作为一种精密光谱测量技术，双光梳光谱技术通过多外差干涉将光梳的梳齿由光频域下转换至射频域，并通过对双光梳时域信号进行傅里叶变换，在宽光谱范围内提供高分辨率的分子结构及功能信息。该技术具有高速采集、高分辨率、宽带光谱覆盖及高频率精度等优点，在光谱激光雷达、温室气体检测、燃烧诊断等领域展现出良好应用潜力。中红外波段涵盖丰富的分子振动吸收带及独特光谱特征，因此发展中红外双光梳技术对于环境监测、大气遥感等应用领域具有重要意义。目前常见的中红外双光梳光源通常由近红外双光梳分别经过氮化硅波导或周期极化铌酸锂晶体等非线性介质产生。本文提出的单腔双光梳集成中红外光源，通过双光梳共用氮化硅波导的设计，实现了高度集成的中红外双光梳系统。这一方案有效减少了系统组件数量，降低系统的复杂性和成本，为中红外双光梳光源的集成化发展趋势提供了新思路。
研究背景
当前中红外双光梳系统的发展呈现多元技术路径：基于电光调制或微谐振腔的方案虽结构简单，但受限于窄光谱带宽，难以满足宽谱测量需求；锁模激光器方案虽能实现宽带覆盖和高信噪比，却依赖庞大昂贵的伺服系统来锁定重复频率与载波包络偏移频率，实用性受限。相比之下，单腔双波长激光器通过单一光学谐振腔直接输出重复频率不同的两路脉冲序列，天然抑制脉冲间的共模噪声，无需复杂锁相系统即可维持较好相干性，兼具结构紧凑和成本优势，但其自由运转时重频差的慢变漂移仍需优化。
超连续谱技术是单腔双波长激光器产生超宽带中红外光谱的有效技术——高峰值功率泵浦光在氮化硅波导中经过自相位调制、交叉相位调制、四波混频等非线性效应与高阶色散的协同作用，出射光谱相较入射光谱产生许多新频率成分，光谱宽度远大于入射光谱，频谱范围可从可见光波段连续扩展至紫外及红外波段。氮化硅凭借宽带隙、在近红外波段无双光子吸收及紫外到红外的宽透明窗口等优良光学特性，成为高效产生中红外光源的理想非线性介质。如何解决单腔双光梳自由运转时重频差慢变漂移的问题，并简化氮化硅超连续谱模块，是实现紧凑、宽谱的单腔双光梳中红外光源的关键。
主要内容
本研究提出了一种基于单腔双波长锁模激光器的中红外双光梳光源。文中所采用的双子环路激光器的复用方式为空间复用。如图1所示，双子环路结构由共享压电陶瓷（PZT）和光分束器的公共路径，以及两个独立子环路组成，其中每个子路径均包含半导体可饱和吸收镜（SESAM1和SESAM2）。此方案避免了双向脉冲在同一SESAM处发生强非线性作用，同时通过引入可调空间光路实现了大范围可调谐重频差。
图1 基于单腔双波长锁模激光器的中红外双光梳实验装置图
针对单腔双波长激光器的重频差慢变漂移问题，研究团队提出了一种基于共同氢钟参考的双光梳重频差锁定方案。如图2所示，该方案通过精密信号处理链路实现闭环控制：Output-1和Output-2输出的激光经过30 MHz低通滤波器（LPF1&LPF2）和电放大模块后均分两路，一路在混频器Mixer1混频得到Δfr监测信号。Output-2的另一路信号与Signal generator1产生的正弦信号混频，该混频信号（50 MHz+fr2）与 Output-1的另一路信号在混频器Mixer3处混频，经低通滤波器（LPF3,100 MHz）滤波得到频率为50 MHz+Δfr的信号。Signal generator2产生频率为50 MHz+Δfr的外界标准频率信号，与LPF3滤出信号在Mixer4混频，得到最终误差信号，经AMP4放大后驱动PZT实时调节腔长，精确锁定Δfr。在频率锁定过程，采用共同氢钟作为两信号发生器的时钟源，确保了设备间的频率同步，提高锁定系统频率稳定性和精确度。
图2 采用共同氢钟参考的双光梳重频差锁定方案图
此方案仅需单套锁相环装置即可实现重频差精密锁定，锁定结果如图3（a）、（b）所示，此装置成功将双波长脉冲的重频差在2h内的最大偏移量由Hz量级降低至mHz量级，同时降低了伺服系统复杂程度，为中红外光源的产生提供了结构更简单的单腔双光梳光源。
图3 （a）双向脉冲重频时间漂移；（b）锁定前后双光梳重频差漂移比较
基于高能飞秒脉冲在氮化硅波导中的超连续谱产生机制，文中创造性地提出了集成度更高的中红外系统设计方案：单腔双波长激光器输出的两个脉冲序列，分别经过双向泵浦的掺铒光纤放大器，得到峰值功率分别为15和17 kW的高能飞秒脉冲，两路脉冲同时泵浦同一氮化硅波导，均产生覆盖重要的3.2-3.6 μm波段的宽带中红外光谱（图4（a）~（b）），实现高度集成中红外光源。
图4 （a）~（b）两路光梳经过 Si3N4 波导后的中红外光谱
结论
本文以单腔双波长光纤激光器作为光源，结合超连续谱产生技术，搭建了集成中红外双光梳光源。近红外部分，通过设计重频差锁定装置，将单腔双波长激光器的重频差最大偏移量从Hz量级精确控制至mHz量级，在简化伺服装置的同时显著提升了双光梳光源的相对频率稳定性。中红外部分，采用双向泵浦掺铒光纤放大器将两路光梳的峰值功率分别高效放大至15和17 kW，并创新性地使两路近红外光梳复用同一氮化硅波导进行非线性转换，成功输出覆盖3.2-3.6 µm大气窗口区波段的宽带中红外光谱。实验表明，该集成方案通过光路复用，大幅缩减系统组件数量，为中红外光源集成化提供了新思路，并为未来高分辨气体检测的应用提供具有高相干性、高稳定性的中红外光源。
团队介绍
闫明团队依托于华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，面向国家重大战略需求，聚焦精密光谱与成像测量等尖端领域，充分发挥上海市在光子科技与集成电路产业的集群优势，致力于中红外分子指纹光谱、超快速相干拉曼光谱成像、光纤激光器与光频梳时频域控制技术，以及干涉光场在空间测距、高空间分辨成像等方面的应用研究。团队目前已研发宽带上转换中红外时间拉伸光谱、超高速相干反斯托克斯拉曼光谱及双光梳光力学光谱等技术，并积极拓展其在痕量气体探测、超快传感与成像等领域的应用。
文章信息
陈彩欣, 李思萱, 刘婷婷, 等. 单腔双光梳集成中红外光源研究（特邀）．红外与激光工程, 2025, 54(5): 20250064. DOI: 10.3788/IRLA20250064
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250064（阅读原文）