單腔雙光梳激光器及其應用研究

侯皓嚴，鄒曉旭，馬小睿，陳嘉寧，閆明，袁帥*

（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室，上海 200062）

0 引言

光學頻率梳（Optical Frequency Comb，OFC）［1］是一系列頻率間隔相同，且相位相干的頻率梳齒。光學頻率梳成功鏈接了光學頻率與射頻頻率，并擁有極精確的梳齒間隔，在天文光譜標定［2-3］、光原子鐘［4-5］、物理常數測距［6］、頻率測量［1，7-8］等高精度計量領域具有廣泛的應用前景。2005年，美國國家標準技術研究院J.Hall教授和德國馬普量子光學所T.H?nsch教授，由于對“超精細激光光譜學，包括光學頻率梳技術”的貢獻，共同分享了當年的諾貝爾物理學獎［9］。

在科學研究和實際應用中，對于持續時間極短的脈沖信號，光電探測器難以直接識別和探測，針對此類信號的傳統檢測手段一般為相關檢測，從而實現間接測量。絕大多數情況下，相關檢測系統中需要使用機械位移元件，其在信號掃描速度方面具有局限性。近年來，雙光梳測量技術興起并被人們廣泛關注［10］。該技術采用兩套相干光頻梳，它們的頻率間隔被精確鎖定但存在微小差異，在時域上會對應產生微小頻差，工作時依靠不同脈沖之間的時間走離來完成采樣工作。雙光梳測量技術的特點是靈敏度、分辨力、采樣率均較高。雙光梳光源的主要產生方法為：①在微諧振腔中一次性產生兩組光頻梳［11］；②分別使用兩臺獨立的鎖模激光器來完成頻率的鎖定［12］；③對同一激光器進行電光調制［13］等。但這些方法存在一定缺陷：微諧振腔的器件制作工藝要求較高；兩臺獨立的鎖模激光器系統較為復雜；電光調制法產生的梳齒數量不足等。隨著科技的發展，使用同一臺鎖模激光器得出兩組鎖模脈沖串，從而實現單腔雙光梳的方法被報道［14］。由于兩組脈沖均存在于環境相同的同一諧振腔中，因此能在保持兩套光頻梳之間高相干性的前提下，有效抑制共模噪聲，且極大地降低整個系統的復雜性。

本文對光頻梳、雙光梳的基本原理與產生方法進行介紹，重點闡述基于不同復用方法的單腔雙光梳光纖激光器的工作原理和研究現狀，并對雙光梳在光譜測量、測距等領域的應用情況進行探討，最后展望單腔雙光梳技術未來的發展方向，為促進單腔雙光梳技術的進一步發展和應用提供參考。

1 光學頻率梳與雙光梳

1.1 光學頻率梳基本原理

如圖1所示，在時域上，光學頻率梳為一組超短脈沖序列，脈沖序列的時間間隔固定，脈沖強度E(t)隨時間t的變化而變化；在頻域上，光學頻率梳為一系列頻率間隔固定的頻率齒的集合，脈沖強度E(f)隨頻率f的變化而變化。光梳中等間隔的頻率齒被稱為“梳齒”，梳齒均擁有窄線寬穩頻連續激光器的頻率精度［15］。設飛秒激光脈沖的重復周期為T，其倒數frep為激光脈沖重復頻率，對應頻域上譜線的頻率間隔，即光頻梳的梳齒間距。由于相速度和群速度存在差異，故產生了包絡和脈沖載波的相位差Δφcep，使得頻域上梳齒相對于零頻移動了fceo，fceo被稱為載波包絡偏移頻率。頻域上第n根梳齒的絕對頻率f(n)=n×frep+fceo。

圖1 光頻梳的時域和頻域特性Fig.1 Characteristics of optical frequency comb in time domain and frequency domain

當激光重復頻率發生變化時，梳齒在橫軸方向上將會有拉伸（n×frep發生改變）。當偏頻發生變化時，梳齒會在橫軸方向上產生整體偏移。在鎖模飛秒激光中，當重頻和偏頻均被鎖定時，頻域上每一根譜線的頻率將會保持高度穩定，即實現了飛秒光梳。

