異步采樣全保偏光纖光梳系統(tǒng)研制

陳 飛，夏 宇，陸詩(shī)雨，郭 旭，羅 鵬，李 敏，郝 強(qiáng),，曾和平

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.廣東朗研科技有限公司，廣東 東莞，523000；3.華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

引言

隨著太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）與儀器的飛速發(fā)展，使其在化學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域逐步進(jìn)入實(shí)用階段[1-5]。THz-TDS 是一種非接觸測(cè)量、高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)。2010 年，Harsha 等[6]搭建了基于鈦寶石激光器的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，該鈦寶石激光器的重復(fù)頻率為100 MHz，脈沖寬度為80 fs，THz 信號(hào)的信噪比為104，光譜分辨率為1 GHz。2019 年，李濤等[7]使用一臺(tái)商售全光纖時(shí)域光譜儀（系統(tǒng)重復(fù)頻率為100 MHz，動(dòng)態(tài)范圍為 80 dB，頻譜分辨率為1.2 GHz）分別測(cè)得蔗糖在1.81 THz和2.57 THz、二苯甲酮在0.83 THz 和1.8 THz波段的吸收光譜。但是，基于單臺(tái)飛秒激光器的時(shí)域光譜系統(tǒng)是利用機(jī)械延遲線為T(mén)Hz 的產(chǎn)生天線和探測(cè)天線提供脈沖延時(shí)，單次測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，通常為數(shù)分鐘時(shí)間，不能滿足許多現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的使用需求。2002 年，Schiller[8]提出了雙光梳光譜異步采樣技術(shù)，采用兩臺(tái)重復(fù)頻率略有差異的飛秒激光器，通過(guò)兩束脈沖的時(shí)間間隔差值進(jìn)行快速的時(shí)域取樣，掃描周期與重復(fù)頻率差值成反比關(guān)系，由此使激光器的外光路系統(tǒng)避免使用了長(zhǎng)程機(jī)械延遲線，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用于異步采樣的超短脈沖光源僅需鎖定鎖模振蕩器的重復(fù)頻率，無(wú)需鎖定載波位相，在多外差光譜[9-10]、雙光梳測(cè)距[11]、雙光梳THz 時(shí)域光譜[12]等領(lǐng)域中起著重要的作用。因此，高穩(wěn)定性、高精度異步采樣激光光源具有極高的研究和實(shí)用價(jià)值。2004 年，Keilmann 等[13]基于異步采樣鈦寶石激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新型傅里葉變換紅外光譜儀，兩臺(tái)激光器的脈沖寬度分別為20 fs 和12 fs，光譜分辨率約為87 MHz，掃描周期為0.1 ms，驗(yàn)證了異步采樣傅里葉變換光譜方案的可行性。然而，鈦寶石激光器體積大、成本高，還需水循環(huán)冷卻，在使用周期內(nèi)還需頻繁維護(hù)。光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小巧、功耗較低、便于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。2014 年，Hsieh 等[14]首次將異步采樣光纖激光器用于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，采用兩臺(tái)摻鉺光纖飛秒激光器（重復(fù)頻率為250 MHz，脈沖寬度為50 fs，掃描周期為20 ms）獲得了乙腈氣體在0.3～1 THz 范圍內(nèi)的吸收光譜。2016年，段國(guó)騰等[15]基于兩臺(tái)摻鉺光纖倍頻激光器搭建了異步采樣系統(tǒng)（飛秒激光器輸出波長(zhǎng)為780 nm，脈沖寬度為100 fs，重復(fù)頻率為100 MHz，系統(tǒng)掃描周期為2 ms）得到了光譜寬度為0.7 THz、光譜分辨率為0.1 GHz的標(biāo)準(zhǔn)太赫茲時(shí)域光譜。

