DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01811-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40122857
تاريخ النشر: 2025-03-24
المؤلف: Lin Ling وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون نظام طيفي مزدوج جديد (DCS) يتميز بتباعد أسنان قليل جيجاهرتز، مما يحقق توازنًا مثاليًا بين الدقة الطيفية ومعدل التحديث. يستخدم نظام GHz DCS تصفية طيفية متوسطة بواسطة تداخل الأوضاع المتعددة ضمن تكوين تجويف فائق القصر بالكامل من الألياف، مما يعالج قيود التقنيات الحالية التي إما تضر بالدقة الطيفية أو بمعدل التحديث. يتم تغذية النظام بواسطة ليزر ألياف مقفل الوضع ذو طول موجي مزدوج بمعدل تكرار أساسي يبلغ حوالي 1.0 جيجاهرتز، يختلف بمقدار 148 كيلوهرتز، ويظهر استقرارًا استثنائيًا، مع انحراف ألان يبلغ فقط 101.7 مللي هرتز على مدى زمن متوسط قدره 1 ثانية.
يمكن الاختلاف الكبير في معدل التكرار بين سلاسل النبضات غير المتزامنة من تحقيق وقت تحديث يبلغ 6.75 ميكروثانية فقط، مما يجعل هذا النظام مناسبًا بشكل خاص للتحليل في الوقت الحقيقي للظواهر العابرة غير القابلة للتكرار. يتم تجسيد عملية GHz DCS من خلال تجارب ناجحة في الهواء الطلق تلتقط موجات الصدمة الناتجة عن انفجارات البالونات والألعاب النارية. من المتوقع أن يعزز هذا النظام المبتكر المكون بالكامل من الألياف سرعة الاكتساب والموثوقية مع الحفاظ على دقة القياس، مما يجعله أداة قيمة للتطبيقات عالية السرعة في مجالات علمية متنوعة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الإمكانات التحويلية لأمشاط التردد الضوئي (OFCs) في القياس الدقيق، خاصة من خلال الطيفية المزدوجة (DCS). تستخدم DCS اثنين من OFCs بمعدلات تكرار مختلفة قليلاً لتمكين الاستجواب الطيفي السريع دون القصور الذاتي الميكانيكي المرتبط بالطرق التقليدية، مما يعزز دقة القياس عبر الكشف الهترديني. تؤكد الورقة على الحاجة إلى معدلات تكرار عالية لتحسين سرعة الاكتساب، مما يؤدي إلى تقدم كبير في أمشاط الميكرو ريسوناتور القائمة على الرقائق، وأمشاط ليزر الكاسكيد الكمومي، وأمشاط التعديل الكهروضوئي.
على الرغم من التقدم، كانت ليزرات الألياف المقفلة الوضع التقليدية (MLFLs) محدودة لعشرات ميغاهرتز في معدلات التكرار الأساسية، مما يعيق تطوير DCS قليل جيجاهرتز. وقد أفادت التقدمات الأخيرة بأن MLFLs حققت معدلات على مستوى جيجاهرتز، ولكن هذه عادة ما تتطلب تكوينات معقدة للحفاظ على التماسك بين الليزرات المستقلة. يقترح المؤلفون حلاً مبتكرًا باستخدام MLFL مزدوج الوضع بتجويف واحد، والذي يستفيد من تصفية طيفية متوسطة بواسطة تداخل الأوضاع المتعددة (MMI) لتوليد سلاسل نبضات غير متزامنة بمعدلات جيجاهرتز. يحقق هذا التصميم معدل تكرار أساسي يبلغ حوالي 1.0 جيجاهرتز مع فرق معدل تكرار يبلغ 148 كيلوهرتز، مما يظهر استقرارًا ملحوظًا مع تقلب قدره 101.7 مللي هرتز فقط على مدى ثانية واحدة. يتم التحقق من التطبيق العملي لهذا النظام من خلال تجارب ناجحة في الهواء الطلق تلتقط أحداثًا عابرة، مثل انفجارات البالونات والألعاب النارية.
