发明内容

本发明的主要目的在于弥补上述背景技术存在的不足，提供一种实现双光频梳系统重频倍频的方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面提供一种实现双光频梳系统重频倍频的方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，其特征在于，所述方法包括：在信号光频梳光源和本振光频梳光源的输出端接入n阶级联的马赫曾德干涉仪，实时采集信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号，对采集的干涉信号截取出干涉峰，将所述干涉峰与参考干涉信号的干涉峰进行比较，计算获得由级联的马赫曾德干涉仪引入的静态时间偏移和色散啁啾，通过信号后处理算法消除级联的马赫曾德干涉仪带来的误差，恢复干涉信号的周期性，实现双光频梳光谱系统相位稳定的重频倍频。

进一步地：

所述马赫曾德干涉仪通过光纤耦合器、光纤环形器、空间光路、片上光波导中的任一种形式实现。

在所述马赫曾德干涉仪的干涉臂上设置光开关，以调节双光频梳系统的重频倍频系数。

第N阶马赫曾德干涉仪引入的延迟大约设定为：

其中，f_r为待插入马赫曾德干涉仪光频梳的重复频率；k为一个任意的整数，n阶马赫曾德干涉仪可将双光频梳干涉信号的重频提高2ⁿ倍。

各阶马赫曾德干涉仪同时接入信号光频梳光源和本振光频梳光源的输出端，或者，只接入其中一个光频梳光源的输出端；可选地，每一阶马赫曾德干涉仪的干涉臂数目可大于2。

还包括：在使用马赫曾德干涉仪获得多脉冲模式的两台光频梳之后，将两台光频梳的输出合束，经过待测样品和参考光路，通过光电探测器对待测样品的光学频率响应进行探测，去除光源背景光谱影响后获得物质的吸收光谱信息。

还包括：将信号光频梳和本振光频梳在合光之前分别分出一部分进行探测，获得重频信号，再分别通过锁相环溯源到射频基准上。

还包括：采用两台波长不同但都位于双光频梳重叠光谱范围内的连续激光器，所述连续激光器分别和双光频梳的与自己邻近的纵模做拍，再对拍信号进行混频，获得双光频梳独立纵模之间的拍频，分别提取出双光频梳干涉信号中两根纵模作为误差信号，获得两台光频梳在连续激光器频率处的相对频率噪声；通过数字误差校正，消除相对频率噪声对双光频梳干涉信号产生的畸变干扰。

对实时采集的干涉信号进行如下处理：将实时采集的干涉信号帧进行傅里叶变换，获得相频谱，与参考干涉信号帧的相频谱做差后进行多项式拟合，代表马赫曾德干涉仪引入的重频倍频误差；将实时干涉信号频谱移除拟合得到的相频响应后，反傅里叶变换回时域，得到校正后的干涉信号帧。

本发明的第二方面提供一种实现双光频梳系统重频倍频的系统，包括光频梳光源模块、重频倍频与外差干涉模块以及信号采集与数据处理模块；所述光频梳光源模块包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源；所述重频倍频与外差干涉模块在信号光频梳光源和本振光频梳光源的输出端接入级联的马赫曾德干涉仪，经双光频梳外差干涉之后获得多脉冲干涉信号，实现干涉信号帧数的指数倍增；所述信号采集与数据处理模块对干涉信号进行实时采集，并将其与参考值进行比较，获得各个干涉峰的出现时间和色散啁啾信息，通过信号后处理算法消除级联马赫曾德干涉仪引入的误差，恢复干涉信号的周期性，实现相位稳定的重频倍频。

在本发明的一些实施例中，将n阶级联的马赫曾德干涉仪插入两台光频梳的输出端，由于双光频梳异步光采样原理，单位时间内的干涉峰数目会增加2ⁿ倍。n阶马赫曾德干涉仪可将双光频梳干涉信号的重频提高2ⁿ倍。对于马赫曾德干涉仪引入的长度偏差和色散啁啾，通过实时采集信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号，对采集的干涉信号截取出干涉峰，将其与任意选定的参考干涉峰进行比较，计算获得马赫曾德干涉仪产生的静态时间偏移和啁啾，通过数字后处理算法补偿这一不理想的相频传递函数，最终获得相位稳定的重频倍频双光频梳光谱系统。

