《Optics & Laser Technology》：Polarization-multiplexed dual-comb Yb:fiber laser with dual-phase-biased nonlinear amplifying loop mirror
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Yb光纤激光器通过双相位偏置NALM结构实现正交极化双梳输出，重复率差可调范围300 Hz-80 kHz，联合色散补偿光纤布拉格光栅实现谱线重叠，测距实验达到微米级精度。
陈家洋|马旭轩|杨月堂|P.E. 科林·阿尔迪亚|史立恒|张金旭|O.H. 赫克尔|吴冠豪
清华大学精密仪器系精密测量技术与仪器国家重点实验室，北京 100084，中国
摘要
我们展示了一种基于偏振复用的双梳状镱光纤激光器，该激光器采用了双相位偏置的非线性放大环镜结构，利用了保偏光纤的正交轴特性。产生的两个梳状光束的标称重复频率约为 51.52 MHz，并且具有基本相同且重叠的光谱。通过调整双相位偏置模块中的一个反射镜，可以灵活地将重复频率差调节在 300 Hz 到 80 kHz 之间。我们对重复频率差的稳定性和双梳激光器的噪声特性进行了表征。我们使用飞行时间法进行了原理验证测距实验，在完全自由运行的情况下实现了微米级精度。由于采用了紧凑的反射型设计，双相位偏置模块非常适合集成到带有光纤尾纤的单一组件中，从而为双梳光纤激光器的产生提供了一种简单且紧凑的解决方案。
引言
光频梳（OFC）彻底改变了光学计量学，已成为实验室和现场应用中的强大工具 [1]、[2]。在基于 OFC 的技术中，双光频梳（双梳）方法 [3] 因其高数据采集率、高分辨率和高精度而脱颖而出。这些特性使得双梳系统非常适合干涉测量，包括距离测量 [4]、[5]、光谱学 [6]、[7] 和三维成像 [8]、[9]。典型的双梳系统由两个发射光脉冲列的锁模激光器组成，这些脉冲列的重复频率略有不同。由此产生的线性光采样将光域信息映射到射频（RF）域。
两个 OFC 之间的高互相关性对于稳定的线性光采样和良好的干涉图至关重要。这可以通过紧密相位锁定两个梳状光束或事后校正它们的相对相位/时间波动来实现，尽管这会增加系统的复杂性。一种简化双梳系统的方法是从单个激光腔体产生两个光脉冲列，从而被动消除共模噪声并固有地保持高互相关性。已经提出了各种创新设计，包括双向 [10]、[11]、[12]、双波长 [13]、[14]、[15]、偏振复用 [16]、[17]、[18] 和空间复用 [19]、[20]、[21]、[22]。人们一直在努力提高长期稳定性、腔体简单性和重复频率差调节的灵活性。
基于非线性放大环镜（NALM）[23] 的锁模光纤激光器最近重新受到了关注。NALM 锁模方案被证明具有低时间抖动 [24]、多功能操作 [25]、坚固的设置 [27] 和易于组装的腔体结构 [28]。可以看出，基于 NALM 的光纤激光器是生成单腔双梳激光器的有力候选者。建议使用非对称相位偏置 [29] 来辅助 NALM 锁模。通过修改相位偏置设计，可以衍生出不同类型的基于 NALM 的单腔双梳激光器。由于 NALM 锁模依赖于激光腔内两个反向传播场的干涉，基于 NALM 的单腔双梳激光器主要利用双波长、偏振复用和空间复用方案。
关于双波长配置，李等人 [14] 在 NALM 环和相位偏置之间插入了一段保偏（PM）光纤的交叉拼接段，在铒增益区域内产生了波长依赖的传输曲线，相邻通带之间的间隔约为 5 nm。费林格等人 [30] 在相位偏置中的空间分散光中插入了一个光束阻挡器，迫使激光在宽的镱增益带宽内以两个波长运行。廖等人 [31] 调整了相位偏置段内的波片方向，以优化两个中心波长不同的锁模状态的转换，在 2 μm 区域实现了双波长锁模。另一方面，中岛等人 [19] 利用了 PM 光纤中的慢轴和快轴光，并为每个轴添加了不同的掺铒光纤放大器（EDFA）和相位偏置来支持双梳锁模。阿尔迪亚等人 [32] 构建了两个相位偏置，以支持单个 NALM 环中的双梳锁模，并展示了二氧化碳的光谱学原理验证。岩国等人 [33] 研究了增益共享偏振复用双梳激光器的噪声性能。中岛等人 [20] 还提出了一种机械共享设计，其中两个基于 NALM 的激光器共享同一个泵浦二极管并紧密放置，以增强共模效应。
