CN113451869B - 一种单腔产生双光梳及多光梳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于光频梳技术领域的一种单腔产生双光梳及多光梳的方法。包括以下步骤：步骤1：对环形光纤激光器中产生锁模脉冲进行仿真，验证实现单腔模式复用双光梳的可行性；步骤2：选择模式差分群时延大的光纤，验证腔模式复用双光梳高重频差可调控的可行性；步骤3：利用环形激光器实现模式复用双光梳；步骤4：搭建模式复用双光梳及多光梳系统；本发明实现结构简单，具有固有的高相干性，重频差大且可灵活调节，弥补了现有方法诸如系统复杂、成本高昂、重频差较小、难以调节等不足。

Description

一种单腔产生双光梳及多光梳的方法
技术领域
本发明涉及光频梳技术领域，尤其涉及一种单腔产生双光梳及多光梳的方法。
背景技术
双光梳光谱技术(Dual-comb spectroscopy,DCS)[1]是一种新兴的具有超高频谱分辨率、高灵敏度及高采样率的宽带光谱测量技术。该技术通过使用两个高相干、重复频率略微不同的光频梳，可以在不需要机械扫描移动装置的情况下将光频频谱映射到射频频谱，有效地提高测量速度和精度。基于优良的时域和频域特性，双光梳光谱技术在光谱测量方面体现出传统光谱测量技术无可比拟的优势，故而在诸多应用领域，如气体吸收谱测量[1]、温室气体排放监控[2]、非线性光谱成像[3,4]等方面，都有着重要的应用。随着双光梳技术的进一步成熟，其也将在更多领域发挥不可替代的作用。
目前，国际上用来产生双光梳的方法主要有以下几种：
第一种是采用两台频率梳齿锁定的锁模激光器作为双光梳光源。2008年美国国家标准技术研究院NIST的Coddington等人通过将两台独立运转的激光器光频梳的梳齿锁定至两台稳频窄线宽激光器，使两台光频梳具有良好的相干性，实现了kHz量级分辨率的分子吸收光谱探测[5]。但是为了保证两台光频梳之间的高相干性。该方法均需要复杂的电路系统来稳定光频梳，系统成本高昂且体积过于庞大，不便于实验室外使用。
第二种是利用电光调制器产生电光双光梳(Electro-optic dual-comb)。将一台连续激光器输出的光分成两路，分别经过由射频信号控制的电光调制器后，形成两个重复频率略微不同的脉冲，之后经高非线性介质扩谱产生具有一定重频差的稳定光频梳。电光双光梳系统的重频及重频差由外加在电光调制器上的射频信号决定，因此可以很容易实现10GHz以上的重频和MHz以上的重频差，从而实现可灵活调节的快速光谱测量。另外，由于两套光频梳均由一台连续激光器产生，因此它们之间具有固有的相干性而不需要复杂的电路稳频系统。但是，由于利用电光调制器产生光频梳的梳齿数量较少，通常需要经过放大和扩谱来增加其光谱范围，增加了其系统复杂性。
第三种是利用连续激光泵浦高Q值微腔产生双光梳。微腔产生光频梳最早是由德国马普所的Kippenberg课题组报道[6]。这种光频梳基于单体的微小谐振腔，由于其材料具有三阶非线性效应，在使用连续光泵浦时会产生级联四波混频，从而产生光频梳。虽然微腔双光梳具有诸多优点，但是其也存在一些潜在的缺点。为了保证双光梳之间的高相干性，需要调整失谐量在微腔中产生稳定的腔孤子，而该过程需要微腔具有极高的Q值，而通过半导体工艺加工出如此高Q值的微腔器件本身就是一件非常困难的事情。另外，由于产生克尔光频梳的微腔器件体积十分小，克尔光频梳的梳齿间距很大，通常高达几十至几百GHz，因此限制了其光谱测量分辨率远远低于锁模激光器。而且，在微腔中产生具有高相干性的克尔腔孤子需要精密地调节连续泵浦光的失谐量，具有较大的技术挑战。
