异步采样全保偏光纤光梳系统研制

陈 飞，夏 宇，陆诗雨，郭 旭，罗 鹏，李 敏，郝 强,，曾和平

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.广东朗研科技有限公司，广东 东莞，523000；3.华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062）

引言

随着太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）与仪器的飞速发展，使其在化学、材料学、工程学、医学等领域逐步进入实用阶段[1-5]。THz-TDS 是一种非接触测量、高灵敏度的检测技术。2010 年，Harsha 等[6]搭建了基于钛宝石激光器的太赫兹时域光谱系统，该钛宝石激光器的重复频率为100 MHz，脉冲宽度为80 fs，THz 信号的信噪比为104，光谱分辨率为1 GHz。2019 年，李涛等[7]使用一台商售全光纤时域光谱仪（系统重复频率为100 MHz，动态范围为 80 dB，频谱分辨率为1.2 GHz）分别测得蔗糖在1.81 THz和2.57 THz、二苯甲酮在0.83 THz 和1.8 THz波段的吸收光谱。但是，基于单台飞秒激光器的时域光谱系统是利用机械延迟线为THz 的产生天线和探测天线提供脉冲延时，单次测量时间长，通常为数分钟时间，不能满足许多现场检测的使用需求。2002 年，Schiller[8]提出了双光梳光谱异步采样技术，采用两台重复频率略有差异的飞秒激光器，通过两束脉冲的时间间隔差值进行快速的时域取样，扫描周期与重复频率差值成反比关系，由此使激光器的外光路系统避免使用了长程机械延迟线，极大地简化了系统的结构。应用于异步采样的超短脉冲光源仅需锁定锁模振荡器的重复频率，无需锁定载波位相，在多外差光谱[9-10]、双光梳测距[11]、双光梳THz 时域光谱[12]等领域中起着重要的作用。因此，高稳定性、高精度异步采样激光光源具有极高的研究和实用价值。2004 年，Keilmann 等[13]基于异步采样钛宝石激光器系统设计了新型傅里叶变换红外光谱仪，两台激光器的脉冲宽度分别为20 fs 和12 fs，光谱分辨率约为87 MHz，扫描周期为0.1 ms，验证了异步采样傅里叶变换光谱方案的可行性。然而，钛宝石激光器体积大、成本高，还需水循环冷却，在使用周期内还需频繁维护。光纤激光器具有结构紧凑、尺寸小巧、功耗较低、便于维护等诸多优点。2014 年，Hsieh 等[14]首次将异步采样光纤激光器用于太赫兹时域光谱技术，采用两台掺铒光纤飞秒激光器（重复频率为250 MHz，脉冲宽度为50 fs，扫描周期为20 ms）获得了乙腈气体在0.3～1 THz 范围内的吸收光谱。2016年，段国腾等[15]基于两台掺铒光纤倍频激光器搭建了异步采样系统（飞秒激光器输出波长为780 nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率为100 MHz，系统扫描周期为2 ms）得到了光谱宽度为0.7 THz、光谱分辨率为0.1 GHz的标准太赫兹时域光谱。

面对科研和工业快速在线检测需求，研发稳定性高、可靠性强的采样飞秒光纤激光器是推动THz 光谱分析进入实际应用的重要前提。2004 年，Washburn 等[16]基于非保偏单模光纤搭建了非线性放大环形镜（NALM）锁模的掺铒光纤激光器，采用单压电陶瓷（PZT）锁定腔长，30 min 内重复频率标准差为0.2 mHz。2015 年，Sinclair等[17]搭建了驻波腔结构半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模掺铒全保偏光纤激光器桌面系统，将光路部分封装于18 cm×20 cm×2.5 cm 的铝制盒体内部，通过温度反馈闭环将盒内温度波动控制在0.3 ℃内，采用双PZT 锁定腔长，91 h内重复频率标准差为0.1 mHz。2015 年，Feng 等[18]搭建了环形腔结构SESAM 锁模掺铒全保偏光纤激光器桌面系统，采样双PZT 和步进电机（粗调）的方式锁定腔长，3 h 内重复频率锁定标准差为0.1 mHz。为了满足太赫兹时域光谱处于室外快速检测的应用需求。

为使太赫兹时域光谱满足室外快速检测的需求。本文搭建了基于全保偏光纤的异步采样系统，利用PZT 和步进电机作为双级反馈锁相环系统，提高了重复频率的锁定精度和锁定时长。