如圖2所示，光頻梳由鎖定frep與fceo的激光振蕩器產生。振蕩器輸出的低功率光頻梳經放大器放大，通過（f-2f）干涉儀實現光頻梳拍頻探測。其中，振蕩器輸出的脈沖激光重復頻率由其腔長決定。鎖定重頻的方法為光電二極管（Photo Diode，PD）接收光脈沖，得到實際的重復頻率，然后與頻率基準比較產生拍頻信號，使用該信號控制壓電陶瓷（PZT）完成腔長的反饋過程，從而達到鎖定重頻的效果。偏移頻率的提取與鎖定可以采用（f-2f）自參考鎖定法［16］，即將光學頻率梳中第n個梳齒通過倍頻晶體進行倍頻，其頻率大小變為2×(nfrep+fceo)，但是第2n個梳齒沒有通過倍頻，其頻率為2nfrep+fceo，將第n個梳齒和第2n個梳齒拍頻，即可提取出偏移頻率fceo，之后再利用鎖相環，改變泵浦激光的功率實現偏頻的鎖定。

圖2 飛秒光梳產生系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of femtosecond optical comb generation system

重復頻率和偏移頻率均被鎖定后，光頻梳將具有極好的頻率穩定性，同時鎖模振蕩器產生的時域超短脈沖，在頻域對應寬帶光譜。上述特征使光頻梳能夠應用于高精度測量領域。在光譜精密測量領域，光頻梳作為光源，可用于氣體吸收譜測量并獲取分子指紋［1］，亦可用于物質測定［17］，有效克服了一般光譜儀存在的分辨力有限、測量速度較慢等問題。在絕對測距領域，飛秒光學頻率梳以其極高的穩定度和溯源能力，現已達到微米量級的測量誤差水平［6］。

1.2 雙光梳基本原理

如圖3（a）所示，脈沖的電場強度E(ν)隨頻率ν的變化而變化，雙光梳由兩套具有一定重復頻率差的光頻梳組成，其重復頻率分別為fr1和fr2，其中fr2=fr1+Δfr。光頻梳1的第k根梳齒的頻率為光頻梳2的第k根梳齒的頻率為kfr2+fceo2，將兩套光頻梳進行拍頻，得fRF=kΔfr+Δfceo，其中Δfceo=|fceo1-fceo2|。拍頻后將形成一個間隔距離（為Δfr）不變的射頻域頻率梳，建立起光頻和射頻間的定量聯系，如圖3（b）所示，之后再將射頻域的梳齒信息轉換到光頻域［18］，即可獲得光頻域的梳齒信息。

圖3 雙光梳的特性Fig.3 Characteristics of dual combs

利用雙光梳光譜法測量分子吸收譜時，兩組光梳分別發出探測光和參考光，探測光通過樣品池后獲取樣品的吸收譜信息。使用光電探測器采集參考光與探測光拍頻獲得的時域干涉圖樣，之后對圖像進行傅里葉變換等處理，最終得出待測樣品的光譜圖。

與單光梳相比，雙光梳因其結構簡單、測量速度更快、能夠對信號進行相干平均，使得信噪比得到一定提升，且在保證測量準確性的同時提升掃描速度，故雙光梳具有更大的技術優勢。

1.3 雙光梳產生方法

窄脈沖寬度、高重復頻率、寬光譜范圍、高穩定性的雙光梳光源是實現雙光梳光譜儀的必備條件。其中，窄脈沖寬度能夠實現更高的電場強度與更強的非線性過程，高重復頻率能夠實現更短的探測時間及更高的探測精度，寬光譜范圍意味著能夠檢測更廣泛的物質種類，高穩定性能夠有效滿足野外、星載、車載等多種潛在場景下的應用需求。目前，產生雙光梳光源的方法主要包括使用電光調制、微諧振腔、鎖模激光器等，使用鎖模激光器的方法又可細分為使用兩臺獨立的鎖模激光器和使用同一臺鎖模激光器。

1.3.1電光調制

對同一臺激光器進行電光相位調制產生少量梳齒，之后再經過放大器放大，同時使用高非線性光纖（HNLF）展寬，最終可以得到能夠被實際使用的雙光梳。2016年，德國馬普所Picqué等研究者［19］研制的摻鉺雙光梳系統輸出光譜半高全寬0.13 nm，中心波長1569 nm，展寬后的梳狀譜由1350多條獨立譜線組成，每條譜線功率0.18 mW。2017年，M.Yan等人［21］使用強度調制器和非線性光纖的組合增加梳狀線數量，產生了超過1200條的梳狀線。2020年，巴黎-薩克雷大學的L.Den‐iel等人［22］提出了由聲光調制器（Acousto-Optic Modulator，AOM）和硅馬赫-曾德爾調制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）實現的雙光梳方案。光路最終產生兩列重復頻率分別為frep1=500 MHz，frep2=（500+4）MHz的脈沖序列，電光調制器輸入信號的重復頻率fAOM=40 MHz，最終實現了帶寬24 GHz的雙光梳輸出。2021年，H.Yu等人［23］使用馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI），將MZI進行級聯，并結合數字誤差校正系統，實現了一種基于無源全光纖脈沖延遲方法的重復頻率倍增雙梳光譜，其采用自適應后處理算法，避免了使用復雜的閉環反饋電子系統。該儀器具有結構緊湊、寬帶、高能量效率和低復雜度等優點。系統利用低帶寬鎖相環將兩光梳的重復頻率鎖定在57.2002 MHz和57.2000 MHz，差頻為200 Hz，光譜中心波長1560 nm左右，半高全寬約20 nm。