第四种是利用单个锁模激光器产生双光梳，可称为单腔双光梳(Single-cavitydual-comb)。2008年，美国亚利桑那大学的K.Kieu等人设计了一种新型的全光纤双向被动锁模的掺铒激光器，利用双向传输的脉冲经历的光纤及光纤器件先后顺序不同导致的谐振腔非对称而产生具有不同重复频率的锁模脉冲[7]。由于双向锁模脉冲所经历的光纤环境相同，因此可以有效抑制共模噪声，不需要复杂电路系统进行频率稳定也能保证了两套光频梳之间的高相干性。采用双波长同时锁模的方法也可以在一台锁模激光器中产生双光梳。2016年北京航空航天大学的郑铮教授课题组利用偏振分束器和保偏光纤引起的Lyot滤波效果在单个掺铒光纤激光器中得到了双波长锁模。由于光纤的色散效应，不同中心波长的脉冲具有不同的群速度，从而可实现单腔双光梳。对上述产生的双光梳进行扩谱，可用于氮化硅微腔谐振峰及乙炔气体吸收谱的测量[8]。另外，采用正交偏振的方法同样可以在一台锁模激光器中产生双光梳。2018年郑铮教授课题组在掺铒锁模光纤激光器中插入一段保偏光纤产生具有正交偏振的锁模脉冲，由于保偏光纤快慢轴的折射率不同而导致正交偏振锁模脉冲重频的不同，经测量该双光梳在一分钟内重频差的漂移量在mHz量级[9]。不论是双向、双波长还是正交偏振锁模，在激光器自由运转不需要复杂电路系统进行频率稳定的前提下仍然可以保证两套光频梳之间的高相干性，大大简化了系统的复杂性，具有独一无二的优势。虽然这种单腔双光梳光谱测量技术具有不需要频率锁定系统便可保证高相干性的优势，但是依然存在重频差较小且难以调节等缺点，不利于实际应用中的高速测量和多场景切换。
参考文献：
1.I.Coddington,N.Newbury,and W.Swann,"Dual-comb spectroscopy,"Optica3,414-426(2016).
2.G.B.Rieker,F.R.Giorgetta,W.C.Swann,J.Kofler,A.M.Zolot,L.C.Sinclair,E.Baumann,C.Cromer,G.Petron,and C.Sweeney,"Frequency-comb-based remotesensing of greenhouse gases over kilometer air paths,"Optica 1,290-298(2014).
3.B.Lomsadze,and S.T.Cundiff,"Frequency combs enable rapid and high-resolution multidimensional coherent spectroscopy,"Science 357,1389-1391(2017).
4.B.Lomsadze,B.C.Smith,and S.T.Cundiff,"Tri-comb spectroscopy,"NaturePhotonics12,676-680(2018).
5.I.Coddington,W.C.Swann,and N.R.Newbury,"Coherent multiheterodynespectroscopy using stabilized optical frequency combs,"Physical ReviewLetters 100,013902(2008).
6P.Del’Haye,A.Schliesser,O.Arcizet,T.Wilken,R.Holzwarth,andT.Kippenberg,"Optical frequency comb generation from a monolithicmicroresonator,"Nature 450,1214-1217(2007).
7.K.Kieu,and M.Mansuripur,"All-fiber bidirectional passively mode-locked ring laser,"Optics Letters 33,64-66(2008).
8.X.Zhao,G.Hu,B.Zhao,C.Li,Y.Pan,Y.Liu,T.Yasui,and Z.Zheng,"Picometer-resolution dual-comb spectroscopy with a free-running fiber laser,"OpticsExpress 24,21833-21845(2016).
9.X.Zhao,T.Li,Y.Liu,Q.Li,and Z.Zheng,"Polarization-multiplexed,dual-comb all-fiber mode-locked laser,"Photonics Research 6,853-857(2018).