1 实验装置

本文研制的异步采样光纤光梳系统由异步采样掺铒光梳及太赫兹时域光谱系统组成，如图1 所示。该系统采用了两台结构完全相同的飞秒激光器Laser1、Laser2 以及THz异步采样外光路。在Laser1 光路中，LD 为中心波长976 nm的480 mW激光二极管，WDM 为980/1 550 nm波分复用器，EDF 为掺铒光纤，DPMFM 为相位延迟保偏法拉第镜，COL1 和COL2 为光纤准直器，Coupler1和Coupler2 分别表示分数比为5∶5 和4∶6 的耦合器，PD1 为光电二极管，FM 为保偏反射镜，ISO 为1 550 nm 光隔离器，PMF 为单模保偏光纤，SM 为步进电机，PZT 为压电陶瓷，Rb 为铷原子钟，DDS 为任意数字信号发生器，Mixer为混频器，LPF 为低通滤波器，PID 为比例积分微分器，HIV 为高压放大器，ADC 为模数转换器，FPGA 为现场可编程门阵列。Laser2 是一台完整的飞秒激光器（含光路、驱动电路、锁相环电路、Rb 参考源），尺寸为380 mm×286 mm×162 mm。在异步采样外光路中，COL5 和COL6 为光纤准直器，Lens 为聚焦透镜，PPLN 为周期极化铌酸锂晶体，PD3 为光电二极管，Trigger 为触发信号探测器，A/D 为数据采集卡，PC 为电脑，PCA1 为光电导天线（产生太赫兹），PCA2 为光电导天线（探测太赫兹），PM 为离轴抛物面镜。图2 为异步采样系统实物图。

图1 异步采样光纤光梳系统装置图Fig.1 Asynchronous sampling fiber optic comb system installation diagram

图2 异步采样系统实物图Fig.2 Photo of asynchronous sampling system

2 实验方法及结果

飞秒激光器Laser1 谐振腔采用NALM 锁模方式[19]，实现了锁模脉冲自启动运转。振荡器增益介质EDF 长度为90 cm，群速度色散（GVD）为216.79 fs2/cm，在1 550 nm处的模场直径约为9.5 μm，在1 530 nm 处的吸收系数约为88 dB/m。谐振腔中保偏单模光纤长度为190 cm，因此腔内净色散约为−0.021 7 ps2。Output1 端为谐振腔输出端，输出平均功率为1.27 mW。在振荡器中加入相位延迟保偏法拉第镜[20]，可使非线性放大光纤环中沿相反方向运动的光脉冲信号以π/2 的相位延迟进入COL1，增加了环内相移差，从而减少了锁模阈值。当泵浦功率为254 mW时，即可实现锁模脉冲输出。

实验采用掺铒光纤放大器，将超短脉冲平均功率提升至41.3 mW，单脉冲能量约为0.5 nJ。该光纤放大器包含40:60 光分束器（Coupler2）、1 550 nm 光隔离器（ISO）、980/1 550 nm 波分复用器（WDM）。放大器增益光纤的GVD 为356.93 fs2/cm。脉冲经放大后由4∶6 光分束器Coupler2 分成Output2 和Output3 两个端口，输出功率分别为22 mW 和14 mW。图3 为激光器输出光谱和脉宽图，其中：（a）为Laser1 的输出参数，中心波长为1 566 nm，光谱半峰全宽为40 nm，脉冲经单模光纤压缩后脉宽为85 fs[21]；（b）为Laser2 的输出参数，中心波长为1 565 nm，光谱半峰全宽为29 nm，脉冲经单模光纤压缩后脉宽约为94 fs。两台飞秒激光器Laser1、Laser2 的重复频率分别为75.357 780 MHz 和75.357 700 MHz。

