全保偏飛秒光纖激光器異步鎖定技術研究

摘要：基于全保偏摻鉺光纖激光器、鎖相環系統和太赫茲測距光路搭建了一套太赫茲雙光梳測距系統。所采用的全保偏摻鉺光纖激光器重復頻率為79.261 MHz。利用壓電陶瓷（piezoelectric ceramics， PZT）和步進電機（stepper motor， SM）雙級反饋控制的方案，實現了重復頻率鎖定和重復頻率1.54 MHz可調。使用頻率計數器對雙光梳重復頻率鎖定效果進行監測，重復頻率鎖定的峰峰值抖動為±1.5 mHz，抖動標準差為0.4 mHz。將雙光梳重頻差設置在10 Hz，10 min內重復頻率差最大抖動為3 mHz，標準差為0.6 mHz。進一步將異步采樣雙光梳系統應用于太赫茲測距，測量移動距離的誤差為3 μm。該系統具有鎖定精度高，穩定性強等優勢，有望應用于生物無損檢測和工業精密加工中。

關鍵詞：雙光梳；摻鉺光纖激光器；鎖相環；重復頻率鎖定

中圖分類號：TN 249 " "文獻標志碼：A

Study on asynchronous locking technology of femtosecond fiber

laser with full deflection maintaining

TANG Cheng，HAO Qiang，LIU Zheng

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and

Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In this paper， a terahertz dual-comb ranging system is constructed based on a fully bias-maintaining erbium-doped fiber laser， phase-locked loop system and terahertz ranging optical path.In the experiment， the full bias-maintaining erbium-doped fiber laser had a repetition frequency of79.261 MHz， and the repetition frequency was locked and the frequency was adjustable at 1.54 MHzby piezoelectric ceramic （PZT） and stepper motor （SM） dual-stage feedback control scheme. Thepeak-peak jitter and standard deviation of jitter were ±1.5 mHz and 0.4 mHz respectively. Therepetition frequency difference of the dual-comb was set at 10 Hz， and the maximum jitter andstandard deviation of repetition frequency difference within 10 min were calculated to be 3 mHzand 0.6 mHz. Furthermore， the asynchronous sampling dual-comb system was applied to theterahertz ranging， and the error of measuring the moving distance was 3 μm. The system has the advantages of high locking precision and strong stability， and is expected to be used in biologicalnondestructive testing and industrial precision machining.

Keywords：

dual-comb； erbium-doped fiber laser； phase-locked loop； repetition frequencylocking

引 言

絕對距離測量在衛星編隊飛行校正、航空裝備檢測和微機電系統測量等領域有著重要應用，雙光梳測距技術在其中發揮著極大作用^[1]。太赫茲波段擁有可見和近紅外光學波段不具備的強穿透性，未來將在精密測量領域發揮重要作用。

異步采樣基于飛秒光梳，它是雙光梳測距系統的重要組成單元^"[2]。在時域上，飛秒光梳表現為時間間隔相等的脈沖串；在頻域上，其表現為一系列的頻率間隔相等的梳齒的合集。光學頻率梳的發展雖然僅有20年左右，但作為一項突破性技術，其推動了精密測量科學和先進測距技術的改革，在光學原子鐘^[3]、精密光譜測量^[4]、三維檢測^[5]等方面得到了不斷的發展。尤其因為其特殊的時頻特性，它在絕對距離測量^[6]和相位噪聲探測^[7]領域有著重要的應用。2009年， Coddington等^[8]從激光雷達中得到啟發，率先提出雙光梳超外差測距原理。該方案選取2臺重復頻率差很小的飛秒光梳作為測距系統的探測端和發射端。在測量過程中，探測端光梳和發射端光梳重復頻率鎖定的精度和穩定性決定了異步采樣的數據密度，進一步影響著測距的精度，因此保證優異的重復頻率鎖定效果是十分重要的。

