基于 DM-YOLO 的 MLCC 自动缺陷检测

《Optics & Laser Technology》：DM-YOLO for MLCCs’ automatic defect detection

稳定飞秒电光频率梳的生成方法与实验验证采用双环光电振荡器与参量频率混合器组合方案，通过光学注入激发半导体激光器的周期一（P1）振荡态，利用1 km单模光纤提升微波信号品质因数并实现脉冲压缩至300 fs量级，在10.20-18.21 GHz重复频率范围内生成216条梳线的电光频率梳，光谱纯度达20.75 nm，适用于精密测量、光通信和量子计算等领域。

　　本研究提出了一种基于双环光电振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器的稳定飞秒光电频率梳（EOFC）生成系统，并通过实验验证了其可行性。该系统利用了半导体激光器的Period-one（P1）振荡状态，通过光学注入方式实现对相应微波信号的选择，从而生成具有可调性和高重复频率的种子EOFC，并通过长距离单模光纤（SMF）实现对光脉冲的压缩。随后，种子脉冲被送入参量频率混频器，进一步压缩脉冲宽度至飞秒级别。在原理验证实验中，成功生成了重复频率在10.20 GHz到18.21 GHz之间的EOFC，其中脉冲宽度被压缩至约300 fs，谱宽达到20.75 nm，拥有216条梳线。这种飞秒EOFC在精密测量、光通信、量子计算等领域展现出广阔的应用前景。

光学频率梳（OFCs）是一种由均匀分布的频率成分构成的光谱，这些频率成分之间具有相干且稳定的相位关系。OFCs在多个领域得到了广泛应用，例如精密测量、任意波形生成、遥感、密集波分复用以及信号处理等。在精密测量中，OFCs的脉冲宽度是关键因素之一，它直接影响频率域中的性能表现。脉冲宽度的变化会影响OFCs在频率域中的分布和特性，而超短脉冲宽度则能够提供极高的时间分辨率和频率精度。因此，研究如何优化OFCs的脉冲宽度，是提升其在多个应用场景中表现的重要方向。

目前，生成OFCs的主要方法包括锁模激光器（MLLs）和外部调制。锁模激光器可以产生宽频带且高稳定性的OFCs，但其重复频率通常处于GHz量级。控制锁模状态的启动和维持是一项挑战，需要良好的热和声学隔离，以及稳定的光学参考或载波包络偏移（CEP）稳定方案。相比之下，外部调制方法因其无需腔体约束、重复频率可调以及频率稳定性持久等特点，被广泛用于生成光电频率梳（EOFCs）。相位调制器（PMs）是生成EOFCs的常用调制器之一，但其需要额外的组件，如双正弦波驱动和啁啾光纤布拉格光栅，以实现功率谱的平坦化。然而，这种方法生成的梳线数量有限。因此，为了生成更多的梳线，通常需要将多个调制器进行级联。例如，使用两个级联的PMs和啁啾布拉格光栅，或者级联强度调制器（IMs）和PMs。在这些方案中，生成梳线数量的主要限制因素来自于驱动射频（RF）信号的固有幅度限制。调制激光器的相位噪声会随着边带阶数的增加而线性增长。在理想条件下，相位噪声的斜率值，即相位噪声相对于边带频率偏移的变化率，可以近似等于射频相位噪声的量。然而，随着梳线数量的增加，调制激光器的相位噪声会逐渐恶化。近年来，通过半导体激光器的级联注入，实现了宽频带且窄线宽的OFCs。其中，使用外部微波信号对注入光束进行调制，以实现谐波注入锁定到P1动态。然而，由于半导体激光器和外部微波源的相位噪声较差，限制了生成OFCs的质量。

光电振荡器（OEOs）已被证明可以生成低相位噪声且宽频率范围的自激微波信号，因此可以作为高质量的微波源应用于基于调制器的EOFC生成系统。此外，使用电吸收调制激光器或垂直腔面发射激光器的自振荡EOFC生成方案也已被提出。在这些方案中，频率选择组件通常是具有窄通带的电气滤波器，这限制了重复频率的可调性。同时，电光调制器的有限调制深度也限制了生成更多的边带频率成分。一个显著的研究成果是周P.等人提出的方案，他们通过在OEO中注入半导体激光器，生成了重复频率在6.5到15 GHz之间、脉冲宽度低于20 ps且相位噪声低至-101 dBc/Hz的光脉冲。虽然该方案展示了光学注入在可调性方面的应用价值，但脉冲持续时间仍处于皮秒量级。为了克服带宽限制，研究人员采用非线性频谱展宽技术，如在高非线性光纤（HNLFs）中进行四波混频（FWM），以扩展EOFC的带宽并压缩脉冲至飞秒级别。然而，这些方法往往伴随着系统复杂性的增加或可调性的限制。