发明内容
本发明的目的是提出一种单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：验证实现单腔模式复用双光梳的可行性；对环形光纤激光器中产生锁模脉冲进行仿真，仅考虑多模光纤中的基模LP01和第二个模式LP11，忽略更高阶的空间模式；所述环形光纤激光器包括以下器件：增益少模光纤、无源少模光纤、可饱和吸收体和耦合输出器；具体过程如下：
极弱的随机光信号进入泵浦光-信号光组合器，经过增益少模光纤后泵浦光由于受激辐射形成信号光，信号光经过隔离器保证单向传输，然后经过可饱和吸收体实现锁模，再经过耦合输出器，其中20％的光输出，80％的光再在腔中继续传播，多次循环以后形成锁模脉冲；由于少模光纤提供了模式的模间色散，不同模式在少模光纤中的传输速度不同，当选取两个模式LP01和LP11在腔中传输时，这两个模式各自实现光梳，从而实现双光梳；
步骤2：验证腔模式复用双光梳高重频差可调控的可行性；实现高重频差应选择模式差分群时延大的光纤，假定忽略不同模式在增益光纤和无源匹配光纤中的差分群时延，而考虑其在少模光纤中的走离；如果选择四模阶跃型光纤为少模光纤，其模间色散引起不同模式的模式差分群时延，另外，少模光纤的长度也会影响模式走离的程度，光纤长度越长引起的模式走离越大，导致重频差越大；当选择1m的四模阶跃型光纤时，选择不同的模式也会对应不同的模式走离；通过计算选择激发LP01、LP11、LP21、LP02中的两个模式能够实现重频差在0.2kHz～12kHz的大范围调节。
步骤3：实现模式复用双光梳；实现模式复用双光梳的激光器为环形结构，由增益少模光纤、无源少模光纤和非线性偏振旋转锁模所需的波片以及偏振分束器组成；多模980nm连续激光器提供的泵浦光通过泵浦光-信号光合束器耦合至激光腔内，增益少模光纤为双包层的掺铒光纤，空间光隔离器确保激光的单向运转；优化光纤长度、光纤熔接点和偏振态，由四分之一波片、二分之一波片以及偏振分束器组合形成等效可饱和吸收体协助锁模，耦合输出激光，并在腔内稳定传输形成锁模脉冲。
步骤4：搭建模式复用双光梳及多光梳系统；980nm的多模泵浦光出射后经过第一透镜准直成为平行光，入射到二向色镜透射后，经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射再经过第二透镜聚焦进入铒镱共掺的增益光纤，增益光纤与两模光纤之间熔接时纤芯中心有偏移；两个四分之一波片、一个二分之一波片和偏振分束器构成非线性偏振旋转锁模，从两模光纤出射的光经第三透镜准直成平行光，经过非线性偏振旋转锁模，再经过第三平面反射镜和第四平面反射镜反射后重新入射到二向色镜，经二向色镜反射形成谐振腔；最后调节各类光纤长度、优化光纤熔接点以及旋转波片到适当位置来产生空间模式复用的双光梳，通过选择性地控制多个模式的损耗或增益，实现模式复用多光梳。
所述步骤1中的基模LP01和第二个模式LP11传输的平均电场包络满足耦合金兹伯格-朗道方程：
Figure BDA0003139059470000041
其中，i是虚数单位，s1、s2为群速度倒数差，z是传输距离，t代表以基模脉冲的群速度移动的坐标系中的时间，q1、q2分别是LP01、LP11脉冲的慢变包络复振幅，D代表两个模式归一化群速度色散，正值代表反常色散，负值代表正常色散，γ11、γ12、γ22代表两个模式的自相位调制和交叉相位调制的非线性折射率系数，C是两个模式之间能量交换的线性耦合系数，β为有限增益带宽，δ1、δ2是由光纤弯曲、熔接、耦合输引入的损耗；ε1、ε2代表腔内的非线性增益，为正值，μ1、μ2代表非线性增益饱和项，也为正值。
所述步骤2中LP01和LP11模式的重频表示为：
Figure BDA0003139059470000051
Figure BDA0003139059470000052