طرق
يتضمن الإعداد التجريبي لنظام DCS مزدوج الوضع بالكامل من الألياف بتجويف واحد ليزر ألياف مقفل الوضع ذو طول موجي مزدوج (MLFL) بمعدلات تكرار أساسية على مستوى جيجاهرتز، مدعومًا بمضخم بصري ووحدة توسيع طيفي. يتكون MLFL ذو الطول الموجي المزدوج من ألياف مشبعة بشدة من Yb بطول 8.5 سم، وألياف أحادية الوضع (SMF) بطول 0.8 سم، ومرآة ماصة مشبعة شبه موصلة (SESAM)، ومعدل انتشار قائم على الألياف (DF). يتم دمج DF، مع عكس إشارة يبلغ 85%، في غلاف خزفي ومتصلة بمقسم طول موجي (WDM) لتوجيه الإشارة بكفاءة. يعمل ديود ليزر أحادي الوضع (SM-LD) يعمل عند 976 نانومتر كمصدر مضخة، موفرًا طاقة قصوى تبلغ 460 مللي واط.
يستخدم النظام موصل بصري 90:10 (OC) لتقسيم خرج MLFL لأغراض المراقبة، بينما يحمي عازل الألياف (ISO) التجويف من الانعكاسات الخلفية. يتم فصل سلاسل النبضات غير المتزامنة باستخدام مقسم طول موجي للمرشحات (FWDM)، مع تضخيم كل مكون طيفي إلى حوالي 40 مللي واط باستخدام مضخم ألياف مشبعة بـ Yb (YDFA). ثم يتم توجيه النبضات المضخمة إلى ألياف بلورية فوتونية غير خطية (PCF) بطول حوالي 110 متر، تتميز بمعامل غير خطي يبلغ 34 واط\(^{-1}\) كم\(^{-1}\)، مما يسهل توسيع الطيف. يتم إعادة دمج سلاسل النبضات الموسعة طيفيًا من خلال موصل بصري آخر.
نتائج
تصف قسم النتائج تطوير وعمل مصدر مزدوج الوضع بالكامل من الألياف باستخدام ليزر ألياف مقفل الوضع ذو طول موجي مزدوج (MLFL) بمعدلات تكرار أساسية على مستوى جيجاهرتز. يتكون تجويف الليزر من ألياف أحادية الوضع (SMF) وألياف كسب قليلة الوضع (FMGF)، مع مرآة ماصة مشبعة شبه موصلة (SESAM) وفيلم عازل (DF) يعمل كعاكسات. يؤدي التفاعل بين SMF و FMGF إلى تأثير تداخل الأوضاع المتعددة (MMI)، مما يسهل توليد سلاسل نبضات غير متزامنة ثنائية اللون تتميز بفارق معدل تكرار ($\Delta f$) يبلغ حوالي 100 كيلوهرتز. يؤدي هذا الطابع غير المتزامن إلى إنشاء مصدر مزدوج الوضع على مستوى جيجاهرتز من خلال التداخل الطيفي والتوسيع الطيفي المتماسك.
تسلط الدراسة الضوء على أهمية تأثير التصفية الطيفية المتوسطة بواسطة MMI، والذي ينشأ من اقتران مجالات الضوء متعددة الأوضاع مرة أخرى إلى SMF، مما يؤدي إلى نبضات غير متزامنة بسبب التشتت اللوني. يتطلب توليد هذه السلاسل النبضية المقفلة بشكل سلبي ألياف FMGF مشبعة بشدة لتوفير كسب كافٍ. تتضمن عملية توليد الأمشاط المزدوجة تحويل الأمشاط الضوئية المتداخلة إلى مشط تردد راديو (RF) عبر الكشف الهترديني، مع تحديد عامل الخريطة بواسطة نسبة معدل التكرار الأساسي إلى انزياح التردد. تتيح معدلات التكرار الأساسية العالية (أكثر من 1 جيجاهرتز) طيفية مزدوجة سريعة (DCS) مع وقت تحديث أقل من 10 ميكروثانية، مما يسمح باستخراج معلومات طيفية عالية السرعة من خلال تحليل تحويل فورييه للتداخل الزمني.