面對(duì)科研和工業(yè)快速在線檢測(cè)需求，研發(fā)穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)的采樣飛秒光纖激光器是推動(dòng)THz 光譜分析進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的重要前提。2004 年，Washburn 等[16]基于非保偏單模光纖搭建了非線性放大環(huán)形鏡（NALM）鎖模的摻鉺光纖激光器，采用單壓電陶瓷（PZT）鎖定腔長(zhǎng)，30 min 內(nèi)重復(fù)頻率標(biāo)準(zhǔn)差為0.2 mHz。2015 年，Sinclair等[17]搭建了駐波腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）鎖模摻鉺全保偏光纖激光器桌面系統(tǒng)，將光路部分封裝于18 cm×20 cm×2.5 cm 的鋁制盒體內(nèi)部，通過(guò)溫度反饋閉環(huán)將盒內(nèi)溫度波動(dòng)控制在0.3 ℃內(nèi)，采用雙PZT 鎖定腔長(zhǎng)，91 h內(nèi)重復(fù)頻率標(biāo)準(zhǔn)差為0.1 mHz。2015 年，F(xiàn)eng 等[18]搭建了環(huán)形腔結(jié)構(gòu)SESAM 鎖模摻鉺全保偏光纖激光器桌面系統(tǒng)，采樣雙PZT 和步進(jìn)電機(jī)（粗調(diào)）的方式鎖定腔長(zhǎng)，3 h 內(nèi)重復(fù)頻率鎖定標(biāo)準(zhǔn)差為0.1 mHz。為了滿足太赫茲時(shí)域光譜處于室外快速檢測(cè)的應(yīng)用需求。

為使太赫茲時(shí)域光譜滿足室外快速檢測(cè)的需求。本文搭建了基于全保偏光纖的異步采樣系統(tǒng)，利用PZT 和步進(jìn)電機(jī)作為雙級(jí)反饋鎖相環(huán)系統(tǒng)，提高了重復(fù)頻率的鎖定精度和鎖定時(shí)長(zhǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文研制的異步采樣光纖光梳系統(tǒng)由異步采樣摻鉺光梳及太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)組成，如圖1 所示。該系統(tǒng)采用了兩臺(tái)結(jié)構(gòu)完全相同的飛秒激光器Laser1、Laser2 以及THz異步采樣外光路。在Laser1 光路中，LD 為中心波長(zhǎng)976 nm的480 mW激光二極管，WDM 為980/1 550 nm波分復(fù)用器，EDF 為摻鉺光纖，DPMFM 為相位延遲保偏法拉第鏡，COL1 和COL2 為光纖準(zhǔn)直器，Coupler1和Coupler2 分別表示分?jǐn)?shù)比為5∶5 和4∶6 的耦合器，PD1 為光電二極管，F(xiàn)M 為保偏反射鏡，ISO 為1 550 nm 光隔離器，PMF 為單模保偏光纖，SM 為步進(jìn)電機(jī)，PZT 為壓電陶瓷，Rb 為銣原子鐘，DDS 為任意數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，Mixer為混頻器，LPF 為低通濾波器，PID 為比例積分微分器，HIV 為高壓放大器，ADC 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA 為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。Laser2 是一臺(tái)完整的飛秒激光器（含光路、驅(qū)動(dòng)電路、鎖相環(huán)電路、Rb 參考源），尺寸為380 mm×286 mm×162 mm。在異步采樣外光路中，COL5 和COL6 為光纖準(zhǔn)直器，Lens 為聚焦透鏡，PPLN 為周期極化鈮酸鋰晶體，PD3 為光電二極管，Trigger 為觸發(fā)信號(hào)探測(cè)器，A/D 為數(shù)據(jù)采集卡，PC 為電腦，PCA1 為光電導(dǎo)天線（產(chǎn)生太赫茲），PCA2 為光電導(dǎo)天線（探測(cè)太赫茲），PM 為離軸拋物面鏡。圖2 為異步采樣系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖1 異步采樣光纖光梳系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Asynchronous sampling fiber optic comb system installation diagram

圖2 異步采樣系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Photo of asynchronous sampling system

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

飛秒激光器Laser1 諧振腔采用NALM 鎖模方式[19]，實(shí)現(xiàn)了鎖模脈沖自啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。振蕩器增益介質(zhì)EDF 長(zhǎng)度為90 cm，群速度色散（GVD）為216.79 fs2/cm，在1 550 nm處的模場(chǎng)直徑約為9.5 μm，在1 530 nm 處的吸收系數(shù)約為88 dB/m。諧振腔中保偏單模光纖長(zhǎng)度為190 cm，因此腔內(nèi)凈色散約為?0.021 7 ps2。Output1 端為諧振腔輸出端，輸出平均功率為1.27 mW。在振蕩器中加入相位延遲保偏法拉第鏡[20]，可使非線性放大光纖環(huán)中沿相反方向運(yùn)動(dòng)的光脈沖信號(hào)以π/2 的相位延遲進(jìn)入COL1，增加了環(huán)內(nèi)相移差，從而減少了鎖模閾值。當(dāng)泵浦功率為254 mW時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出。