實現激光器重復頻率鎖定的方法主要有如下幾種：一是調節激光器諧振腔的幾何腔長。一般在腔內加入壓電陶瓷（piezoelectric ceramics， PZT），根據壓電陶瓷的伸縮帶動光纖長度的改變來形成鎖定。二是通過控制光纖激光器的折射率。2015年，Shen等^[9]在非線性偏振旋轉鎖模激光器內放置一個電控偏振控制器，采用可控應力擠壓的方式控制光纖折射率變化以實現重復頻率鎖定，鎖定后重復頻率的標準差為1.4 mHz，峰峰值抖動為7.5 mHz。其采用的非保偏結構容易受到室溫變化的影響，從而使鎖模和鎖定的穩定性降低。2017年，王少峰等^[10]基于可飽和吸收鏡鎖模原理搭建了摻鉺光纖光梳，將光纖粘在PZT上，通過PZT的伸縮來帶動光纖的移動從而實現重頻鎖定，鎖定后重頻的峰峰值抖動為3 mHz。但其腔內采用的可飽和吸收體^[11]（semiconductor saturable absorber mirror， SESAM）可靠性較差，隨著使用時間的增加，其內部會慢慢受到損傷。2018年，楊松等^[12]在共振增強式非線性折射率調制技術上進行了改進，在激光器內加入能提供線性相移的非互易性元件，優化了腔內鎖模泵浦功率，控制了光纖非線性折射率的泵浦功率。鎖定后其重復頻率最大抖動范圍小于0.4 mHz，標準偏差為0.1 mHz。2021年，魏明明等^[13]采用反饋調節電光調制晶體及壓電陶瓷共同驅動的方法，完成了對摻鉺光纖飛秒光梳的重頻鎖定，實現了37 h的重頻鎖定。鎖定后峰峰值抖動僅為0.8 mHz，其鎖定精度較高，但腔內空間光路較多，不利于集成應用。

本文基于全保偏摻鉺光纖激光器、鎖相環系統^[14]和太赫茲測距光路搭建了太赫茲雙光梳測距系統。其中，2個摻鉺光纖激光器采用非線性放大環形鏡（nonlinear amplifying loop mirror， NALM）進行鎖模，重復頻率均為79.261 MHz，平均功率分別為25 mW和22 mW，脈沖寬度分別為98 fs和94 fs。采用PZT實現了600 Hz的重復頻率鎖定范圍，重復頻率波動的峰峰值為±1.5 mHz，標準差為0.4 mHz。基于異步采樣飛秒激光器搭建了太赫茲雙光梳測距光路，在重復頻率差固定為10 Hz時，基于飛行時間測量法得到了物體實際移動距離和測量移動距離的誤差僅為3 μm。

1" 實驗裝置

搭建的太赫茲雙光梳測距系統如圖1所示，包括摻鉺光纖激光器^[15]、鎖相環控制系統和太赫茲雙光梳測距光路3個部分。摻鉺光纖激光器如圖1（a）和1（b）所示。在Laser1 的光路中，LD1和LD2為中心波長是974 nm的光電二極管（laser diodes， LD），最大輸出功率為480 mW；WDM1和WDM2為980/1550 nm波分復用器（wavelength division multiplexing， WDM）；EDF1和EDF2為長度分別是0.9 m和3.0 m的單模保偏摻鉺光纖；PS為非互易性相移器（phaser shifter， PS）；COL-1和COL-2為焦距是10 cm的光纖準直器（collimator， COL）；HWP為1550 nm的半波片（half wave plate， HWP），用于準確調節腔內脈沖的偏振態；SM1和SM2為步進電機；PZT1和PZT2為壓電陶瓷；Coupler1和Coupler2為光纖耦合器，分光比分別為4∶6和3∶7；FM為保偏全反射鏡；ISO1和ISO2為1 550 nm的光纖隔離器；PD1，PD2和PD3均為光電探測器，用于將光信號轉換為電信號。如圖1（b）所示，Laser2與Laser1的光路結構完全相同。重復頻率鎖定系統主要由鎖相環構成，如圖1（c）所示：Rb為銣原子鐘，可以輸出頻率為10 MHz，1 s穩定度為2×10^?11的正弦模擬信號；Splitter為功分器；DDS1和DDS2為任意數字信號發生器（direct digital synthesis， DDS）；LPF1和LPF2為低通濾波器（low-pass filter， LPF）；BPF1至BPF4為帶通濾波器（band-pass filter， BPF），其中心頻率為80 MHz，?1 dB帶寬為 20 MHz，低通濾波器截止頻率為30 kHz；Mixer1和Mixer2為混頻器；Amp1和Amp2為信號放大器（amplifier， AMP）；HIV1和HIV2為驅動PZT的高壓放大器。FPGA1和FPGA2是現場可編程門陣列，用于實現激光器和鎖相環的自動工作。太赫茲雙光梳測距光路如圖1（d）所示：Lens為聚焦透鏡；PPLN是周期極化鈮酸鋰晶體（periodically poled lithium niobate， PPLN）；PCA1，PCA2分別為太赫茲天線的發射端和探測端，太赫茲天線的輸入功率須低于30 mW；GM1，GM2和GM3為全反射金鏡；BS為分束鏡；AMP為信號放大器；A/D為數據采集卡；PC為電腦；Output1～4為激光輸出端口。