電光調制雙光梳的重復頻率容易達到GHz以上，重復頻率差可達MHz量級，且無需電路穩頻系統。但是，使用電光調制的方法直接產生的雙光梳梳齒數量較少，后續還需經放大器進行放大以及非線性擴譜，增加了系統的成本和復雜度。

1.3.2微諧振腔

微腔光梳即采用微諧振腔結構實現光頻梳，由于微諧振腔體積小、便于實現多相干光源，更有利于系統集成和商業化使用，近年來得到了快速發展。此外，微腔本身的特性也為實現太赫茲光梳、中遠紅外光梳等提供了便利。

片上克爾雙光梳是利用連續激光分別泵浦兩個微諧振腔，再通過級聯四波混頻產生的。2016年，M.Suh等 人［11］使 用 兩 臺 光 纖 激 光 器 在1549.736 nm和1549.916 nm中心波長處分別泵浦二氧化硅微腔，利用聲光調制器反饋控制泵浦激光頻率，實現孤子鎖定，得到克爾微腔雙梳。該方法產生的雙光梳重復頻率為數十GHz量級，通過調整微腔長度，重頻差可達MHz量級。但是，該方法對諧振腔的品質因子要求較高，需要精密的調節系統和較高的半導體加工工藝，因此，獲得高相干克爾光頻梳的整體難度較高，且由于該方法獲得的梳齒間距較大，故光譜分辨能力受限。

近年來，在芯片上刻蝕光學微腔的方法被廣泛報道，該方法極大地提高了系統的緊湊性，有效減小了系統體積。其原理是使用泵浦光源對存在于不同芯片的光學微腔分別進行激發，獲得頻率不同的脈沖，從而實現雙光梳，包括兩種設計思路：一種是串聯型，在同一光路上布置兩個諧振腔，泵浦激光以一定順序先后通過兩諧振腔；另一種是并聯型，首先進行分束，之后再分別泵浦。

2022年，S.Ansari等研究者［24］設計了并聯型微腔光梳系統，該系統的芯片底座上布置有600 nm厚的鈮酸鋰（Lithium-Niobate，LN），首先在LN上刻蝕諧振腔，然后蓋上二氧化硅對其進行保護，之后在兩個芯片上分別進行相同的刻蝕操作。實驗中，重復頻率分別為f1=192.7 THz，f2=186.1 THz的2束連續激光被分為2組，一組直接輸入諧振腔EOC1，另一組則通過聲光移頻器（Acousto-Optical Frequency Shifter，AOFS）進行移頻后輸入諧振腔EOC2，所偏移的頻率分別為δf1=40 MHz，δf2=25 MHz。EOC1和EOC2分 別 使 用fRF1=10.4530 GHz和fRF2=10.4531 GHz作 為 泵 浦源，且要求fRF2-fRF1=0.1 MHz，得到的光梳譜線數量為162條，光譜寬度1.7 THz，對乙炔氣體進行吸收光譜測量，光譜譜線分辨力為10.453 GHz。

2018年，A.Dutt等人［25］設計了串聯型微腔光梳系統。實驗采用同一中心波長為1561.42 nm的連續激光進行泵浦，兩個級聯氮化硅微環的半徑分別為50.04 μm和49.98 μm。通過加熱器使2個微環諧振腔共振產生頻率梳，頻率梳的重復頻率分別為frep1=（451.4±0.4）GHz，frep2=（452.8±0.4）GHz，故重頻差δrep=（1.4±0.8）GHz，正好位于常用光電二極管的工作帶寬內。所得到的頻率梳頻譜帶寬為51 THz（400 nm）。2019年，中科院Z.Li等人［26］設計了一種微波雙注入片上雙梳光源，該裝置基于太赫茲量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser，QCL），兩個腔長為6 mm、脊寬為150μm的QCL梳狀晶片位于同一晶片上。研究團隊采用微波雙注入技術穩定梳狀波的頻率，經研究發現：在較低的射頻功率下串聯型微腔雙波長激光器，光梳的帶寬可從86 GHz顯著拓寬到166 GHz，線寬由自由運行時的1.14 MHz降低到微波雙注入時的490 kHz。

