[发明专利]一种单腔产生双光梳及多光梳的方法

说明书

本发明公开了属于光频梳技术领域的一种单腔产生双光梳及多光梳的方法。包括以下步骤：步骤1：对环形光纤激光器中产生锁模脉冲进行仿真，验证实现单腔模式复用双光梳的可行性；步骤2：选择模式差分群时延大的光纤，验证腔模式复用双光梳高重频差可调控的可行性；步骤3：利用环形激光器实现模式复用双光梳；步骤4：搭建模式复用双光梳及多光梳系统；本发明实现结构简单，具有固有的高相干性，重频差大且可灵活调节，弥补了现有方法诸如系统复杂、成本高昂、重频差较小、难以调节等不足。

技术领域

本发明涉及光频梳技术领域，尤其涉及一种单腔产生双光梳及多光梳的方法。

背景技术

双光梳光谱技术(Dual-comb spectroscopy,DCS)^[1]是一种新兴的具有超高频谱分辨率、高灵敏度及高采样率的宽带光谱测量技术。该技术通过使用两个高相干、重复频率略微不同的光频梳，可以在不需要机械扫描移动装置的情况下将光频频谱映射到射频频谱，有效地提高测量速度和精度。基于优良的时域和频域特性，双光梳光谱技术在光谱测量方面体现出传统光谱测量技术无可比拟的优势，故而在诸多应用领域，如气体吸收谱测量^[1]、温室气体排放监控^[2]、非线性光谱成像^[3,4]等方面，都有着重要的应用。随着双光梳技术的进一步成熟，其也将在更多领域发挥不可替代的作用。

目前，国际上用来产生双光梳的方法主要有以下几种：

第一种是采用两台频率梳齿锁定的锁模激光器作为双光梳光源。2008年美国国家标准技术研究院NIST的Coddington等人通过将两台独立运转的激光器光频梳的梳齿锁定至两台稳频窄线宽激光器，使两台光频梳具有良好的相干性，实现了kHz量级分辨率的分子吸收光谱探测^[5]。但是为了保证两台光频梳之间的高相干性。该方法均需要复杂的电路系统来稳定光频梳，系统成本高昂且体积过于庞大，不便于实验室外使用。

第二种是利用电光调制器产生电光双光梳(Electro-optic dual-comb)。将一台连续激光器输出的光分成两路，分别经过由射频信号控制的电光调制器后，形成两个重复频率略微不同的脉冲，之后经高非线性介质扩谱产生具有一定重频差的稳定光频梳。电光双光梳系统的重频及重频差由外加在电光调制器上的射频信号决定，因此可以很容易实现10GHz以上的重频和MHz以上的重频差，从而实现可灵活调节的快速光谱测量。另外，由于两套光频梳均由一台连续激光器产生，因此它们之间具有固有的相干性而不需要复杂的电路稳频系统。但是，由于利用电光调制器产生光频梳的梳齿数量较少，通常需要经过放大和扩谱来增加其光谱范围，增加了其系统复杂性。

第三种是利用连续激光泵浦高Q值微腔产生双光梳。微腔产生光频梳最早是由德国马普所的Kippenberg课题组报道^[6]。这种光频梳基于单体的微小谐振腔，由于其材料具有三阶非线性效应，在使用连续光泵浦时会产生级联四波混频，从而产生光频梳。虽然微腔双光梳具有诸多优点，但是其也存在一些潜在的缺点。为了保证双光梳之间的高相干性，需要调整失谐量在微腔中产生稳定的腔孤子，而该过程需要微腔具有极高的Q值，而通过半导体工艺加工出如此高Q值的微腔器件本身就是一件非常困难的事情。另外，由于产生克尔光频梳的微腔器件体积十分小，克尔光频梳的梳齿间距很大，通常高达几十至几百GHz，因此限制了其光谱测量分辨率远远低于锁模激光器。而且，在微腔中产生具有高相干性的克尔腔孤子需要精密地调节连续泵浦光的失谐量，具有较大的技术挑战。