光頻梳技術(shù)憑借其在精確測量領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)，成為科研人員探索微觀世界和宏觀宇宙的得力助手。近年來，雙梳技術(shù)更是異軍突起，通過兩組不同重復(fù)率的光頻梳實(shí)現(xiàn)時(shí)間異步采樣和頻譜多模外差干涉，大幅降低了對設(shè)備帶寬和響應(yīng)速度的要求，讓精密光學(xué)測量得以在更廣泛的領(lǐng)域施展拳腳，像吸收光譜、測距、傳感器解調(diào)等。

    不過，經(jīng)典雙梳系統(tǒng)的光源由兩個(gè)獨(dú)立鎖模激光器構(gòu)成，不僅成本高昂，對工作環(huán)境的要求也極為苛刻。為了推動(dòng)雙梳技術(shù)的廣泛應(yīng)用，單腔雙梳結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，借助多種復(fù)用方法，在同一激光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的異步超短脈沖輸出，有效降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。然而，現(xiàn)有單腔雙梳源的重復(fù)頻率和重復(fù)頻率差往往較低，難以滿足特定場景下對測量速度和精度的高要求，比如化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程監(jiān)測、高速移動(dòng)物體測距等。

    在此背景下，Ding等人提出了一種超高雙折射D形微光纖器件，為單腔雙梳技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。該器件的設(shè)計(jì)獨(dú)具匠心，其腰橫截面呈非對稱D形輪廓，這種特殊的形狀打破了對稱性，為實(shí)現(xiàn)高雙折射創(chuàng)造了條件。通過有限元方法模擬發(fā)現(xiàn)，較小的曲率直徑有利于提高雙折射，但考慮到實(shí)際應(yīng)用中對器件封裝尺寸的限制，研究人員權(quán)衡后將曲率直徑設(shè)定為2.5μm左右，此時(shí)理論雙折射可達(dá)1.87×10?²。而且，該器件在1550nm處，偏振X和偏振Y的色散系數(shù)與非線性系數(shù)明顯分離，反常色散能夠確保在光纖激光器中快速建立孤子鎖模。

    在制造工藝方面，D形微光纖的制備分為側(cè)拋和拉錐兩步。側(cè)拋過程中，利用砂輪對標(biāo)準(zhǔn)商用光纖進(jìn)行機(jī)械加工，通過精確控制拉力、砂輪轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間，將光纖側(cè)邊拋光至光纖芯與拋光面相切，此時(shí)傳輸損耗小于0.1dB。隨后，采用火焰刷技術(shù)對側(cè)面拋光的光纖進(jìn)行熱削錐，優(yōu)化火焰溫度、刷洗區(qū)域長度、步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)距離和速度等參數(shù)，最終制備出的D形微光纖插損低至0.2dB，在7mm均勻腰部區(qū)域的雙折射高達(dá)4.29×10?²，比商業(yè)偏振保持光纖的雙折射大一個(gè)數(shù)量級。

    將該器件應(yīng)用于單短腔雙梳激光器中，研究人員搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)整泵浦功率和腔偏振狀態(tài)，成功實(shí)現(xiàn)了雙梳鎖模。當(dāng)腔長優(yōu)化至基本重復(fù)頻率為431MHz時(shí)，雙梳穩(wěn)定鎖模的重復(fù)頻率差達(dá)到247.6kHz，最大重復(fù)頻率差更是高達(dá)258.7kHz，比以往全光纖單腔雙梳的重復(fù)頻率差大幾個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，研究人員還對雙梳輸出的特性進(jìn)行了深入研究，包括頻譜、光譜、自相關(guān)跡以及輸出功率隨泵浦功率的變化等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙梳輸出的光譜呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征，并且在不同泵浦功率下，激光器會(huì)經(jīng)歷連續(xù)波鎖模、過渡區(qū)和穩(wěn)定雙梳鎖模等不同狀態(tài)。

    此外，該雙梳源在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。通過連續(xù)掃描射頻譜監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在1小時(shí)的測試范圍內(nèi)，雖然重復(fù)頻率有一定波動(dòng)，但重復(fù)頻率差的絕對波動(dòng)低于0.044%。而且，通過對D形微光纖進(jìn)行適當(dāng)封裝、主動(dòng)熱控制，對輸入泵進(jìn)行實(shí)時(shí)電反饋控制以及對整個(gè)激光裝置進(jìn)行精確振動(dòng)隔離等措施，還可進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。

    這種基于高雙折射D形微光纖器件的單腔雙梳激光器，為提高雙梳測量系統(tǒng)的采樣率和精度提供了新的可能。在未來，有望廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)成分分析、導(dǎo)航等領(lǐng)域，以更簡單、低成本的方式推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，讓我們在探索世界的道路上邁出更加堅(jiān)實(shí)的步伐。