2"實驗方法與結果

全保偏摻鉺光纖激光器的諧振腔采用的是NALM鎖模^[16]，能形成穩定的鎖模脈沖輸出。當LD1輸出功率為380 mW時，諧振腔內可實現鎖模脈沖自啟動，脈沖序列表現為多脈沖；將泵浦光功率降至115 mW時，脈沖序列表現為單脈沖。從FM的輸出端口測得平均功率為1.4 mW。腔內輸出的種子光經過光纖隔離器進入放大器。當LD2的輸出功率為350 mW時，放大器的輸出功率為35 mW，并由光纖耦合器（Coupler2）分成兩路脈沖輸出，平均功率分別為25 mW（Output1）和10 mW（Output2）。Laser2的輸出端口為Output3和Output4，平均功率分別為22 mW和9 mW。Output1和Output3的24 h輸出功率穩定性如圖2（d）所示，平均功率抖動率僅為0.2%。全保偏摻鉺光纖激光器輸出的光譜及自相關曲線如圖2所示。圖2（a）為激光器Laser1的光譜及自相關曲線，其中心波長為1 565 nm，光譜譜寬為42 nm，輸出脈沖經過1 550 nm的保偏單模光纖壓縮后，脈沖寬度為98 fs。圖2（b）為Laser2的光譜及自相關曲線，其中心波長為1 562 nm，光譜譜寬為45 nm，使用1 550 nm保偏單模光纖壓縮后，可得到脈沖寬度為94 fs的脈沖輸出。激光器樣機實物圖見圖2（c）。

PZT驅動電壓范圍為0～150 V，最大行程量為20 μm，計算可知重復頻率最大調節范圍約為1.12 kHz。由于諧振腔內的光纖暴露在環境中，環境溫度的變化勢必導致光纖折射率的變化。實驗發現，環境溫度每上升1 ℃，光纖折射率提高0.000015，重復頻率下降800 Hz。假設溫度上升2 ℃，重復頻率則下降約1.6 kHz，因此僅依靠PZT無法實現對重復頻率的長時間鎖定。所以需要在諧振腔內加入步進電機（stepper motor， SM），通過SM的移動來補償PZT伸縮量的不足。該SM的最大行程量為25 mm，最小步進量為30 nm，在80 MHz重復頻率附近時，對應重復頻率變化量約為1.54 MHz，最小重復頻率步進為1.8 Hz。該步進電機對重復頻率的調節量足以補償普通室外早晚的溫度變化。

重復頻率的鎖定系統主要由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器3部分構成。搭建的鎖相環系統見圖1（c）。光纖耦合器（Coupler）輸出端口的光學脈沖重復頻率信號通過光電探測器（PD1，PD2）轉換為電學模擬信號。光電探測器輸出的電學信號進入帶通濾波（（BPF3、BPF4），信號由方波輸入轉換為正弦波輸出。銣原子鐘提供的正弦信號通過比較器轉換為數字信號，為DDS1和DDS2提供參考信號。通過FPGA1和PFGA2分別對DDS1和DDS2進行控制，輸出頻率為76.261 MHz的正弦模擬信號。經BPF1和BPF2濾波后將信號輸入放大器（AMP1、AMP2）中，再利用混頻器（Mixer1、Mixer2）將脈沖重復頻率信號和銣原子鐘產生的正弦信號進行混頻，得到誤差信號。使用無源低通濾波器（LPF1、LPF2）將誤差信號里的高頻信號濾除。誤差信號輸入高壓放大器（HIV1、HIV2）獲得20 dB的信號增益，經過高壓放大器形成兩路輸出。一路用于驅動諧振腔內壓電陶瓷（PZT1、PZT2）；另一路連接到FPGA作為PZT工作狀態的監測。電機控制電路板，通過接收FPGA發出的控制信號來驅動SM。