本研究提出了一种新的飞秒EOFC生成方案，该方案基于光学注入的双环光电振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器。DL-OEO系统采用级联的强度调制器（IM）和相位调制器（PM），以及两个具有相同长度的光电反馈环路。通过将半导体激光器的P1状态作为光学注入的目标，可以实现对相应微波信号的高效选择。实验中通过调整光学注入功率，成功实现了重复频率从10.21 GHz到18.21 GHz的调节。同时，将1公里单模光纤（SMF）引入DL-OEO反馈环路中，该光纤具有两个作用：首先，提高OEO的腔体Q值，从而改善生成的微波信号质量；其次，利用1公里SMF的负色散特性，补偿由相位调制引起的正啁啾，从而实现光脉冲的压缩，将其宽度压缩至3.6 ps。因此，通过光学注入的DL-OEO系统可以生成具有相应重复频率的种子EOFC。随后，通过参量频率混频器进行频谱展宽，最终通过另一段15米SMF实现对脉冲的进一步压缩。为了确保脉冲宽度的一致性，通过调整谱宽进行色散管理。该过程最终得到的脉冲序列具有可调的重复频率，且脉冲宽度保持在约300 fs的范围内。所提出的方案具有结构简单、频谱平坦、梳线间距灵活、相位噪声低以及载波噪声低等优点。

本研究的原理图如图1所示，展示了用于生成种子EOFC的光学注入DL-OEO系统。主激光器（ML）通过极化控制器（PC）、强度调制器（IM）、可调光学衰减器（ATT）和光学环形器（CIR）依次注入到从属激光器（SL）中，其中SL是一个无隔离器的分布式反馈激光器（DFB-LD）。来自主激光器的光信号（f_m）被注入到自由运行的从属激光器（f_s）中，且频率偏移（f_m > f_s），使得系统的动态行为被激发为P1状态。这种P1状态的稳定性和可调性对于生成高质量的EOFC至关重要。通过精确控制光学注入的强度和频率，可以有效调节系统的输出特性，从而实现更广泛的频率范围和更稳定的脉冲宽度。

在实验中，飞秒EOFC生成系统如图4所示。来自主激光器的光信号首先经过极化控制器、强度调制器和可调光学衰减器，然后被注入到从属激光器中。极化控制器的作用是确保主激光器与注入光信号之间的最佳相干性，这对于生成高质量的频率梳至关重要。强度调制器则用于对光信号进行调制，以实现对微波信号的调制和频率选择。通过调节强度调制器的调制深度和频率，可以进一步优化系统的输出性能。可调光学衰减器则用于控制注入光信号的强度，从而调节系统的稳定性。在该系统中，通过精确控制这些组件的参数，可以实现对飞秒EOFC的高效生成。

此外，为了实现更宽的频谱展宽和更短的脉冲宽度，本研究还引入了参量频率混频器。参量频率混频器能够通过非线性相互作用，进一步展宽频率梳的谱宽，同时压缩脉冲宽度至飞秒级别。在实验中，通过调整参量频率混频器的参数，成功实现了对脉冲宽度的进一步压缩。同时，通过调节系统的色散管理，确保了脉冲宽度的一致性。这种色散管理方法能够有效平衡系统的非线性效应和色散效应，从而实现更稳定的飞秒脉冲序列。

在实验过程中，还对系统的性能进行了全面的测试和评估。通过测量系统的频谱宽度、脉冲宽度以及重复频率，验证了该系统在生成飞秒EOFC方面的有效性。测试结果表明，该系统能够生成具有宽频谱、高重复频率和低相位噪声的EOFC，同时保持脉冲宽度的一致性。这些性能指标的优化使得该系统在多个应用场景中具备更高的实用价值。例如，在精密测量中，该系统能够提供更高的时间分辨率和频率精度，从而提高测量的准确性和稳定性。在光通信中，该系统能够生成更宽的频谱和更短的脉冲，从而提高通信的带宽和传输效率。在量子计算中，该系统能够提供更稳定的频率梳，从而支持更精确的量子操作和信号处理。

本研究的创新点在于将光学注入技术与双环光电振荡器结合，通过级联调制和色散管理，实现了对飞秒EOFC的高效生成。这种结合不仅提高了系统的频率可调性和稳定性，还减少了对额外组件的依赖，从而简化了系统结构。此外，通过引入1公里单模光纤和15米单模光纤，实现了对脉冲的高效压缩，同时保持了脉冲宽度的一致性。这种优化使得该系统在实际应用中更加灵活和高效。

总的来说，本研究提出了一种基于光学注入的双环光电振荡器和参量频率混频器的飞秒EOFC生成系统。该系统在实验中成功实现了重复频率从10.20 GHz到18.21 GHz的调节，脉冲宽度被压缩至约300 fs，谱宽达到20.75 nm，拥有216条梳线。所提出的方案具有结构简单、频谱平坦、梳线间距灵活、相位噪声低以及载波噪声低等优点，为飞秒EOFC在多个领域的应用提供了新的思路和方法。未来，该系统有望在更广泛的科学和技术领域中得到应用，为高精度测量、光通信、量子计算等提供更高效和稳定的解决方案。