1.3.3兩臺獨立的鎖模激光器

將兩臺獨立且重復頻率接近的鎖模激光器進一步相位鎖定，是最直觀的構建雙光梳的手段，常規方法主要有兩種：一種是兩臺激光器獨立工作，使用電路反饋系統來完成兩套光頻梳的鎖定；另一種是直接提高單個光梳的相干性，具體方法為把兩套光頻梳同時鎖定到兩臺激光器中。

近年來，研究人員開始利用自適應方法，使用電路系統分別對不同光梳的抖動頻率進行監測，用混頻的方法將噪聲進行削減，進而完成實時的補償矯正工作，此方法可以很好地處理由梳齒快漂所引發的光譜抖動。2018年，上海理工大學L.Yang等人［27］使用自適應方法設計了雙光梳光譜檢測分析系統，在單次采樣時間為600μs，信噪比為10時，光譜分辨力達1.09 GHz，該系統存在的問題是雙光梳振蕩器在溫度變化時穩定性不高，信噪比會受到影響。2021年，X.Chen等研究者［28］設計的自適應雙光梳使用了溫度反饋和壓電陶瓷傳感器，該雙光梳的重復頻率為77.2 MHz，種子源是兩臺摻鉺光纖振蕩器。采用兩個中心波長分別為1550 nm和1564 nm的連續激光并對這兩個連續激光的振蕩器之間的拍頻信號進行補償，從而獲得四個拍頻信號，之后采用壓電陶瓷傳感器進行電壓反饋，并采用多級溫度反饋技術，得到了一個0.19 MHz的穩定拍頻信號。E.Kaya等人［29］使用CMOS微波寬帶自適應雙光梳進行液體化學檢測，該團隊使用超寬帶混頻器對兩個頻率梳進行外差處理，產生雙梳輸出，采用臺積電65 nmCMOS技術，所研制的系統可實現實時自適應相位和時間校正。

上述自適應雙光梳系統需要設計復雜的反饋控制電路，且整個系統占地面積大，造價均在百萬元左右，目前難以實現商業應用。

1.3.4單腔雙光梳激光器

參考光纖通信中的多路復用技術，通過對偏振、波長或傳輸路徑等的復用，在同一個諧振腔中產生兩組重復頻率不同的脈沖從而形成雙光梳的方法，稱為單腔雙光梳。單腔雙光梳的產生方法可歸納為方向復用、波長復用、空間復用、偏振復用、脈沖波形復用等。

由于雙光梳的兩個脈沖序列由同一臺飛秒激光器產生，兩個脈沖所經歷的環境相同，因此信噪比得到提升。且兩個脈沖之間具有極高的相干性，不需要為了保證兩脈沖間的相干性而設計復雜的系統和算法，極大地節約了成本。使用同一臺鎖定重復頻率的光纖飛秒激光器產生的雙光梳，還具有寬光譜、窄脈寬的優點。寬光譜范圍意味著能夠檢測更廣泛的物質種類，而窄脈寬則意味著更高的峰值功率，可應用于非線性研究。由于單腔雙光梳相較其他雙光梳具有不可比擬的優勢，因此近年來獲得了研究人員的廣泛關注。下面對使用單腔雙光梳法產生雙光梳的原理與研究進展進行詳細介紹。

2 單腔雙光梳光纖激光器

2.1 偏振復用

偏振復用是指利用雙折射介質快慢軸間的折射率差異，使得共存于一個腔內的兩個具有正交偏振狀態的脈沖序列之間發生重復頻率的偏移。當諧振腔中增益介質為非保偏介質（非保偏光纖）時，非保偏光纖中的弱雙折射效應使得不同偏振態的光折射率產生差異，光纖雙折射引起的群速度失配無法被各偏振態之間的非線性相互作用所補償時，光纖中將產生重復頻率不同的兩套光梳。當諧振腔中增益介質為保偏介質（保偏光纖）時，兩脈沖的偏振態是正交的，利用保偏介質的雙折射效應產生兩脈沖間的重復頻率差，從而獲得雙光梳。

