基于单腔光纤激光器的GHz级谐波双梳技术实现采集速率倍增

    南京大学现代工程与应用科学学院徐飞教授团队在光纤激光技术领域取得突破性进展，提出了一种基于偏振复用的单腔光纤激光器架构，通过集成多功能器件FDCM（光纤耦合双梳反射镜），成功实现了GHz量级谐波双梳的稳定输出。该方案将传统单腔光纤双梳的等效重频差（Δfrep）提升至244kHz，较现有技术提高两个数量级，为高速测量领域提供了低成本、高集成度的解决方案。
    

    光纤双梳技术因其相干性好、结构紧凑等优势，在光谱分析、精密测距等领域具有广阔应用前景。然而，传统单腔光纤双梳受限于腔长差异，重频差仅为数十Hz至数十kHz，难以满足高速动态场景的需求。相比之下，回音壁微腔虽可实现GHz级重频差，但光纤体系因增益和集成限制，突破高重频差瓶颈仍面临挑战。本研究通过引入异步谐波锁模机制，结合偏振复用技术，在单腔光纤架构内实现了高重频差双梳的稳定输出，为高速测量技术提供了新范式。

    技术方案
    研究团队设计了一种基于FabryPerot光纤腔的激光器系统，集成分布式布拉格反射镜（DBR）、掺铒光纤（EDF）和光纤耦合双梳反射镜（FDCM）。FDCM作为核心器件，兼具偏振多路复用和被动锁模功能，通过调整腔内偏振方向和半导体可饱和吸收镜（SESAM）的位置，实现了正交偏振光强的精确控制。

    工作原理：
    1.偏振分离与调控：通过双折射晶体分离正交偏振态，调节SESAM与晶体间距，动态分配光强。
    2.异步谐波锁模：激发两组锁模脉冲，利用最小公倍数原理倍增等效Δfrep。
    3.能量钳制效应：单孤子脉冲能量被有效限制，确保谐波锁模的稳定性。

    关键突破
    1.高重频与重频差：
    基频383MHz，谐波锁模后重频提升至2.3GHz。
    等效Δfrep达244kHz，较传统单腔光纤双梳提升100倍以上。
    2.相干性与稳定性：
    时域干涉图验证了双梳的高相干性。
    Δfrep稳定性优异，40分钟内标准差仅为44.42Hz，无需复杂稳频系统。
    3.灵活切换能力：
    通过优化泵浦功率、偏振控制器（PC）状态和SESAM位置，可灵活切换谐波阶次，精确调控等效Δfrep。

    应用价值
    1.高速测量领域：244kHz的采集速率适用于快速测距、实时光谱分析及化学物质成分检测，例如生物医学成像和工业在线监测。
    2.集成与成本优势：单腔结构紧凑，避免了微腔技术对高Q值的严苛要求，显著降低系统复杂度和成本。
    3.未来拓展潜力：结合激光降噪和稳频技术，可进一步优化性能，拓展至量子通信、精密传感等前沿领域。

    该研究通过偏振复用与异步谐波锁模技术的创新融合，在单腔光纤激光器中实现了GHz级谐波双梳的稳定输出，为高速测量技术提供了新的解决方案。未来，团队计划进一步探索多维度调控策略，提升双梳的频率覆盖范围和相位稳定性，推动光纤双梳技术在更多领域的实际应用。
    该成果由南京大学现代工程与应用科学学院徐飞教授团队完成，主要成员包括汪国瑞、丁梓轩等。研究得到国家自然科学基金等项目的支持。