基于單腔雙波長激光器的中紅外雙光梳系統(tǒng)介紹

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(biāo)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(xué)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(gè)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(gè)波長同時(shí)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(tái)鎖模激光器。由于兩個(gè)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(duì)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(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)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(bào)道，近期，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和精密光學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《光子學(xué)報(bào)》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(xué)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(tái)鎖模激光器，結(jié)合非線性差頻技術(shù)，發(fā)展了集成實(shí)用化的中紅外雙光梳系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)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(jí)級(jí)聯(lián)光放大器、光學(xué)差頻模塊及長光程氣體吸收探測模塊，整體實(shí)驗(yàn)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(gè)非線性環(huán)和一個(gè)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(dāng)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(jìn)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(shí)，為增大非對(duì)稱性，環(huán)內(nèi)順時(shí)針傳輸?shù)拿}沖先經(jīng)過4.4 m的負(fù)色散單模光纖，再進(jìn)入YSF1中進(jìn)行功率放大；而逆時(shí)針傳輸?shù)拿}沖則先經(jīng)過0.9 m的負(fù)色散單模光纖，再進(jìn)入YSF1中進(jìn)行放大，非對(duì)稱放置的增益光纖能為兩束光引入非線性相移。

對(duì)于NALM鎖模的“9”字型腔來說，當(dāng)總相移量達(dá)到π的奇數(shù)倍時(shí)，腔內(nèi)損耗最小，激光器可實(shí)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(duì)、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(jí)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(duì)可采用角度偏差膠合的方式，空間距離可縮短至<1 cm。光學(xué)差頻模塊則采用空間結(jié)構(gòu)，出于對(duì)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(jí)聯(lián)光纖放大器、光學(xué)差頻模塊可集成在3U 機(jī)箱內(nèi)。對(duì)比于其他集成化雙光梳系統(tǒng)，2014年，NIST實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用車載雙光梳系統(tǒng)在km級(jí)開放光程中實(shí)現(xiàn)了遙感，但其系統(tǒng)依賴于兩套獨(dú)立光學(xué)頻率梳源及配套鎖相環(huán)實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置中的雙波長激光器可通過泵浦功率調(diào)諧實(shí)現(xiàn)單波長鎖模與雙波長鎖模的切換。當(dāng)泵浦功率增加到~150 mW時(shí)，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(shí)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(jī)性，旋轉(zhuǎn)四分之一波片的角度，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波長的切換。Lyot濾波器的多峰透射特性允許多個(gè)波長在諧振腔內(nèi)同時(shí)起振，為雙波長甚至多波長鎖模提供了必要條件。

當(dāng)泵浦功率增加到~180 mW時(shí)，腔內(nèi)能量足以支持兩個(gè)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(gè)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(hào)。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(huì)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(hào)驗(yàn)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(yàn)證底層雙光梳光源脈沖間的相對(duì)穩(wěn)定性，對(duì)雙波長脈沖的重復(fù)頻率及其差值進(jìn)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(jìn)行分光，并由兩個(gè)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(lán)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(shí)間內(nèi)，由環(huán)境擾動(dòng)引起的脈沖重復(fù)頻率偏移量約為60 Hz，且兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)量級(jí)，說明實(shí)驗(yàn)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(shí)間范圍內(nèi)保持良好的脈沖相對(duì)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(yàn)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(shí)域拍頻信號(hào)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(hào)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(shí)域與頻域分析功能。將示波器采樣時(shí)間設(shè)為5 ms，采樣頻率設(shè)為1 GHz時(shí)，示波器可在時(shí)域上探測到脈沖干涉信號(hào)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(duì)應(yīng)。圖4（a）中插圖為0時(shí)刻附近展開的單個(gè)時(shí)域干涉包絡(luò)，藍(lán)色為單次采樣值，紅色為200次平均值，將單次采樣值進(jìn)行傅里葉變換（FFT）后，即可得到脈沖干涉的頻域包絡(luò)信號(hào)。圖4（b）比較了單次采集的頻域干涉信號(hào)包絡(luò)（黑）與FFT變換后的射頻信號(hào)（紅），兩者跡線趨于一致。圖4（c）為圖4（b）中~11.6 MHz附近藍(lán)框內(nèi)展開后獲得的拍頻梳齒信號(hào)，梳齒間隔等于1.18 kHz的重復(fù)頻率差，梳齒信號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)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(shí)驗(yàn)中采用兩級(jí)前向預(yù)放大與一級(jí)主放大級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將種子光脈沖功率逐級(jí)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(qiáng)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(jìn)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(dāng)主放泵浦光功率增加至3.5 W時(shí)，級(jí)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(shí)，由于光纖對(duì)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(duì)比于圖2（a）可以看出，1034 nm與1039 nm的光譜均被展寬，兩個(gè)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(shí)驗(yàn)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(kuò)展。將放大后的激光通過準(zhǔn)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(jìn)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(shí)，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(gè)吸收峰的同時(shí)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(duì)光的吸收強(qiáng)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(gè)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(duì)于雙波長脈沖來說，其光譜重疊部分相干性較強(qiáng)。對(duì)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(qiáng)，而邊帶部分相干性則較弱。中紅外激光的邊帶部分會(huì)引入噪聲，增加拍頻包絡(luò)探測的基底，降低梳齒信號(hào)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(shí)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(hào)，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(hào)。與圖4（c）比較，可看出梳齒信號(hào)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(biāo)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(shí)用性不強(qiáng)等難題。針對(duì)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(tái)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(jí)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(jí)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(zhǔn)相位匹配調(diào)制，產(chǎn)生中紅外激光的功率可達(dá)3.5 mW。為驗(yàn)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(hào)。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(hào)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