校正后的双光频梳干涉信号恢复了完全的相位稳定性，可进行逐帧的时域相干平均，在相同时间内相比倍频之前帧数增加2ⁿ倍，平均后可获得更高信噪比的干涉信号。最终实现的双光频梳光谱系统刷新速率提高2ⁿ倍，可用于快速时间分辨光谱测量。

在一些实施例中，各阶马赫曾德干涉仪可同时插入两台光频梳的输出端，也可以只插入其中一个光频梳的输出端，各阶之间的前后次序可任意调节。每一阶马赫曾德干涉仪的干涉臂数目可大于2，各阶干涉臂的数目相乘，能够实现任意整数倍的重频倍频。

在一些实施例中，马赫曾德干涉仪通过1×2和2×2光纤耦合器连接而成，同样也可通过光纤环形器、空间光路、片上光波导等形式实现。在马赫曾德干涉仪的干涉臂上可加入光开关，灵活调节双光频梳系统的重频倍频系数。

在一些实施例中，在使用马赫曾德干涉仪获得多脉冲模式的两台光频梳之后，将两台光频梳的输出合束，经过待测样品和参考光路，使用光电探测器对样品的光学频率响应进行探测，去除光源背景光谱影响后获得物质的吸收光谱信息。

在一些实施例中，两台光频梳光源的输出光分别分出一小部分打在光电探测器上，获得重频信号。通过锁相环将其锁定到射频信号发生器上，从而实现光频梳种子源的重复频率溯源和灵活调谐。锁相环无需高的带宽和锁定精度，只需要保证双光频梳的干涉信号频谱能够无混叠的落在采样定理限制的奈奎斯特频率范围即可。

在一些实施例中，采用数字误差校正方法消除双光频梳之间的相对频率噪声。引入两台自由运行的连续激光器作为光学媒介，每一台连续激光器与两台光频梳的做拍后相互混频，可获得两台光频梳在连续激光器频率处的相对频率噪声。通过数字误差校正，可消除相对频率噪声对双光频梳干涉信号产生的畸变干扰。

在一些实施例中，马赫曾德干涉仪引入的时间延时并不需要特别的精密长度控制，因为残余的光程误差只是会引起时间的静态偏移，可以通过信号后处理算法进行消除。此外，光纤引入的啁啾也无需进行色散补偿，同样可以通过算法进行校正。通过对所述两台光频梳合光产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号逐帧截取出干涉峰，获得实时干涉信号帧，将其与参考信号帧比对，获得马赫曾德干涉仪引入的静态时间偏移和附加啁啾。

在一些实施例中，将实时干涉信号帧进行傅里叶变换，获得相频谱，与参考干涉信号帧的相频谱做差后进行多项式拟合，代表马赫曾德干涉仪引入的重频倍频误差。将实时干涉信号频谱移除拟合得到的相频响应后，反傅里叶变换回时域，即可得到校正后的干涉信号帧，消除静态时间偏移和附加啁啾的影响。

在一些实施例中，在两台光频梳光源的输出端接入级联的保偏光纤马赫曾德干涉仪，调节光频梳光源的偏振态，使其与保偏光纤光轴方向一致，提高光的耦合效率。单个马赫曾德干涉仪通过两个光纤耦合器实现，光频梳通过1×2光纤耦合器之后分成两束，经过不同的传播距离后再次通过耦合器合束。连续通过2×2的耦合器之后即可实现马赫曾德干涉仪的级联。

两台光频梳经过马赫曾德干涉仪之后的光通过2×2耦合器合束，分别经过待测样品和无样品的参考光路，最终获得重频倍频的双光频梳干涉信号。当马赫曾德干涉仪的级联阶数为n时，干涉信号的重复频率值从最初的双光频梳的重频差提高2ⁿ倍。