图3 激光器输出光谱和脉宽图Fig.3 Output spectrum and pulse width of Lasers

为了使两台掺铒光纤锁模激光器的输出脉冲频率差Δf保持恒定，对两台光梳的重复频率fr信号进行了进一步的锁定。在图1（a）的锁相电路中，Laser1 通过PD1 将产生的光学脉冲重复频率信号转化为电学模拟信号，Rb 产生一个输出频率为10 MHz、1 s 稳定度达到2×10-11的正弦模拟信号，并将此信号通过比较器转换为数字信号，为DDS 提供参考。利用Mixer 将Laser1 产生的脉冲重复频率信号和DDS 产生的正弦模拟信号进行混频，得到误差信号。通过LPF 将误差信号中的高频信号滤除，并对低频信号通过PID 比例放大10 倍，再通过积分消除反馈闭环中的稳态误差，以改善系统的动态响应特性[22]。反馈控制分为精调和粗调两个环节，误差信号通过HIV 获得20 dB 增益，随后分为两路，其中一路用于驱动PZT 实现精确的腔长控制，另一路则通过并联电阻分压的方式，用于驱动步进电机（SM）进行粗调。考虑到驱动PZT 的电压超过50 V，故采用电阻分压（分压比例为1/50）方式获取检测信号和监测PZT 的工作状态。当监测信号超过PZT 的锁定范围时，通过FPGA 控制SM 进行粗调。实验中，PZT 的最大行程为20 μm，相应的重复频率最大调节量为400 Hz，SM 的最小步进量为30 nm，对应0.6 Hz的重复频率变化，最大行程为25.4 mm，相应的重复频率最大调节范围约为500 kHz。PZT 和SM组成的双级反馈锁相环系统加强了重复频率锁定的抗干扰能力，实现了重复频率的长期锁定。

考虑到异步采样系统可能工作于环境温差大于10 ℃的室外，因此，光纤振荡器被安置于一个密闭性良好的机械腔体内，且其四周包裹隔热棉，以此减少外界温度变化对重复频率的直接影响。图4 为光梳重复频率示意图。实验测得谐振腔内温度变化，如图4（a）所示，最大温差约为1.62 ℃，在60 h 范围内Laser1、Laser2 重复频率的自由漂移量分别为1 377 Hz 和1 482 Hz，变化趋势基本一致。Laser1 和Laser2的重复频率锁定至Rb 参考源，实现了重复频率的锁定，如图4（b）所示。在90 h 的采样周期内，Laser1 和Laser2重复频率锁定的峰峰值均小于±20 mHz，标准差约为1.5 mHz，其中峰峰值的波动原因是由于SM 在工作时产生了机械扰动。当SM 在较长时间内不进行调整时，重复频率锁定的峰峰值为±2 mHz，标准差为0.7 mHz，Laser1 在5 min内重复频率的锁定曲线如图4（c）所示。通过调节SM 位移量可实现对Laser1 和Laser2 重复频率差的精确控制。通过PZT 来控制激光器的几何腔长是常用的方法，相较于文献[16]、[17]、[18]，本文搭建的光、机、电一体的异步采样光纤光梳系统，不仅降低了环境温度对重复频率的影响，而且还有重复频率可调、锁定时间长和短期锁定精度高等优势，更适合在非控温的室外环境进行太赫兹时域光谱的探测。

在图1 的异步采样外光路中，Laser1 产生的22 mW 光脉冲信号通过Output2 端口连接至PCA1 上，用于产生太赫兹脉冲，Laser2 产生的25 mW 光脉冲信号通过Output4端口连接至PCA2 上并对太赫兹脉冲信号进行探测。Output3和Output5 两个端口输出的14 mW 和16 mW 的光脉冲分别经过COL5 和COL6 后，由Lens 聚焦到PPLN 上，通过非共线和频方式产生触发信号。此触发信号经过PD3 转换为射频信号，通过低通滤波器后输入到A/D 的触发输入器，为数据采集卡提供时钟信号。

当重复频率差Δf为80 Hz 时，初步获取了异步采样太赫兹时域光谱信号，获得的太赫兹时域图如图5 所示。获得24 个连续太赫兹脉冲的时间约为300 ms，时间放大倍数为f1/Δf=941 972.25（f1为Laser1 的重复频率）。通过扫描周期等于时间窗口和时间放大倍数乘积的关系式[23]，可得出时间窗口为318.48 ns，若使用传统的THz-TDS 方案，对应的机械延迟线距离约为47.8 m，无法应用于实际太赫兹时域谱测量。

图5 太赫兹时域图Fig.5 Terahertz time domain spectrogram

3 结论

本文搭建了异步采样掺铒光梳及太赫兹时域光谱系统，系统在90 h 测量时间内重复频率锁定的标准偏差达到1.5 mHz，5 min 内重复频率锁定的标准差达到0.7 mHz，重复频率差Δf在1 Hz～500 kHz 范围可调。相较于传统THz-TDS，本系统具有扫描速度快、结构简单、锁定时间长、抗干扰能力强等优势。由于系统为光、机、电一体化集成设计，具有长期免维护的优点，可应用于医疗、航天和安检等领域。