مناقشة
تناقش البحث الآلية وتنفيذ ليزر ألياف مقفل الوضع ذو طول موجي مزدوج (MLFL) الذي يستخدم تداخل الأوضاع المتعددة (MMI) للتصفية الطيفية لتوليد سلاسل نبضات غير متزامنة ثنائية اللون بمعدلات تكرار أساسية في نطاق جيجاهرتز. تسهل مرشح الطيف المتوسط بواسطة MMI، المميز بتباعد الطول الموجي $\Delta \lambda = \frac{\lambda^2}{2L_c \delta \beta_1}$، بشكل فعال توليد هذه السلاسل النبضية. تؤكد النتائج التجريبية على تباعد طولي يبلغ حوالي 6.28 نانومتر، مما يتماشى بشكل وثيق مع التوقعات النظرية. تسلط الدراسة الضوء على التحديات التي تواجه تحقيق نبضات غير متزامنة في تجويفات الألياف الفائقة القصر، خاصة بسبب تصفية الكسب وتأثيرات احتجاز السوليتون، مما يتطلب تصميمًا دقيقًا للمرشحات الطيفية.
علاوة على ذلك، تم تقييم استقرار سلاسل النبضات غير المتزامنة ثنائية اللون، مما يكشف عن تقلب منخفض في فرق معدل التكرار يبلغ 148 كيلوهرتز، مع انحراف ألان يبلغ فقط 101.7 مللي هرتز على مدى زمن متوسط قدره 1 ثانية. يُعزى هذا الاستقرار إلى التأثيرات البيئية المشتركة على النبضات التي تنتشر داخل نفس التجويف. تم إثبات مصدر الأمشاط المزدوجة بنجاح في التطبيقات العملية، بما في ذلك القياسات في الوقت الحقيقي للأحداث الديناميكية مثل انفجارات البالونات وتفجيرات الألعاب النارية، مما يظهر إمكاناته للقياسات الطيفية عالية السرعة والدقيقة في مجالات متنوعة. تشير النتائج إلى أن هذا النظام المزدوج القوي يمكن أن يعزز بشكل كبير دراسة الظواهر العابرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01811-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40122857
Publication Date: 2025-03-24
Author(s): Lin Ling et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
In this study, the authors present a novel dual-comb spectroscopy (DCS) system characterized by few-GHz tooth spacing, which strikes an optimal balance between spectral resolution and refresh rate. The proposed GHz DCS utilizes multimode interference-mediated spectral filtering within an all-fiber ultrashort cavity configuration, addressing the limitations of existing technologies that either compromise spectral resolution or refresh rate. The system is seeded by a dual-wavelength mode-locked fiber laser with a fundamental repetition rate of approximately 1.0 GHz, differing by 148 kHz, and demonstrates exceptional stability, with an Allan deviation of only 101.7 mHz over an average time of 1 second.
The significant repetition rate difference between the asynchronous pulse trains enables a refresh time of just 6.75 μs, making this system particularly suitable for real-time analysis of nonrepeatable transient phenomena. The practicality of the GHz DCS is exemplified through successful outdoor experiments capturing the shock waves generated by balloon and firecracker explosions. This innovative all-fiber dual-comb system is anticipated to enhance acquisition speed and reliability while maintaining measurement accuracy, positioning it as a valuable tool for high-speed applications in various scientific fields.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the transformative potential of optical frequency combs (OFCs) in precision measurement, particularly through dual-comb spectroscopy (DCS). DCS utilizes two OFCs with slightly different repetition rates to enable rapid spectral interrogation without the mechanical inertia associated with traditional methods, enhancing measurement accuracy via heterodyne detection. The paper emphasizes the need for high repetition rates to improve acquisition speed, leading to significant advancements in chip-based microresonator combs, quantum cascade laser combs, and electro-optic modulation combs.
Despite the progress, conventional mode-locked fiber lasers (MLFLs) have been limited to tens of MHz in fundamental repetition rates, hindering the development of few-GHz DCS. Recent advancements have reported MLFLs achieving GHz-level rates, but these typically require complex configurations to maintain coherence between independent lasers. The authors propose a novel solution using a single-cavity dual-comb MLFL, which leverages multimode interference (MMI)-mediated spectral filtering to generate asynchronous pulse trains at GHz rates. This design achieves a fundamental repetition rate of approximately 1.0 GHz with a repetition rate difference of 148 kHz, demonstrating remarkable stability with a fluctuation of only 101.7 mHz over one second. The practical application of this system is validated through successful outdoor experiments capturing transient events, such as balloon and firecracker explosions.
