对在生物相容性液体中通过激光烧蚀法合成的碳点进行的多重光谱分析

《Optics & Laser Technology》：Multiple spectroscopies of carbon dots synthesized by laser ablation in biocompatible liquids

基于双环光电振荡器与参数频率混合器的稳定飞秒电光频率梳生成方法，实验实现了10.20-18.21 GHz可调重复频率、脉宽约300 fs、光谱宽度20.75 nm的宽频梳信号，包含216条梳线，在精密测量、光通信等领域有广泛应用前景。

　　本文介绍了一种基于双环光电子振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器的稳定飞秒电光频率梳（EOFC）生成方案，并通过实验验证了其可行性。该方案在多个关键方面进行了创新，旨在解决传统频率梳生成技术中存在的局限性，如脉冲宽度受限、频率梳线数不足以及相位噪声较高等问题。

光频率梳是一种由均匀间隔频率成分组成的光谱，这些频率成分具有高度相干和稳定的相位关系。它们在精密测量、任意波形生成、遥感、密集波分复用以及信号处理等多个领域得到了广泛应用。在精密测量中，频率梳的脉冲宽度尤为重要，因为它直接影响频率梳在频域中的性能。较宽的脉冲会降低频率梳的频率分辨率和精度，而超短脉冲则能够显著提升这两个特性。因此，如何在不牺牲稳定性的情况下实现更短的脉冲宽度，是当前研究的重点之一。

传统的频率梳生成方法主要包括锁模激光器（MLLs）和外部调制。锁模激光器可以产生具有大带宽和高稳定性的频率梳，但其重复频率通常处于GHz量级，且在实现和维持锁模状态方面存在一定的挑战，例如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（CEO）稳定方案。相比之下，外部调制方法在生成电光频率梳方面更具优势，因为它不需要腔体结构，重复频率可调，且频率稳定性持久。然而，外部调制方法在生成频率梳线数方面存在限制，通常需要使用相位调制器（PMs）和啁啾光纤布拉格光栅（CFBGs）等辅助元件，以实现光谱平坦化。但这些方法往往会导致频率梳线数有限，从而限制了其在某些应用中的性能。

为了克服这一限制，研究人员提出了一系列改进方案，例如通过级联多个调制器（如使用两个级联的PMs和一个CFBG）或结合强度调制器（IMs）和PMs来生成更多的频率梳线。然而，这些方案在生成频率梳线数时，主要受限于驱动射频（RF）信号的幅度限制。随着频率梳线数的增加，相位噪声会随之上升，这会影响频率梳的稳定性和精度。此外，相位噪声的增加还与频率梳的边带频率偏移有关，因此在理想条件下，频率梳的相位噪声与边带频率偏移之间的关系可以近似为线性关系。然而，实际应用中，随着频率梳线数的增加，相位噪声往往会进一步恶化，从而限制了其性能。

近年来，研究人员通过引入半导体激光器的级联注入技术，成功实现了具有大带宽和窄线宽的频率梳。这种方法利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，这种方法仍然存在一定的局限性，例如半导体激光器和外部微波源的相位噪声较高，这在一定程度上影响了频率梳的质量。因此，如何在不牺牲频率梳稳定性的情况下降低相位噪声，成为研究的一个重要方向。

光电子振荡器（OEOs）被证明可以生成具有低相位噪声和宽频率范围的自激微波信号，因此可以作为高质量微波源应用于基于调制器的频率梳生成系统中。此外，一些研究还提出使用电吸收调制激光器（EMLs）或垂直腔面发射激光器（VCSELs）作为自激频率梳生成器，以实现更灵活的频率梳生成。然而，这些方法在频率选择方面通常依赖于具有窄通带的电气滤波器，从而限制了频率梳重复频率的可调性。同时，电光调制器的调制深度有限，也限制了频率梳线数的生成。

