异步采样全保偏光纤光梳系统研制

异步采样全保偏光纤光梳系统研制作者：陈飞夏宇陆诗雨郭旭罗鹏李敏郝强曾和平
来源：《光学仪器》2021年第05期
摘要：为了获得长期稳定的光梳光源，利用压电陶瓷（PZT）和步进电机双级反馈控制方案，研制了两台基于非线性放大环形镜（NALM）锁模的异步采样光纤光梳系统。

研究表明：该系统重复频率为75 MHz，5 min内重复频率的锁定峰峰值为±2 mHz，标准差为0.70 mHz，90 h内锁定峰峰值为±10 mHz，标准差为1.26 mHz;光纤光梳输出端口的脉冲平均功率为30 mW，经3 m保偏单模光纤压缩后脉冲宽度约为90 fs;激光器的重复频率差Δf在1 Hz～500 kHz范围内连续可调，当异步采样频差Δf为80 Hz时，扫描周期为12.5 ms，可探测出信噪比为6.3的太赫兹信号。

该方案避免使用传统机械延迟线，具有重复频率差精确可调、采样速度快、抗干扰能力强等优点。

关键词：异步采样;重复频率锁定;非线性放大;太赫兹
中图分类号：TN 249文献标志码：A
Development of asynchronous sampling full polarization maintaining fiber optical comb system
CHEN Fei1，XIA Yu1，LU Shiyu1，GUO Xu1，LUO Peng2，LI Min1，HAO Qiang1，2，ZENG Heping3
（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2. Guangdong Langyan Technology Co.，Ltd.，Dongguan 523000，China;3. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy，East China Normal University，Shanghai 200062，China）
Abstract：In order to obtain a long-term stable optical comb light source，two asynchronous sampling fiber optical comb systems based on nonlinear amplifying loop mirror （NALM）mode locking were developed by using piezoelectric ceramics （PZT）and a stepper motor two-stage feedback control scheme. The research shows that the system has a repetition rate of 75 MHz，thelocked peak-to-peak value of the repetition rate within 5 min is ±2 mHz，the standard deviation is 0.70 mHz，the locked peak-to-peak value within 90 h is ±10 mHz and the standard deviation is 1.26 mHz. The average power of the pulse at the comb output port is 30 mW，and the pulse width is about 90 fs after compression by 3 m polarization-maintaining single-mode fiber. The laser repetition rate difference Δf is continuously adjustable in the range of 1 Hz to 500 kHz，when asynchronous sampling. When the frequency difference Δf is 80 Hz，the scanning period is 12.5 ms，and a terahertz signal with a signal-to-noise ratio of 6.3 can be detected. This scheme avoids the use of traditional mechanical delay lines，and has the advantages of accurate and adjustable repetition rate difference，fast sampling speed，and strong anti-interference ability.
Keywords：asynchronous sampling;repetition rate locking;nonlinear amplification;terahertz
引言
隨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，3h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。

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9.5μm，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 fso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。

为了使两台掺铒光纤锁模激光器的输出脉冲频率差V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號，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。

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，3h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。

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9.5μm，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，中心波长為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 fso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。

为了使两台掺铒光纤锁模激光器的输出脉冲频率差V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。

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，3h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。

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9.5μm，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 fso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。

为了使两台掺铒光纤锁模激光器的输出脉冲频率差V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，對应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。