Methods
The experimental setup for the GHz single-cavity all-fiber dual-comb system involves a dual-wavelength mode-locked fiber laser (MLFL) with GHz-level fundamental repetition rates, complemented by an optical amplifier and a spectral-broadening unit. The dual-wavelength MLFL comprises an 8.5-cm heavily Yb-doped fiber, a 0.8-cm single-mode fiber (SMF), a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM), and a fiber-based dispersion compensator (DF). The DF, with a signal reflectivity of 85%, is integrated into a ceramic ferrule and connected to a wavelength-division multiplexer (WDM) for efficient signal routing. A single-mode laser diode (SM-LD) operating at 976 nm serves as the pump source, delivering a maximum power of 460 mW.
The system employs a 90:10 optical coupler (OC) to split the MLFL output for monitoring purposes, while a fiber isolator (ISO) safeguards the cavity from backward reflections. The asynchronous dichromatic pulse trains are separated using a filter wavelength-division multiplexer (FWDM), with each wavelength component amplified to approximately 40 mW using a Yb-doped fiber amplifier (YDFA). The amplified pulses are then directed into a highly nonlinear photonic crystal fiber (PCF) of about 110 m in length, characterized by a nonlinear coefficient of 34 W\(^{-1}\) km\(^{-1}\), facilitating spectral broadening. The spectrally broadened pulse trains are subsequently recombined through another optical coupler.
Results
The results section describes the development and functioning of a single-cavity all-fiber dual-comb source utilizing a dual-wavelength mode-locked fiber laser (MLFL) with GHz-level fundamental repetition rates. The laser cavity comprises a single-mode fiber (SMF) and a few-mode gain fiber (FMGF), with a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) and a dielectric film (DF) serving as reflectors. The interaction between the SMF and FMGF induces a multimode interference (MMI) effect, facilitating the generation of asynchronous dichromatic pulse trains characterized by a repetition rate difference ($\Delta f$) of approximately 100 kHz. This asynchronous nature leads to the creation of a GHz dual-comb source through spectral overlap and coherent spectral broadening.
The study highlights the importance of the MMI-mediated spectral filtering effect, which arises from the coupling of multimode light fields back into the SMF, resulting in asynchronous pulses due to chromatic dispersion. The generation of these passively mode-locked pulse trains requires a heavily doped FMGF to provide sufficient gain. The dual-comb generation process involves down-converting the overlapping optical frequency combs into a radio frequency (RF) comb via heterodyne detection, with the mapping factor determined by the ratio of the fundamental repetition rate to the frequency offset. The high fundamental repetition rates (greater than 1 GHz) enable rapid dual-comb spectroscopy (DCS) with a refresh time of less than 10 μs, allowing for the extraction of high-speed spectroscopic information through Fourier transform analysis of the temporal interferograms.
Discussion
The research discusses the mechanism and implementation of a dual-wavelength mode-locked fiber laser (MLFL) that utilizes multimode interference (MMI) for spectral filtering to generate asynchronous dichromatic pulse trains with fundamental repetition rates in the GHz range. The MMI-mediated spectral filter, characterized by a wavelength spacing $\Delta \lambda = \frac{\lambda^2}{2L_c \delta \beta_1}$, effectively facilitates the generation of these pulse trains. Experimental results confirm a wavelength spacing of approximately 6.28 nm, aligning closely with theoretical predictions. The study highlights the challenges of achieving asynchronous pulses in ultrashort fiber cavities, particularly due to gain filtering and soliton trapping effects, necessitating careful design of the spectral filters.
Further, the stability of the asynchronous dichromatic pulse trains was assessed, revealing a low fluctuation in the repetition rate difference of 148 kHz, with an Allan deviation of only 101.7 mHz over a 1-second averaging time. This stability is attributed to the shared environmental influences on the pulses propagating within the same cavity. The dual-comb source was successfully demonstrated in practical applications, including real-time measurements of dynamic events such as balloon explosions and firecracker detonations, showcasing its potential for high-speed and accurate spectral measurements in various fields. The findings suggest that this robust dual-comb system could significantly enhance the study of transient phenomena.