實(shí)驗(yàn)采用摻鉺光纖放大器，將超短脈沖平均功率提升至41.3 mW，單脈沖能量約為0.5 nJ。該光纖放大器包含40:60 光分束器（Coupler2）、1 550 nm 光隔離器（ISO）、980/1 550 nm 波分復(fù)用器（WDM）。放大器增益光纖的GVD 為356.93 fs2/cm。脈沖經(jīng)放大后由4∶6 光分束器Coupler2 分成Output2 和Output3 兩個(gè)端口，輸出功率分別為22 mW 和14 mW。圖3 為激光器輸出光譜和脈寬圖，其中：（a）為L(zhǎng)aser1 的輸出參數(shù)，中心波長(zhǎng)為1 566 nm，光譜半峰全寬為40 nm，脈沖經(jīng)單模光纖壓縮后脈寬為85 fs[21]；（b）為L(zhǎng)aser2 的輸出參數(shù)，中心波長(zhǎng)為1 565 nm，光譜半峰全寬為29 nm，脈沖經(jīng)單模光纖壓縮后脈寬約為94 fs。兩臺(tái)飛秒激光器Laser1、Laser2 的重復(fù)頻率分別為75.357 780 MHz 和75.357 700 MHz。

圖3 激光器輸出光譜和脈寬圖Fig.3 Output spectrum and pulse width of Lasers

為了使兩臺(tái)摻鉺光纖鎖模激光器的輸出脈沖頻率差Δf保持恒定，對(duì)兩臺(tái)光梳的重復(fù)頻率fr信號(hào)進(jìn)行了進(jìn)一步的鎖定。在圖1（a）的鎖相電路中，Laser1 通過(guò)PD1 將產(chǎn)生的光學(xué)脈沖重復(fù)頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電學(xué)模擬信號(hào)，Rb 產(chǎn)生一個(gè)輸出頻率為10 MHz、1 s 穩(wěn)定度達(dá)到2×10-11的正弦模擬信號(hào)，并將此信號(hào)通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為DDS 提供參考。利用Mixer 將Laser1 產(chǎn)生的脈沖重復(fù)頻率信號(hào)和DDS 產(chǎn)生的正弦模擬信號(hào)進(jìn)行混頻，得到誤差信號(hào)。通過(guò)LPF 將誤差信號(hào)中的高頻信號(hào)濾除，并對(duì)低頻信號(hào)通過(guò)PID 比例放大10 倍，再通過(guò)積分消除反饋閉環(huán)中的穩(wěn)態(tài)誤差，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[22]。反饋控制分為精調(diào)和粗調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)，誤差信號(hào)通過(guò)HIV 獲得20 dB 增益，隨后分為兩路，其中一路用于驅(qū)動(dòng)PZT 實(shí)現(xiàn)精確的腔長(zhǎng)控制，另一路則通過(guò)并聯(lián)電阻分壓的方式，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)（SM）進(jìn)行粗調(diào)。考慮到驅(qū)動(dòng)PZT 的電壓超過(guò)50 V，故采用電阻分壓（分壓比例為1/50）方式獲取檢測(cè)信號(hào)和監(jiān)測(cè)PZT 的工作狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)PZT 的鎖定范圍時(shí)，通過(guò)FPGA 控制SM 進(jìn)行粗調(diào)。實(shí)驗(yàn)中，PZT 的最大行程為20 μm，相應(yīng)的重復(fù)頻率最大調(diào)節(jié)量為400 Hz，SM 的最小步進(jìn)量為30 nm，對(duì)應(yīng)0.6 Hz的重復(fù)頻率變化，最大行程為25.4 mm，相應(yīng)的重復(fù)頻率最大調(diào)節(jié)范圍約為500 kHz。PZT 和SM組成的雙級(jí)反饋鎖相環(huán)系統(tǒng)加強(qiáng)了重復(fù)頻率鎖定的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率的長(zhǎng)期鎖定。

