原文出自 Photonics 期刊：

Zhang, C.; Qu, F.; Ou, P.; Sun, H.; He, S.; Fu, B. Recent Advances and Outlook in Single-Cavity Dual Comb Lasers. Photonics 2023, 10, 221.https://doi.org/10.3390/photonics10020221

原文作者简介

通讯作者

付博 副教授

北京航空航天大学

仪器科学与光电工程学院

北航博士生导师。2015 年获清华大学优秀博士学位论文，后于剑桥大学从事博士后研究。致力于超快脉冲光纤激光器及应用的研究，包括激光吸收光谱、光频梳、低维微纳米材料的超快光子学、医用激光光子学等。已在 Advanced Functional Materials (卷首封面)、Small (封底，ESI 高被引论文)、Advanced Optical Materials (内封面)、Laser & Photonics Reviews (封底) 等期刊发表论文 70 余篇，发明专利 20 余项。

第一作者

张程宏 博士研究生

北京航空航天大学

仪器科学与光电工程学院

研究方向：双光梳光谱技术及激光吸收光谱。

曲芳锐 

北京航空航天大学

仪器科学与光电工程学院

测控技术与仪器专业在读本科生。

欧沛文

北京航空航天大学

仪器科学与光电工程学院

遥感科学与技术专业在读本科生。

文章引言

光频梳在频域为均匀间隔的梳齿，在时域内为周期脉冲序列。因为具有极高的保真度，光频梳可以作为频率标尺，将光学频率与射频结合起来，高稳定性促进了高分辨率测量技术的发展，如光学原子钟精密距离测量、光探测和测距、精密光学频率测量和天文观测等。2005 年，诺贝尔物理学奖的一半授予 J. Hall 和 T. Hänsch，便是为了表彰他们在光频梳领域的突出工作。图 1 展示了光频梳的时域与频域特征。

图 1. 光频梳的性质。(a) 时域特征；(b) 频域特征。

双光梳作为一种傅里叶变换光谱仪，采用两个具有微偏移重复频率的相干频率梳进行超高分辨率、高灵敏度宽带光谱分析。双光梳的应用包括：温室气体的检测和分析、光谱光检测和测距、非线性光谱学、医学实验室科学、成像和光声检测。图 2 展示了双光梳的时域与频域特征。

图 2. 双光梳的性质。(a) 时域特征；(b) 频域特征。

目前，双光梳的实现方法包括：锁模激光器、电光调制、非线性光学微谐振腔以及单腔双光梳。其中，单腔双光梳结构简单，并且由于双光梳所经历的环境相同，共模噪声得到有效抑制，双光梳之间的高相干性得到保证。来自北京航空航天大学的医工百人博士生导师付博副教授及其团队在 Photonics 期刊上发表文章介绍了单腔双光梳的四种实现方法。

研究过程与成果

单腔双光梳激光器具有结构简单、成本低等优点。基于单腔双光梳激光器的双光梳脉冲已经应用于包括气体检测、距离测量和光纤传感等众多学科领域。本文总结梳理了四种生成单腔双光梳的复用方法，包括方向复用、波长复用、偏振复用和空间复用，并详细介绍了每种方法的进展和应用。

1、方向复用

方向复用单腔双光梳激光器利用无隔离器腔体，可以同时输出顺时针和逆时针两个方向的锁模脉冲。由于两个方向的折射率不同，重复频率也有所不同，因此实现了自由运行的双光梳系统。文章介绍了多种双向单腔双光梳激光器的构建方法，并探讨了其在分子吸收光谱测量、光纤传感等领域的应用。

2、波长复用

波长复用单腔双光梳激光器通过在反常色散腔内引入滤波器，进而调整腔参数可以实现双波长或多波长锁模。由于正弦滤波器的周期性结构，多波长锁模脉冲由于群速度不同而具有不同的重复频率，实现了双光梳输出。本文介绍了对不同类型的滤波器和饱和吸收体的优化方式，以实现基于波长复用的低成本、高输出功率的稳定双光梳激光器。该技术已经应用于分子吸收光谱和绝对距离测量等领域。另外，波长复用的双光梳激光器可以通过多维多路复用实现三光梳和四光梳系统，同时还可以使用扩展频谱技术实现带宽更广的双光梳系统。

3、偏振复用

偏振复用的单腔双光梳激光器主要利用了光纤的不对称性所引起的双折射现象。当正交偏振之间的非线性相互作用不能补偿由光纤双折射引起的群速度失配时，可以获得重复频率差略有差异的偏振复用双光梳。本文探讨了通过调整腔内参数来调节双光梳的重复频率差的方法，包括调整激光器的内部偏振控制器、引入保偏光纤、使用半导体饱和吸收镜和非线性放大环境等。基于偏振复用生成的双光梳系统可以用于分子吸收光谱和光纤传感等领域。

4、空间复用

空间复用的单腔双光梳激光器通过在激光腔中引入不同长度的光路或增益介质，实现对重复频率和重复频率差的大范围调节，从而有利于高速双光梳的产生。本文介绍了对双光梳系统的多种优化方案，包括使用单模-多模-单模光纤结构作为共享饱和吸收体、使用双棱镜调节重复频率差异、采用数据后处理和计算相位校正技术提高相关性等。这些技术在分子吸收光谱等领域得到了广泛应用。

研究总结

本文概述了单腔双光梳激光器的最新进展，并总结了其独特的优势。本文首先介绍了光学频率梳和双光梳在时间和频域的原理，接着，探讨了单腔双光梳激光器的实现技术和典型应用，包括方向多路复用、波长多路复用、偏振多路复用和空间多路复用等方面。此外，本文对单腔双光梳的发展进行展望，单腔双光梳激光器在未来仍有很大的进步空间，例如进一步重频差调谐范围、通过引入新型光学器件提高单腔双光梳的鲁棒性、采用固体激光器或多模光纤激光器结构实现高功率单腔双光梳、以及引入校准算法和对锁模的智能控制提高相干性等。

Photonics 期刊介绍

主编：Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia

期刊出版光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章，涵盖量子光学、微纳光学、光电子学、光谱学、集成光学、生物医学光子学、光子功能材料、激光器与激光光学、光纤光学与光通信、光传感、经典光学等方向。

2021 Impact Factor：2.536

2021 CiteScore：2.3

Time to First Decision：13 Days

Time to Publication：34 Days