2017年，美國波士頓大學的A.E.Akosman等人［31］使用內線偏振控制器擠壓單模光纖的方法產生雙光梳。如圖4（a）所示，在銩-鈥共摻光纖激光器中，基于矢量孤子產生超快激光脈沖，該脈沖由共同產生的等強度正交偏振的兩連續脈沖組成，正交偏振脈沖串經過光干涉后，形成兩個穩定的微波射頻拍梳，脈沖中心波長1975 nm，3 dB半高全寬9.8 nm，產生的雙光梳重復頻率分別為67.622100 MHz和67.622610 MHz，重復頻率差為510 Hz。實際上，一般光纖中的雙折射現象十分微小，而在保偏光纖中則更易產生雙折射。2018年，北航X.Zhao等人［32］將一段長0.38 m的保偏摻鉺光纖（Erbium-Doped Fiber，EDF）引入非保偏單模腔中，產生偏振態接近于正交的兩組異步脈沖，重頻差達百赫茲量級且可以動態調整，在凈正色散狀態和反常色散狀態下，分別可以產生對偶耗散矢量孤子和對偶矢量孤子，系統光路示意圖如圖4（b）所示。2019年，該團隊與日本德島大學T.Yasui團隊合作［33］，通過進一步探索，設計了一套自適應的偏振復用雙光梳光源，可用于太赫茲波段的異步采樣。自適應采樣方法有效地防止了單腔雙梳激光器中殘留的定時抖動對雙梳光譜性能的影響，得到的兩光梳重復頻率約48.8 MHz，重頻差190 Hz，雙梳光經摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）分離放大后，光譜展寬，脈沖時間被壓縮到約110 fs，所獲得的脈沖持續時間足以驅動寬帶太赫茲梳狀譜。同年，Y.Nakajima等研究者［34］使用全保偏非線性放大環形鏡來提升光梳穩定性，在其設計的激光器中，兩套偏振光分別在光纖的快軸和慢軸上傳輸，通過對非共路部分光程進行調整可改變重頻差。

圖4 偏振復用光纖激光器Fig.4 Polarization-multiplexed fiber lasers

此外，對于固體激光器而言，采用包括摻鐿鈣鋁氧化釓晶體（Yb∶CALGO）、摻鐿鎢酸釓鉀晶體（Yb∶KGW）、摻釹氟化鋰釔（Nd∶YLF）等在內的雙光軸晶體，也可以實現偏振復用雙重復頻率脈沖的輸出。由于固體激光器可采用更短的腔長，因此重復頻率可達GHz量級［35］，對應更小的重復頻率差。但雙波長運轉的固體激光器鎖模性能不佳，且系統結構相對復雜，限制了該方法的實際應用。

2.2 波長復用

波長復用的原理為在同一飛秒激光器諧振腔內，調節兩套脈沖序列使其中心波長產生微小差異，導致群速度色散情況不同，使得激光器中所輸出的脈沖序列存在重頻差，從而實現單腔雙光梳。

通過在腔內加入光譜濾波器件，實現波長復用?；谄窀缮嫘腖yot濾波器由于濾波深度可調、光纖兼容性良好等優點，得到了廣泛關注。2016年，北航Z.Zheng等人［28］在摻鉺鎖模光纖激光器中插入PBS和長約0.25 m的保偏光纖，形成Lyot濾波器，使用光學沉積法制備出單壁碳納米管（Single-Wall Carbon Nanotube，SWNT）鎖模激光器結構。激光器的頻譜濾波和腔內損耗調節效應形成雙波長鎖模，輸出脈沖的重復頻率為52.74 MHz，偏移頻率為1.25 kHz。經過20 ms的采樣時間，所得信號的傅里葉變換曲線的尖峰寬度為250 Hz，遠小于雙梳偏移頻率，這表明光梳的相對線寬較小，擁有較高的光譜分辨能力。Sa‐gnac濾波器也是一種正弦頻譜濾波器，其原理與Lyot濾波器相似，同樣可實現波長復用。2018年，天津大學胡明列等人［36］設計了全保偏摻鉺鎖模光纖激光器，此激光器基于Sagnac濾波器和非線性放大環形鏡（NALM）所設計，光纖環形腔中存在順時針（Clockwise，CW）振蕩激光和逆時針（Counter-Clockwise，CCW）振蕩激光。為了得到雙折射干涉濾波的效果，實驗組將環形結構的末端同保偏光纖熔接，之后，對1/4波片（Quarter-Wave Plate，QWP）進行調整，從而調節損耗，得到不一樣的雙波長鎖模。通過研究，最后在1570 nm處得到1.86 nm譜寬的雙波長鎖模，在1581 nm處得到2.49 nm譜寬的雙波長鎖模，且雙光梳光源穩定性高，90 min內重頻差波動小于0.1%。此外，也有研究人員使用凹陷濾波器實現了雙波長鎖模，重頻差可在百赫茲至千赫茲范圍內調諧［37］。