其中，nLP01、nLP11分别为LP01和LP11两种模式的折射率，L为腔长，c为光速；
重频差为：
Figure BDA0003139059470000053
所述步骤3中优化光纤熔接点的过程中模式之间的激发系数计算如下：
Figure BDA0003139059470000054
其中，Fj(x,y)表示入射模式的模场分布，Fk(x',y')表示激发的模场分布，fjk为激发系数；对芯熔接情况下，两光纤对齐，(x,y)和(x',y')相同；离心熔接情况下，(x,y)和(x',y')相差一个常数。
本发明的有益效果在于：
本发明单腔产生双光梳及多光梳的方法，实现结构简单，具有固有的高相干性，重频差大且可灵活调节，弥补了现有方法诸如系统复杂、成本高昂、重频差较小、难以调节等不足。
附图说明
图1为本发明总的技术方案图；
图2(a)为单模光纤锁模激光器；(b)为多模光纤锁模激光器中耗散孤子的定性比较图；
图3为少模光纤激光器仿真模型；
图4为模式复用单腔双光梳仿真结果图；其中(a)为脉冲随传播距离的演化图，(b)为模式1脉冲在z＝100处的时域形状和啁啾；(c)为模式1脉冲在z＝100处的光谱形状；(d)为模式2脉冲在z＝100处的时域形状和啁啾；(e)为模式2脉冲在z＝100处的光谱形状；
图5为少模光纤激光器示意图；
图6为单腔模式复用双光梳激光器系统图。
具体实施方式
本发明提出一种单腔产生双光梳及多光梳的方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
几种产生双光梳的方法对比如表1所示。基于双向、双波长以及正交偏振的双光梳通常都是基于单模光纤锁模激光器产生，这种单腔双光梳光谱测量技术具有不需要频率锁定系统便可保证高相干性的优势，然而依然存在重频差较小且难以调节等缺点，不利于实际应用中的高速测量和多场景切换。因此，为实现较大重频差、重频差灵活调谐且稳定性好的双光梳光源，我们提出模式复用双光梳方案以弥补现有方法的不足。
表1.几种产生双光梳的方法对比
Figure BDA0003139059470000061
本发明提出单腔空间模式复用双光梳及多光梳技术，具有结构简单、高相干性、重频差大且可调的优势。图1为本发明提出的方法的技术方案，实现模式复用双光梳和多光梳技术可以分为以下几步：
1、单腔模式复用双光梳的实现可行性
如图2所示，单模光纤锁模激光器在色散和非线性效应、增益和损耗达到平衡时形成稳定的单模式耗散孤子。但是在多模光纤激光器中存在多空间模式，不同空间模式的锁模脉冲除了存在模式内的自相位调制效应之外还存在模式间的交叉相位调制效应，除了模内色散之外还存在模间色散，同时受到系统的增益和损耗的作用。多模光纤锁模激光器中复杂的非线性效应和色散效应，众多纵模和横模间的相互作用和竞争，将导致多模式耗散的形成和相互作用是一个非常复杂的过程。故先通过仿真研究，证明模式复用双光梳是可以实现的。
以光纤激光器中锁模脉冲的产生为例进行仿真，仿真模型如图3所示。该环形光纤激光器主要包括以下器件：增益少模光纤、无源少模光纤、可饱和吸收体和耦合输出器。简单起见，只考虑少模光纤中的基模LP01和第二个模式LP11，忽略更高阶的空间模式。
腔内两个模式传输的平均电场包络满足耦合金兹伯格-朗道方程(CoupledGinzburg-Landau equations,CGLEs)：
Figure BDA0003139059470000071
在以上方程中，z是传输距离，t代表以基模脉冲的群速度移动的坐标系中的时间，qj是两个模式脉冲的慢变包络复振幅。D代表两个模式归一化群速度色散，正值代表反常色散；负值代表正常色散。γij代表两个模式的自相位调制和交叉相位调制的非线性折射率系数，与其空间模式重叠积分有关。C是两个模式之间能量交换的线性耦合系数，来源于多模光纤折射率的扰动以及光纤弯曲。β为有限增益带宽。δj是由光纤弯曲、熔接、耦合输出等引入的损耗。εj和μj代表腔内的非线性增益和非线性增益饱和项，两项均为正值。