在一些实施例中，为了消除双光频梳相对频率噪声对干涉信号产生的畸变，引入两台自由运行的连续激光器作为光学媒介，分别提取出两台光频梳在不同频率位置的相对纵模拍频信号，希尔伯特变换求取瞬时频率和相位后获得对应干涉信号两根纵模的频率f_p1、f_p2和相位抖动δf_p2(t)，计算出双光频梳干涉信号的时间抖动

以及载波包络相位抖动

对采集到的双光频梳干涉信号I₀(t)，首先消除载波包络相位抖动

再利用时域重采样或插值消除时间抖动

I₂(t)＝I₁(t-δτ₀(t))

I₂(t)即为完全校正双光频梳相对频率抖动之后恢复出的干涉信号，此时干涉信号恢复了完全的周期性，只残余激光相对强度噪声、探测器噪声、采样噪声等类型的幅值噪声干扰，可通过相干平均进行信噪比的提高。通过把连续的干涉信号I₂(t)按照双光频梳的重频差作为重复周期进行分割，每一帧的信号可表示成采用如下公式计算m次相干平均后的干涉信号

由于n阶马赫曾德干涉仪的倍频作用，相干平均后的基础帧内包含的干涉峰数量为2ⁿ，因此基础帧可再次分割为2ⁿ个子帧。由于光纤马赫曾德干涉仪产生的实际延时和理论延时之间的差异，不同的干涉信号子帧之间存在静态时间偏移。此外，干涉仪不同臂引入的光纤色散不同，产生不同的啁啾。为此，将分割出的2ⁿ个子帧进行傅里叶变换，得到它们的相频谱P_i(f)，选取其中任意一帧的相频谱P_k(f)作为参考，得到其它帧的相对相频谱δP_i(f)＝P_i(f)-P_k(f)，对δP_i(f)进行多项式拟合得到啁啾和静态时间偏移引入的相频传递函数采用如下公式进行数字的误差校正

再次相干平均后，可得到最终的干涉信号帧

傅里叶变换后将频率轴从射频域变换到光频域，即可得到双光频梳光源承载的光谱信息。通过比较测量臂和参考臂获得的光谱，即可得到物质的透射光谱和吸光度，实现宽光谱范围内物质组分、浓度、压强、温度等信息的测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种实现双光频梳光谱系统重频倍频方法及系统，在两台光频梳的输出端接入级联的马赫曾德干涉仪，双光频梳外差干涉之后获得多脉冲干涉信号，实现干涉信号帧数的指数倍增；信号采集与数据处理过程中，先对干涉信号进行实时采集，获得各个干涉峰的出现时间和色散啁啾信息，并将其与参考值进行比较，通过信号后处理算法消除级联马赫曾德干涉仪引入的误差，恢复干涉信号的周期性，实现相位稳定的重频倍频双光频梳光谱系统。本发明仅使用被动的级联马赫曾德干涉仪和信号后处理算法，无需任何主动闭环或调谐环路即可实现双光频梳系统的有效倍频，能够进行长期相干平均，提高双光频梳系统的灵敏度和测量速度，该方法可用于提高双光频梳光谱和测距应用的性能。

本发明只需使用成熟的光纤通信器件组成级联的马赫曾德干涉仪，结合信号后处理算法能够实现高紧凑度、高鲁棒性、低系统复杂度、高相位稳定性的重频倍频双光频梳光谱系统。相比于基于法布里-珀罗谐振腔的重频倍频方法具有更高的能量利用率，无需闭环反馈控制，易于实现宽光谱范围。随着马赫曾德干涉仪级联阶数的增加，双光频梳干涉信号的获取速度和灵敏度可以以指数倍得到提升，实现更快速的时间分辨光谱测量。对需要高灵敏度的静态光谱测量，能够加速相干平均过程，在相同时间下获得更高的信噪比。为提高光频梳绝对距离测量、光谱分析和精密传感系统的性能提供了一种简单有效的方案。由于马赫曾德干涉仪已经成为了成熟的集成光学组件，本方法能够应用于芯片级集成光频梳的重频倍频，为提升片上光频梳光谱系统性能奠定了基础。