近年來，有研究人員在波長多路復用方案的基礎上，進一步提出了子波長多維復用方案。2021年，哈爾濱工業大學H.Sun等人［38］設計了一種基于子波長多維復用的集成式雙環鎖模激光器。該系統同時產生四個光譜帶寬至少為1.3 nm的光頻率梳，采用雙環光路分離結構實現子復用，采用波長相關的光譜濾波器實現波長復用，最終產生兩組雙光梳。兩組雙光梳分別從子環（subring）1和子環2處輸出，其中子環1輸出的雙光梳中心波長分別為λc1=1546.7 nm，λc2=1558.4 nm，子環2輸出的雙光梳中心波長分別為λc3=1546.3 nm，λc4=1568.0 nm。生成的梳狀結構的帶寬可達2.8 nm，比純波長多路復用方案的帶寬更寬。該實驗證明了多維復用方案的可擴展性，在此基礎上可進一步發展三維或更多維的多路復用，促進潛在的多光梳應用。

2.3 方向復用

方向復用的原理為傳播方向不同的光場，由于經過光纖及相關器件的順序有所不同，兩方向脈沖序列的重復頻率存在差異，從而實現雙光梳。

方向復用雙光梳激光器大多工作于凈負腔色散，導致光譜范圍和輸出能量受限，如何解決該問題是人們研究的熱點。2019年，日本電氣通信大學的Y.Nakajima等研究者［39］針對光譜范圍限制問題進行了研究，在該團隊設計的摻鉺光纖激光器系統中，可通過調整光程差的方式，實現雙光梳重復頻率差的大范圍改變，同時，通過色散的管理，能夠實現凈色散趨近于零，使得最終的光譜寬度在50 nm以上。針對輸出能量受限問題，2020年，美國的B.Li等研究者［40］設計了工作于全正色散區的雙向摻鐿鎖模光纖激光器，實驗使用非線性偏振旋轉技術（NPR），鎖模脈沖處于耗散孤子區，實驗輸出脈沖能量超過1 nJ，中心波長1070 nm處光譜寬度20 nm。

2021年，日本德島大學的T.Mizuno等人［41］使用方向復用型單腔雙光梳激光器作為光源，設計了一套可進行計算圖像校正的雙梳顯微鏡（Dual-Comb Microscopy，DCM），這是首次將單腔雙光梳光纖激光器（Single-Cavity Dual-Comb Fiber Laser，SCDCFL）應用于雙梳成像顯微鏡。兩組光梳的中心波長均為1550 nm，其中順時針光頻梳（CW-OFC）作為本地光梳（Local OFC），平均功率7 mW，重復頻率frep_cw=43.038493 MHz；逆時針光頻梳（CCW-OFC）作為信號光梳（Sig‐nal OFC），平均功率190 mW，重復頻率frep_ccw=43.037370 MHz，故重復頻率差Δfrep=1.123 kHz，光梳模式數達到4493000。實驗組還利用自參考圖像，補償了SCDCFL中由雙光梳之間的殘余定時抖動引起的圖像模糊，對共焦振幅和相位成像進行了計算校正，擁有較好的抑制圖像模糊的潛力。借助人工智能算法校正，上述基于方向復用雙光梳光源的雙光梳顯微系統有望進一步提升圖像質量，并應用于動態目標成像領域。

2.4 空間復用

空間復用指通過對各個諧振腔的長度進行調整，從而調節兩脈沖的重復頻率和重復頻率差，進而得到雙光梳的復用手段。

前述的各種方法中，有研究人員采用了非共路腔的空間結構得到雙光梳，這也可視作一種空間復用。2020年，清華大學K.Zhao等研究者［42］利用非線性多模干涉技術，實現了兩種不同波段下的雙色孤子光纖激光器，裝置示意圖如圖5（a）所示。兩諧振腔共用帶有“單模（SMF）-多模（MMF）-單?！惫饫w結構的可飽和吸收體，MMF長度可靈活選擇，即使稍微調整MMF的長度，雙色孤子仍然可以存在。實驗得到兩套超短脈沖的重復頻率分別為26.44276 MHz和26.97776 MHz。2020年，哈爾濱工業大學R.Yang等研究者［43］提出了使用雙子環激光器實現空間復用的方法，如圖5（b）所示，雙子環結構由一個共享的增益光纖公共路徑和兩個對稱的子路徑組成，以公共路徑作為整個雙環激光器的增益介質。公共路徑和兩個子路徑之間使用環形器連接，以保證激光在每個子路徑上單向傳播。該系統也可用于產生三光梳，從子環R-1中輸出兩束脈沖組成雙光梳，子環R-2中輸出一束脈沖。子環R-1中輸出的雙光梳重復頻率分別為47.00198 MHz和47.00436 MHz，重頻差2.38 kHz，信噪比40 dB。該系統與前述H.Sun等人［38］研究的系統結構較為相似，均使用子環生成多組光梳，這種多維空間復用的方法也為未來在同一激光腔內構造三個及以上光梳奠定了基礎［44］。