考慮到異步采樣系統(tǒng)可能工作于環(huán)境溫差大于10 ℃的室外，因此，光纖振蕩器被安置于一個(gè)密閉性良好的機(jī)械腔體內(nèi)，且其四周包裹隔熱棉，以此減少外界溫度變化對(duì)重復(fù)頻率的直接影響。圖4 為光梳重復(fù)頻率示意圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)得諧振腔內(nèi)溫度變化，如圖4（a）所示，最大溫差約為1.62 ℃，在60 h 范圍內(nèi)Laser1、Laser2 重復(fù)頻率的自由漂移量分別為1 377 Hz 和1 482 Hz，變化趨勢(shì)基本一致。Laser1 和Laser2的重復(fù)頻率鎖定至Rb 參考源，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率的鎖定，如圖4（b）所示。在90 h 的采樣周期內(nèi)，Laser1 和Laser2重復(fù)頻率鎖定的峰峰值均小于±20 mHz，標(biāo)準(zhǔn)差約為1.5 mHz，其中峰峰值的波動(dòng)原因是由于SM 在工作時(shí)產(chǎn)生了機(jī)械擾動(dòng)。當(dāng)SM 在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行調(diào)整時(shí)，重復(fù)頻率鎖定的峰峰值為±2 mHz，標(biāo)準(zhǔn)差為0.7 mHz，Laser1 在5 min內(nèi)重復(fù)頻率的鎖定曲線如圖4（c）所示。通過(guò)調(diào)節(jié)SM 位移量可實(shí)現(xiàn)對(duì)Laser1 和Laser2 重復(fù)頻率差的精確控制。通過(guò)PZT 來(lái)控制激光器的幾何腔長(zhǎng)是常用的方法，相較于文獻(xiàn)[16]、[17]、[18]，本文搭建的光、機(jī)、電一體的異步采樣光纖光梳系統(tǒng)，不僅降低了環(huán)境溫度對(duì)重復(fù)頻率的影響，而且還有重復(fù)頻率可調(diào)、鎖定時(shí)間長(zhǎng)和短期鎖定精度高等優(yōu)勢(shì)，更適合在非控溫的室外環(huán)境進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜的探測(cè)。

在圖1 的異步采樣外光路中，Laser1 產(chǎn)生的22 mW 光脈沖信號(hào)通過(guò)Output2 端口連接至PCA1 上，用于產(chǎn)生太赫茲脈沖，Laser2 產(chǎn)生的25 mW 光脈沖信號(hào)通過(guò)Output4端口連接至PCA2 上并對(duì)太赫茲脈沖信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。Output3和Output5 兩個(gè)端口輸出的14 mW 和16 mW 的光脈沖分別經(jīng)過(guò)COL5 和COL6 后，由Lens 聚焦到PPLN 上，通過(guò)非共線和頻方式產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。此觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)PD3 轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后輸入到A/D 的觸發(fā)輸入器，為數(shù)據(jù)采集卡提供時(shí)鐘信號(hào)。

當(dāng)重復(fù)頻率差Δf為80 Hz 時(shí)，初步獲取了異步采樣太赫茲時(shí)域光譜信號(hào)，獲得的太赫茲時(shí)域圖如圖5 所示。獲得24 個(gè)連續(xù)太赫茲脈沖的時(shí)間約為300 ms，時(shí)間放大倍數(shù)為f1/Δf=941 972.25（f1為L(zhǎng)aser1 的重復(fù)頻率）。通過(guò)掃描周期等于時(shí)間窗口和時(shí)間放大倍數(shù)乘積的關(guān)系式[23]，可得出時(shí)間窗口為318.48 ns，若使用傳統(tǒng)的THz-TDS 方案，對(duì)應(yīng)的機(jī)械延遲線距離約為47.8 m，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際太赫茲時(shí)域譜測(cè)量。

圖5 太赫茲時(shí)域圖Fig.5 Terahertz time domain spectrogram

3 結(jié)論

本文搭建了異步采樣摻鉺光梳及太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，系統(tǒng)在90 h 測(cè)量時(shí)間內(nèi)重復(fù)頻率鎖定的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到1.5 mHz，5 min 內(nèi)重復(fù)頻率鎖定的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.7 mHz，重復(fù)頻率差Δf在1 Hz～500 kHz 范圍可調(diào)。相較于傳統(tǒng)THz-TDS，本系統(tǒng)具有掃描速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鎖定時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。由于系統(tǒng)為光、機(jī)、電一體化集成設(shè)計(jì)，具有長(zhǎng)期免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于醫(yī)療、航天和安檢等領(lǐng)域。