿足不同應用對于精度等指標的更高要求；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測量應用；三是高可靠性單腔雙光梳激光器的實用化。相信未來單腔雙光梳技術在環(huán)境監(jiān)測、激光雷達、生物成像等諸多領域會發(fā)揮非常重要的作用。