圖5 空間復用鎖模光纖激光器Fig.5 Spatial multiplexing MLFL

2.5 脈沖波形復用

脈沖波形復用的原理為：當激光腔內能量較高時，時域特性和能量不同的脈沖同時出現，不同的鎖模機制同時產生作用，進而產生雙光梳。前述的雙光梳產生方法中，不同的兩套光脈沖或在波長、或在偏振態、或在傳輸方向上存在顯著差異，而若要在同一個諧振腔內產生波長、偏振態、傳輸方向均相同的不同光脈沖，就需要利用脈沖波形復用的方法。

2016年，Y.Liu等研究者［45］實現的雙光梳鎖模激光器如圖6所示。使用光學沉積法制備SWNT鎖模激光器結構，其在1550 nm處插入損耗為1.5 dB。通過調整偏振控制器，可觀察到激光光譜干涉濾波，脈沖的帶寬由周期性光譜調制所限制，其周期由雙折射量決定。因此，當泵浦功率較低時，能量較低的脈沖帶寬較窄。當脈沖能量升高時，非線性偏振旋轉（NPR）效應將發揮作用，降低高光強脈沖的線性偏振相關損失，脈沖收縮，形成更短、頻譜更寬的脈沖，在泵浦功率升高的情況下，引入腔內的線性和非線性脈沖的成形機制導致了不尋常的輸出分岔，時域特性有一定差異的兩脈沖同時出現，進而產生雙光梳。

圖6 脈沖波形復用雙梳激光器結構示意圖Fig.6 Structure diagram of pulse-shape-multiplexed dual-comb laser

3 單腔雙光梳的應用

3.1 光譜學應用

光譜學是單腔雙光梳技術的一個重要應用方向。雙光梳光譜的使用原理由S.Schiller在2002年首次提出［46］，即利用光梳的高相干性，采用線性異步光采樣的方法，將單腔雙光梳作為光源，實現光譜的測量。由于利用了兩套相干光梳作為光源，因此被稱為雙光梳光譜（Dual-comb Spectros‐copy，DCS）。不同于傳統光譜技術，雙光梳光譜技術具有精度更高、掃描速度不受機械元件移動速度限制、更易達到高信噪比等優點。此后，各國紛紛開展了對DCS的深入研究，并研制出諸如腔增強型DCS、開放路徑型DCS、自適應型DCS等雙梳光譜裝置，具體參數如表1所示。

表1 雙梳光譜(DCS)性能指標Tab.1 Performance indexes of DCS

2016年，K.Kieu等人［47］采用方向復用法，使用飛秒鎖模光纖激光器構建了單腔雙光梳光譜測量系統，光譜分辨力約1 GHz，15次相干平均后信噪比為50。同年，北航X.Zhao團隊［48］使用波長復用法搭建鎖模激光器實現DCS，激光器輸出的兩脈沖序列重復頻率分別為frep1=52.74 MHz，frep2=1.25 kHz＋52.74 MHz，中心波長分別為1533 nm和1544 nm。使用該系統測量乙炔氣體（C2H2），光譜分辨力達188 MHz（1.5 pm），經199次相干平均，信噪比達100。2018年，天津大學胡明列團隊［17］采用雙波長法實現摻銩鎖模光纖激光器單腔雙光梳，測定在1940 nm附近的水分子吸收峰，分辨力為43.4 pm。

近年來，雙光梳光譜學在更多方面有了新的研究進展。2020年，T.Wildi等人［49］通過將雙梳光譜學（DCS）的概念與光聲檢測相結合，提出了雙梳光聲光譜學（Dual-frequency Comb Photo-Acoustic Spectroscopy，DCPAS）新技術。將該技術應用于檢測乙炔氣體，光波中心波長約1535 nm，梳齒數量約為40，重復頻率f1rep=1 GHz，f2rep=1 GHz+125 Hz，光譜分辨力達到100 kHz。2021年，華東師范大學X.Zou等人［50］報道了一種可編碼的DCS技術，編碼光譜的重復頻率為108 MHz，光譜覆蓋范圍為1520~1580 nm。與傳統雙梳譜相比，編碼雙梳譜在4個編碼頻帶下將短期信噪比提高了3.65倍，測量速度也有所提升。2022年，波蘭哥白尼大學的D.Charczun等人［51］報道了一種雙梳腔模式寬度和模式色散光譜儀，是腔內模式寬度和模式色散光譜的首次雙梳實現。使用電光調制器產生約1 GHz重復頻率的光梳，聲光調制器將梳狀結構向更高頻率方向移動約78 MHz。該偏移連同鎖定光束的172 MHz的降頻，匹配增強腔的250 MHz自由光譜范圍，最終產生25 GHz的可用帶寬，光梳重頻差可達200 kHz。