采用双波长设计的光纤激光器的操作波长覆盖了从镱到铥增益区域的范围，使其能够应用于广泛的领域。然而，两个梳状光束的光谱并不重叠，这意味着在测距和光谱学等应用中需要外部放大和光谱展宽。相比之下，基于偏振复用的配置和非共享段的存在可以提供重叠的光谱和更好的重复频率差调节灵活性；然而，非共享段需要精心设计以避免系统复杂性的增加。据我们所知，此类方案迄今为止仅在铒增益区域有报道，这可能限制了它们的适用性。将镱光纤技术引入 OFC 使得在高平均功率、高重复频率和整体功率扩展能力方面取得了进展。提供具有高互相关性的异步脉冲列的双梳镱光纤激光器可以是自由空间或水下测距 [34]、材料表征 [35] 和光声光谱学 [36] 等应用的强大候选者。
在这项工作中，我们展示了一种基于偏振和空间复用的紧凑型 NALM 基双梳镱光纤激光器。在双相位偏置的 NALM 中，每个相位偏置分支独立地在 PM 光纤的一个偏振轴上实现锁模。两个正交偏振的梳状光束共享腔体的整个光纤部分，使得作用在光纤上的环境扰动成为共模。在 PM 光纤中写入的啁啾光纤布拉格光栅被用作两个梳状光束的公共色散补偿元件，确保了几乎相同的色散条件。双相位偏置模块构成了腔体的唯一非共享部分，并通过反射设计将其最小化。这种紧凑的配置允许灵活调节重复频率差，同时限制了非共模噪声的影响。激光在镱增益区域内工作，输出高功率和宽且重叠的光谱。我们进行了原理验证测距实验，证明了我们的系统在紧凑且优雅的配置中能够实现微米级精度。
章节片段
双梳激光器设置
图 1 显示了双相位偏置 NALM 镱光纤激光器的实验方案。激光器由一个 NALM 环、一个线性部分和一个泵浦部分组成，所有部分都通过一个 50/50 分光比的 PM 光纤耦合器（PMC）连接。NALM 环包含一个非对称放置的单包层掺镱光纤（PMYDF，Coractive Yb 401-PM，0.6 m）和两个相位偏置分支。NALM 环和线性部分中的 PM 980 光纤长度分别为 1.45 m 和 0.75 m。
激光器性能
图 2 显示了在 CFBG 端口测量的双相位偏置 NALM 镱光纤激光器的输出。激光输出包含沿着 PM 光纤的慢轴和快轴的两个正交偏振梳状光束，分别标记为 Comb1 和 Comb2。每个梳状光束在通过 PBS 分割后分别进行了测量。在泵浦功率约为 520 mW 时，可以通过对 PMC 施加轻微扰动来启动双梳锁模状态；当泵浦功率降低到约 130 mW 时，锁模状态会消失。泵浦效率为
双梳测距性能
在本节中，我们进行了原理验证的双梳测距实验，以进一步评估激光器的性能。图 6(a) 显示了距离测距设置的示意图。双梳输出通过一个 0.45 m 的 CFBG 尾纤进入自由空间测距设置，在那里两个梳状光束由 PBS 分开。激光输出的偏振被调整，以便 PBS 正确地分离两个梳状光束。Comb1 作为本地梳状光束（红色）被发送到
结论
总之，我们开发了一种基于双相位偏置非线性放大环镜的偏振复用双梳镱光纤激光器。通过利用 PM 光纤的两个正交轴以及紧凑的反射型双相位偏置模块，我们实现了稳定的双梳锁模，具有几乎相同且重叠的光谱。两个梳状光束具有稳定的重复频率差和相似的 RIN 和 PN-PSD 特性，表明这两个梳状光束高度
CRediT 作者贡献声明
陈家洋：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。马旭轩：写作 – 审稿与编辑，方法论，概念化。杨月堂：写作 – 审稿与编辑，方法论，形式分析。科林·阿尔迪亚：写作 – 审稿与编辑，方法论。史立恒：方法论。张金旭：写作 – 审稿与编辑。O.H. 赫克尔：写作 – 审稿与编辑，监督。吴冠豪：
资助
国家自然科学基金（62227822），国家重点研发计划（2024YFF0617800）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢蒋瑞林博士和杨青兆的宝贵讨论。陈家洋感谢中国留学基金委的支持。