仿真的多模激光器模型如图3所示，模拟过程从一个极弱的随机光信号开始，进入光组合器，经过增益光纤后泵浦光由于受激辐射形成信号光，信号光再经过隔离器保证单向传输，可饱和吸收体保证锁模的实现，信号光在腔内多次循环以后形成锁模脉冲。由于少模光纤提供了模式的模间色散，导致不同模式在少模光纤中的传输速度不同，当选取两个模式LP01和LP11在腔中传输时，这两个模式可以各自实现光梳(时域上是一系列的脉冲串，光谱上是光频梳)，从而实现双光梳。
通过合理设置仿真参数可以得到脉冲走离的双孤子锁模。设置的仿真参数如下：D＝1，(s1,s2)＝(-1,1)，(γ11,γ22,γ12)＝(1,1/1.5,1.6)，(δ1,δ2)＝(0.1,0.12)，(ε1,ε2)＝(0.3,0.26)，(μ1,μ2)＝(0.02,0.019)，β＝0.08，C＝0.1。仿真结果如图所示。图4(a)所示为双孤子随传播距离的演化过程。两个孤子分别代表多模光纤中的基阶模式和高阶模式，由于两个模式具有不同的传播常数，因此两个脉冲之间的间距随传播距离的增加而线性增大。图4(b)和4(d)分别为两个脉冲在z＝100处的时域图以及啁啾，图4(c)和图4(e)分别为两个脉冲在z＝100的光谱图(黑色曲线为线性坐标，红色曲线为对数坐标)，从图中可以看出两个脉冲具有相近的时域形状、峰值功率、脉冲宽度和啁啾，光谱形状也非常相似。
仿真结果证明，在合适的参数下实现了模式复用单腔双光梳是可行的，这为实验提供了理论依据。
2、腔模式复用双光梳高重频差可调控的可行性
双光梳的重频差即两套单光梳的重频之间做差的结果，对应到时域上就是两模式脉冲序列重复的时间的间隔。在环形激光腔中脉冲的重频可以表示为：
Figure BDA0003139059470000081
其中，n为折射率，L为腔长，c为光速。因为模式的不同，不同模式感受到的折射率不同，进而导致脉冲的重复频率不一样(以LP01和LP11模式为例)：
Figure BDA0003139059470000082
重频差为：
Figure BDA0003139059470000083
又因为，
Δn＝c×Δβ' (5)
其中Δβ'为两个模式的差分群时延，c为光速。如果已知两个模式的差分群时延，则可以求得两个模式的折射率差，进而带入上面的式子，就可以得到重频差。要实现高重频差，应选择模式折射率差较大的光纤。其对应到光纤的参数为差分群时延，即应选择模式差分群时延大的光纤。假定不同模式在增益光纤和无源匹配光纤中的差分群时延可以忽略，而主要考虑其在少模光纤中的走离。如果选长飞四模阶跃型光纤为少模光纤，其模间色散引起不同模式的模式差分群时延如下表：
Figure BDA0003139059470000084
Figure BDA0003139059470000091
另外，少模光纤的长度也会影响模式走离的程度，光纤长度越长引起的模式走离越大，导致的重频差越大。当选择1m的四模阶跃型光纤时，选择不同的模式也会对应不同的模式走离。通过计算可知，选择激发LP01、LP11、LP21、LP02中的两个模式可以实现重频差在0.2-12kHz的大范围调节。
3、模式复用双光梳的实现
图5是模式复用单腔双光梳系统。激光器为环形结构，由增益少模光纤(GainFiber，Nufern MM-EYDF-10/125-XP)、少模无源光纤(长飞两模/四模光纤)和非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation,NPR)锁模所需的波片以及偏振分束器组成。泵浦光由多模980nm连续激光器提供，通过耦合器耦合至激光腔内。增益光纤为双包层的掺铒光纤，空间光隔离器确保激光的单向运转。四分之一波片、二分之一波片以及偏振分束器组合形成等效可饱和吸收体协助锁模，并耦合输出激光。由于腔内所有光纤均为少模光纤，因此可同时激发出不同空间模式的光，并在腔内稳定传输形成锁模脉冲。要对腔进行优化的参数有：