3.2 單腔雙光梳的測距應用

飛行時間測距法是飛秒光梳測距的重要方法之一，即向待測目標發射光脈沖，通過接收待測目標返回的信號，得到光脈沖在空間中的飛行時間，從而獲得距離信息［30］。雙光梳測距解決了傳統光梳不能進行任意絕對測距的問題，同時兼顧了測量范圍和測量效率。2009年，I.Coddington等研究者［57］首次將雙光梳用于測距，提出雙飛秒光梳異步光學采樣測距原理（ASOPS），即：兩個飛秒光梳，一個為本振光梳，另一個為測量光梳，測量光梳通過待測路徑后攜帶距離信息，由本振光梳對攜帶距離信息的測量光梳進行線性光學采樣，還原得出距離信息，之后再使用相位法測距，即將飛行時間測距法所得結果銜接載波干涉相位，在60 ms的時間平均下，絕對測距誤差不高于5 nm。

2013年，J.Lee等人［58］在Coddington提出的ASOPS的基礎上進一步研究，將脈沖通過偏振態分解為測量脈沖和參考脈沖，實現無死區絕對距離測量，測距長度達69.3 m，采樣時間為200 μs時的測距誤差不高于170 μm。2014年，H.Zhang等研究者［59］使用二階互相關對準脈沖，采用雙飛秒光梳異步光學采樣測距原理進行測距工作，在0.5μs的時間下測距誤差不高于100 nm。2021年，天津大學M.Hu團隊［60］利用單臺自由運行的鎖模摻鉺激光器實現了遠程非合作目標的雙梳絕對距離測量，將平均功率為400 mW的信號梳定向到距離約3.46 m處、粗糙度RMS值為1.6的固定陽極氧化鋁板上，之后采集回波，在20 Hz的更新速率下，進行2 s平均，測量誤差可至2μm以下。若使用卡爾曼濾波器，則可以在不損失更新速率的情況下，使測量誤差不高于225.7 nm。雙光梳測距方法參數比較如表2所示。

表2 雙光梳測距方法參數比較Tab.2 Comparison of indexes of distance measure‐ment with dual-comb

3.3 其他應用

在光纖傳感領域，清華大學J.Guo等人［61］將單腔雙光梳使用到了一種可以穿戴的柔性裝備上，使其實現了對彎曲、扭轉以及拉伸等基本力學動作的監測。貼合人體的傳感器可以捕捉和識別人體動作，如：關節的運動、膝蓋的彎曲、手部動作等?？梢妴吻浑p光梳在動作的動態捕捉、動態監測等方面有很好的發展前景。

在天文領域，可將雙光梳作為天文光譜儀的定標光源。與普通光梳相比，雙光梳可實現更高穩定度、更高密度的波長定標，加快對天體多普勒頻移的掃描速度，進行更大范圍、更高精度的檢測，有望對觀測宇宙膨脹速度、搜索系外行星等研究作出貢獻。

4 總結與展望

介紹了光學頻率梳和雙光梳的基本工作原理，闡述了利用電光調制、微諧振腔、相位鎖定兩臺獨立的鎖模激光器、單腔雙光梳激光器產生雙光梳的方法及特點，分析了基于偏振復用、波長復用、方向復用、空間復用、脈沖波形復用五種不同理論方法的單腔雙光梳光纖激光器的基本原理和相關研究成果，并總結了雙光梳技術在光譜測量、測距等領域中的應用情況。

單腔雙光梳激光器具有復雜度低、性價比高等優勢，但是其發展時間較短，存在著重頻差難以大范圍靈活調節的劣勢，目前難以實現市場化、大范圍的使用，因此，探索實現重頻差的更大范圍靈活可調，是未來的重點研究方向之一。

使用雙光梳進行氣體成分測定、原子光譜測量等目前已有廣泛報道，為了實現整個光譜測量分析系統的商業化應用，應盡可能地減小系統體積。使用微腔將是重要的發展方向，與普通光纖飛秒激光器相比，微腔光梳的體積更小，更易集成，可在同一系統中搭建并集成多套微腔光梳，從而實現光梳重復頻率的提高，進一步提升光梳光譜分辨性能。

未來，單腔雙光梳的應用領域將進一步擴展，例如在生物細胞研究領域，將雙光梳與光鑷技術相結合，用于捕獲細胞并獲取其拉曼光譜特征信息等。隨著單腔雙光梳激光器的發展，其實用性和穩定性將進一步提升，相信單腔雙光梳技術將在生物醫學、醫療器械、礦石鑒定、太空探索、精密測量等領域發揮重要作用。