實驗中，PZT是控制重復頻率鎖定的重要器件，它的性能影響著整個鎖重頻系統的響應特性和鎖定效果。通過優化鎖相環電路，PZT的鎖定范圍設定在 600 Hz。將鎖模振蕩器的光纖盤繞于封閉的鋁制金屬盒體內，盒底放置溫控模塊（thermoelectric cooling， TEC）來控制諧振腔溫度。4 min的內諧振腔重復頻率隨腔內溫度變化曲線如圖3所示，可看出前2 min溫度波動較大時，重復頻率隨之顯著波動。當溫度穩定在26.5 ℃，TEC將腔內溫度的波動控制在0.3 ℃以內時，外界溫度變化對重頻漂移造成的影響顯著降低，重復頻率鎖定效果得到提高。

將雙光梳的重復頻率分別設定在79.26100 MHz和79.26101 MHz，均進行了36 h的頻率鎖定測試，重頻鎖定峰峰值為±1.5 mHz，標準差為0.4 mHz，如圖4（a）所示。當雙光梳系統剛開機時，頻率有偶爾跳動的現象，跳動范圍為±4 mHz，如圖4（a）中畫圈部分所示。原因在于系統開機時，半導體泵浦源、驅動電路開始產生一定的熱量，熱量傳導至腔內，導致腔內溫度上升，重頻漂移量超過PZT的補償范圍，此時SM移動補償重頻漂移。當系統運行2 h后達到熱平衡，諧振腔內溫度保持穩定，SM的靜默時間超過6 h，此期間重復頻率鎖定精度較好。圖4（b）所示為截取圖4（a）黑色虛線框內10 min的重復頻率差的變化，最大抖動為3 mHz，標準差為0.6 mHz。

進一步采用飛行時間法開展了太赫茲脈沖測距技術研究^[17]。用2臺重復頻率鎖定的摻鉺光纖激光器作為光源，其中Laser1作為發射光，重頻為f_r1；Laser2作為探測光，重頻為f_r2。f_r2=f_r1+Δf_r，Δf_r為2臺摻鉺光纖激光器的重復頻率差值。圖1（d）為太赫茲雙光梳測距光路，把Laser2的輸出光接入太赫茲天線（PCA1）產生太赫茲信號。該信號經過太赫茲分束鏡（BS）后分為參考信號和目標測量信號。它們在經過參考反射鏡（GM1）和放在步進電機上的測量反射鏡（GM2）反射后形成2束具有一定時間延遲的脈沖信號。延遲時間由參考臂和測量臂的臂長差來決定。脈沖信號在太赫茲分束鏡（BS）處相遇產生干涉，最后聚焦輸入太赫茲探測天線（PCA2）。太赫茲信號再經跨阻放大器（AMP）放大后輸入數據采集卡（A/D）。聚焦透鏡Lens則將Output2和Output4的脈沖光會聚到PPLN上，通過非共線和頻的方式產生觸發信號，接著經過PD3轉換成射頻信號，最后輸入到A/D作為數據采集卡的時鐘信號。在測量過程中，每隔1/Δf_r的測量周期內分別得到1個參考干涉信號（I_r）和1個測量干涉信號（I_m），被測距離D可表示為

式中：c為光脈沖群速度；"n_g為空氣群折射率；Δt為參考信號和目標測量信號之間的時間延遲。在雙光梳重復頻率差Δf為10 Hz時，反射鏡（GM2）放置在電機上移動。移動1次可產生2個太赫茲信號，根據數據采集卡收集到的數據得到2個太赫茲信號的時間間隔Δt為3.7 ps，測量移動距離D為0.597 mm，與實際移動距離（0.6 mm）的誤差為?3 μm，測距結果如圖5所示，該系統適用于太赫茲器件面型檢測的應用^[18]。

3"結 論

綜上所述，基于重復頻率鎖定技術和摻鉺光纖激光器搭建了異步采樣雙光梳系統。通過優化鎖相環系統，PZT的鎖定范圍達到600 Hz，重復頻率峰峰值抖動為±1.5 mHz，抖動標準差為0.4 mHz。通過進一步控制鎖模脈沖振蕩器的環境溫度，顯著減少SM的補償次數，在36 h的測量時間內系統穩定運行。將該異步采樣雙光梳系統應用到太赫茲雙光梳測距中，測量誤差僅為3 μm。本文搭建的異步采樣雙光梳系統外殼尺寸為65 cm×45 cm×55 cm，整體重量為20 kg ，滿足室外應用需求，具有穩定性高和抗干擾性強的優勢。

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（編輯：李曉莉）