各类光纤长度：
增益光纤的长度影响整个腔的增益，短的增益光纤不足以提供足够的增益，长的增益光纤又容易引起增益饱和。少模光纤的长度影响模间色散的大小，影响模式之间的走离。短的少模光纤提供的模间色散小导致重频会小，达不到产生高重频双光梳的效果；长的少模光纤提供大的模间色散，虽然可以引起高重频，但会影响锁模时色散和非线性的平衡，容易锁不上模。实际的系统中选择固定增益光纤、无源匹配光纤和四模阶跃型光纤的长度分别为1.5m、1m和1m。通过计算可知，选择激发LP01、LP11、LP21、LP02中的两个模式可以实现重频差在0.2-12kHz的大范围调节。
优化光纤熔接点：
光纤和光纤之间的熔接会影响模式的线性耦合，不同的熔接状态会引起不同的模式分布可通过下面的式子计算模式之间的耦合系数：
Figure BDA0003139059470000092
其中，Fj(x,y)表示入射模式的模场分布，Fk(x',y')表示激发的模场分布，fjk为激发系数。对芯熔接情况下，两光纤对齐，(x,y)和(x',y')相同；离心熔接情况下，(x,y)和(x',y')相差一个常数。熔接的参数不同，激发起的模式分布会不同，会影响后续的锁模，所以选择合适的熔接参数是很重要的。根据相关计算，我们实际中选择增益光纤和四模阶跃型光纤直接对芯熔接，激发光纤中的四个模式。
偏振态调节：
光偏振的变化会影响锁模，所以在实际产生模式复用双光梳时需要加入偏振调节器件，调节腔中光的偏振态。实际中加入两个偏振控制器分别放在增益光纤后和多模光纤后，对腔内的光偏振进行调节。
另外，还可以搭建如图6所示的模式复用双光梳系统。980nm的多模泵浦光出射后经过透镜1(L1，Thorlabs AC080-010-C-ML)准直成为平行光，入射到二向色镜(SPDM，Thorlabs SPD1000，透射波长980nm的光，反射波长1550nm的)透射后，经过透镜2(L2,Thorlabs AC080-010-C-ML)聚焦进入铒镱共掺的增益光纤(Gain Fiber，Nufern MM-EYDF-10/125-XP)。增益光纤与两模光纤(TMF，长飞少模光纤FMGI-2)之间熔接时纤芯中心有偏移，两个四分之一波片(QWP)、一个二分之一波片(HWP)和偏振分束器(PBS)构成非线性偏振旋转(NPR)锁模。从两模光纤出射的光经透镜3(L3,Thorlabs AC080-010-C-ML)准直成平行光，经过NPR锁模和平面镜反射后重新入射到二向色镜，经二向色镜反射形成谐振腔。通过使用和上面相同的方法，恰当地调节各类光纤长度、优化光纤熔接点、旋转波片到适当位置等方法产生空间模式复用的双光梳。
激光腔输出双光梳，通过光谱仪检测光谱、经光电探测器收集信号至示波器观测，同时还可用射频仪进行观测。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：验证实现单腔模式复用双光梳的可行性；对环形光纤激光器中产生锁模脉冲进行仿真，仅考虑多模光纤中的基模LP01和第二个模式LP11，忽略更高阶的空间模式；所述环形光纤激光器包括以下器件：增益少模光纤、无源少模光纤、可饱和吸收体和耦合输出器；具体过程如下：
极弱的随机光信号进入泵浦光-信号光组合器，经过增益少模光纤后泵浦光由于受激辐射形成信号光，信号光经过隔离器保证单向传输，然后经过可饱和吸收体实现锁模，再经过耦合输出器，其中20％的光输出，80％的光在腔中继续传播，多次循环以后形成锁模脉冲；由于少模光纤提供了模式的模间色散，不同模式在少模光纤中的传输速度不同，当选取两个模式LP01和LP11在腔中传输时，这两个模式各自实现光梳，从而实现双光梳；
