近日，电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室李博闻教授、饶云江教授团队与太原理工大学陈杰副教授合作在光纤单腔双频梳领域取得了新进展。研究实现了结构紧凑的全光纤全正色散双向锁模（CANDi）激光器，其不仅拥有单波长双梳与双波长双梳两种可调控稳定工作状态，更在环境稳定性与自启动能力上显著超越了第一代CANDi激光器架构，为实用化双梳计量提供了新型光源。论文以“All-fiber counterpropagating all-normal-dispersion laser for coherently averaged free-running dual-comb metrology”为题，发表于光子学领域权威期刊Photonics Research。团队研究生汪铭峻、李沛泽、郭晏宏为论文共同第一作者。电子科技大学李博闻教授、太原理工大学陈杰副教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。
光纤单腔双频梳激光器凭借其紧凑的结构和优异的共模噪声抑制特性，在精密计量领域展现出巨大潜力。然而，现有此类激光器多依赖真实可饱和吸收体且运行在反常色散区，限制了脉冲能量仅能达到数十皮焦级别。此外，许多方案仍需依赖空间光学元件，导致系统对机械震动敏感、环境稳定性不足，且难以满足紧凑封装的实用化需求。因此，亟需开发一种能同时提供高脉冲能量、强环境适应性且具备紧凑封装潜力的全光纤化双梳光源，以推动该技术向实际应用场景跨越。
图1：(a)全光纤CANDi 激光器的实验装置图。(b) Lyot 滤波器的透射光谱。(c)和(d)单波长双向锁模状态下的光谱和射频谱。(e)和(f)双波长双向锁模状态下的光谱和射频谱。
二、低噪运行状态可控：控温实现两种锁模状态自启动切换
噪声测试显示，该激光器在两种锁模状态下均展现出优异的低噪声特性，其相对强度噪声（RIN）与相位噪声底与目前最先进的光纤激光器相当，且双梳串扰带来的以重频差为基频的噪声峰在双波长锁模的大重频差下显著降低，这为如何抑制双梳串扰提供了新思路。得益于全光纤结构的稳定性，系统在两种状态下均能实现超过 90% 的自启动成功率。更重要的是，用户只需通过调节温度即可实现两种锁模状态之间的切换，极大提升了双梳光源在复杂环境下的操作便捷性与免维护能力。此外，通过仿真验证，我们阐明了锁模状态的温度调控机理。
图 2：全光纤 CANDi 激光器自启动能力的验证。(a)自启动验证装置。(b)和(c)在泵浦功率周期性调制下，激光器两个方向输出光谱的实时演化。(d)和(e)通过改变滤波器波长从双波长状态切换到单波长状态的模拟结果。
图 3：全光纤CANDi 激光器的噪声性能。(a)-(c)单波长双向锁模状态下的相对强度噪声(RIN)、相位噪声(PN)和重复频率的稳定性。(d)-(f)双波长双向锁模状态下的RIN、PN和重复频率的稳定性。
三、双梳光谱实用化突破：长相干时间与高分辨率
在自由运行条件下，我们将该激光器应用于双梳光谱测试。凭借系统极高的固有共模噪声抑制能力，在相干平均算法辅助下，实验获得了大于4 s 的相干平均时间，并成功解析出分辨率优于3.4 GHz 的高Q 值微腔透射光谱。对比实验进一步证明，改进后的全光纤结构在抵御环境扰动方面表现出色，其稳定性与相干性维持能力明显优于传统结构，标志着实用化双梳计量技术迈出了关键一步。
图4：使用全光纤 CANDi 激光器对高Q值微腔的表征。(a)单次测量与相干平均后的时间域干涉图 。(b)信噪比随相干平均次数的变化情况。红色虚线表示线性趋势。(c)带有和不带有相位校正的梳齿分辨双梳光谱。(d)具有不同平均次数且去除包络后的透射光谱。(e) (d)的局部放大图，展示了微谐振腔的一个谐振峰。
CANDi激光器架构因突破光纤单腔双频梳能量限制曾荣获Optica与Coherent联合颁发的Bernard J. Couilloud 奖。本研究在其基础上成功开发出全光纤结构的第二代CANDi激光器，具有重要工程价值。该系统不仅实现了nJ级高能量脉冲与全光纤紧凑稳定结构结合，更首次实现了温度可控的单波长与双波长双向锁模状态的一键自启动与切换。我们成功完成了对高Q值微腔透射光谱的高分辨率精密测量，在自由运行条件下展现了卓越的环境稳定性，并获得了优于4秒的相干平均时间以及3.4GHz的光谱分辨率。这种具备高稳健性与免维护特性的实用化双梳光源，将大幅降低技术门槛，有望为复杂环境下的现场级高精度计量、多组分气体传感等领域提供强大驱动力，加速推动双梳技术从实验室走向真正的工程化应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/PRJ.577808
CANDi 激光器其他相关工作：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.396304
https://doi.org/10.1364/OPTICA.458339
https://doi.org/10.1063/5.0242472
https://doi.org/10.1364/PRJ.528873
撰稿：课题组