为了解决这些问题，Zhou P. 等人提出了一种利用光注入半导体激光器的方案，以在OEO系统中生成具有可调重复频率的光学脉冲。通过调节光注入功率，他们成功实现了从6.5 GHz到15 GHz的频率调谐，并在实验中获得了脉冲宽度低于20 ps、相位噪声低于-101 dBc/Hz的频率梳。尽管这种方法在频率调谐方面表现出色，但其脉冲宽度仍然处于皮秒量级，无法满足某些高精度测量的需求。

为了进一步压缩脉冲宽度，研究人员采用了非线性光谱展宽技术，如在高非线性光纤（HNLFs）中进行四波混频（FWM）。这种方法可以将频率梳的脉冲宽度压缩到飞秒量级，从而显著提升其在时间分辨和频率精度方面的性能。然而，这种方法通常需要额外的系统复杂性，如增加光路长度或引入更多的非线性元件，这在一定程度上限制了频率梳的可调性和灵活性。

本文提出了一种新的方案，通过将光注入双环光电子振荡器（DL-OEO）与参量频率混频器相结合，实现了具有可调和高重复频率的飞秒电光频率梳。该方案利用级联强度调制器和相位调制器，结合两个相同长度的光电子反馈环，以实现更宽的频率调谐范围和更高的频率梳线数。通过调节光注入功率，研究人员在实验中成功实现了从10.20 GHz到18.21 GHz的频率调谐，并将脉冲宽度压缩到约300 fs。此外，通过引入1公里的单模光纤（SMF），研究人员提高了OEO的腔体Q因子，从而改善了生成的微波信号的质量。同时，利用SMF的负色散特性，可以有效补偿相位调制引起的正啁啾，从而实现更高效的脉冲压缩。

在生成频率梳之后，研究人员进一步利用参量频率混频器对频率梳进行光谱展宽，以实现更宽的带宽。通过调整光谱宽度，研究人员确保了脉冲宽度的一致性。最终，生成的频率梳具有可调的重复频率，范围在十到十八 GHz之间，且脉冲宽度保持在约300 fs。这种方案在结构上较为简单，同时具备良好的光谱平坦性、灵活的频率梳间距、低相位噪声和低载波噪声等优点。

该方案的成功不仅展示了光注入技术在频率梳生成中的潜力，还为未来在精密测量、光学通信、量子计算等领域的应用提供了新的思路。通过结合双环光电子振荡器和参量频率混频器，研究人员在不牺牲频率梳稳定性和精度的情况下，实现了更宽的频率调谐范围和更短的脉冲宽度。这种方法有望成为下一代频率梳生成技术的重要组成部分，为高精度光学测量和高速光学通信提供更可靠的技术支持。

此外，本文的研究还强调了在频率梳生成过程中，光路设计和系统优化的重要性。通过合理选择光纤长度和类型，以及优化调制器的参数，研究人员能够有效提高频率梳的性能。例如，在本实验中，使用1公里的单模光纤不仅提高了OEO的腔体Q因子，还通过负色散补偿了正啁啾，从而实现了高效的脉冲压缩。这种优化策略为未来在不同应用场景中设计更高效的频率梳生成系统提供了参考。

同时，本文还讨论了频率梳生成过程中可能遇到的挑战，如相位噪声的控制、频率梳线数的扩展以及脉冲宽度的一致性。通过引入参量频率混频器，研究人员能够有效扩展频率梳的带宽，同时通过调整光谱宽度确保了脉冲宽度的一致性。这种综合方法在提高频率梳性能的同时，也保持了系统的简单性和可调性。

总的来说，本文提出的飞秒电光频率梳生成方案具有重要的应用前景。通过结合双环光电子振荡器和参量频率混频器，研究人员在不牺牲稳定性的情况下实现了更宽的频率调谐范围和更短的脉冲宽度。这种方法不仅在结构上较为简单，还具备良好的光谱平坦性、灵活的频率梳间距、低相位噪声和低载波噪声等优点。这些优势使得该方案在精密测量、光学通信、量子计算等领域具有广泛的应用潜力，为未来的高精度光学技术发展提供了新的方向。