步骤2：验证腔模式复用双光梳高重频差可调控的可行性；实现高重频差应选择模式差分群时延大的光纤，假定忽略不同模式在增益光纤和无源匹配光纤中的差分群时延，而考虑其在少模光纤中的走离；如果选择四模阶跃型光纤为少模光纤，其模间色散引起不同模式的模式差分群时延，另外，少模光纤的长度也会影响模式走离的程度，光纤长度越长引起的模式走离越大，导致重频差越大；当选择1m的四模阶跃型光纤时，选择不同的模式也会对应不同的模式走离；
步骤3：实现模式复用双光梳；实现模式复用双光梳的激光器为环形结构，由增益少模光纤、无源少模光纤和非线性偏振旋转锁模所需的波片以及偏振分束器组成；多模980nm连续激光器提供的泵浦光通过泵浦光-信号光合束器耦合至激光腔内，增益少模光纤为双包层的掺铒光纤，空间光隔离器确保激光的单向运转；优化光纤长度、光纤熔接点和偏振态，由四分之一波片、二分之一波片以及偏振分束器组合形成等效可饱和吸收体协助锁模，耦合输出激光，并在腔内稳定传输形成锁模脉冲；
步骤4：搭建模式复用双光梳及多光梳系统；980nm的多模泵浦光出射后经过第一透镜准直成为平行光，入射到二向色镜透射后，经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射再经过第二透镜聚焦进入铒镱共掺的增益光纤，增益光纤与两模光纤之间熔接时纤芯中心有偏移；两个四分之一波片、一个二分之一波片和偏振分束器构成非线性偏振旋转锁模，从两模光纤出射的光经第三透镜准直成平行光，经过非线性偏振旋转锁模，再经过第三平面反射镜和第四平面反射镜反射后重新入射到二向色镜，经二向色镜反射形成谐振腔；最后调节各类光纤长度、优化光纤熔接点以及旋转波片到适当位置来产生空间模式复用的双光梳，通过选择性地控制多个模式的损耗或增益，实现模式复用多光梳。
2.根据权利要求1所述的单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，所述步骤1中的基模LP01和第二个模式LP11传输的平均电场包络满足耦合金兹伯格-朗道方程：
Figure FDA0003500842620000021
其中，i是虚数单位，s1、s2为群速度倒数差，z是传输距离，t代表以基模脉冲的群速度移动的坐标系中的时间，q1、q2分别是LP01、LP11脉冲的慢变包络复振幅，D代表两个模式归一化群速度色散，正值代表反常色散，负值代表正常色散，γ11、γ12、γ22代表两个模式的自相位调制和交叉相位调制的非线性折射率系数，C是两个模式之间能量交换的线性耦合系数，β为有限增益带宽，δ1、δ2是由光纤弯曲、熔接、耦合输引入的损耗；ε1、ε2代表腔内的非线性增益，为正值，μ1、μ2代表非线性增益饱和项，也为正值。
3.根据权利要求1所述的单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，所述步骤2中LP01和LP11模式的重频表示为：
Figure FDA0003500842620000022
Figure FDA0003500842620000023
其中，nLP01、nLP11分别为LP01和LP11两种模式的折射率，L为腔长，c为光速；
重频差为：
Figure FDA0003500842620000024
4.根据权利要求1所述的单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，所述步骤3中优化光纤熔接点的过程中模式之间的激发系数计算如下：
Figure FDA0003500842620000031
其中，Fj(x,y)表示入射模式的模场分布，Fk(x',y')表示激发的模场分布，fjk为激发系数；对芯熔接情况下，两光纤对齐，(x,y)和(x',y')相同；离心熔接情况下，(x,y)和(x',y')相差一个常数。
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