超低相噪全固态光学频率梳连续激光频率锁定研究获进展,物理所国际合作实现中红外波段高平均功率近周期飞秒激光脉冲

自本世纪初飞秒光学频率梳(光频梳)问世并获得2005年诺贝尔物理学奖以来,其发展不仅日新月异,而且应用也层出不穷,从光频标、精密光谱学、阿秒科学、基本物理常数等基础研究拓展到了绝对距离测量、地外行星探测、微波光子学等高技术领域,特别是近年来在空间高精度频标、空地高精度时频传递等重大需求中也呈现出越来越广泛而重要的应用潜力。在光频梳研究中,一个重要的问题是对载波包络相移频率fceo的精确锁定,其不仅决定着整个频率梳的初始频率漂移,而且在飞秒激光与物质相互作用研究中也影响着所能得到的作用效果与物理效应,因此如何精密控制并锁定fceo以获得极低相噪的结果,是光频梳与超快激光研究中极具挑战性的工作之一,也是光频梳所能达到水平的重要标志。  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室L07组多年来一直致力于低相噪高稳定光学频率梳技术及频率锁定的研究,曾提出整形光谱自差频测量fceo的技术,证明了一种获得高信噪比fceo的方案,并结合电子锁相环反馈控制技术实现了相位漂移低至55mrad的超低相噪钛宝石光频梳。近年来,一种新的fceo反馈技术——前置反馈锁定技术,由于可直接补偿抵消fceo漂移,因此受到人们的广泛关注。所谓前置反馈锁定技术,是在输出激光中插入一个声光调制移频器(Acousto-optic
Frequency Shifter,
AOFS),通过将测到的fceo频率直接调制到声光晶体上,从而在其一级衍射光中得到频率被量身修正的输出激光。相比传统的电子锁相环反馈技术,前置反馈锁定没有比例积分滤波(PID)环节,相当于具有很宽的带宽,因此可以瞬时响应误差信号,从而很好地抑制高频相噪,理论上具有极低的噪声。最重要的一点,AOFS是直接插入在输出激光中,对激光器系统没有任何影响,这就大大增加了该技术的实用性。最近,该组的副研究员韩海年、博士研究生张子越和研究员魏志义等人在多年努力的基础上,首次实现了全固态克尔透镜锁模Yb:CYA激光fceo的前置反馈锁定,从而实现了一种超低相噪的全固态新型光学频率梳。图1所示为实验装置及结果,实验中他们研制的全固态克尔透镜锁模Yb:CYA激光的输出功率为200mW、脉宽为57fs、重复频率为84MHz,通过在AOFS的零级和一级衍射光后各搭建一套f-2f干涉装置作为内环和外环,并将内环测到的fceo信号直接反馈到AOFS以控制fceo的漂移、外环测到的fceo信号用于分析锁定结果。得益于AOFS前置反馈锁定控制带宽的大幅度提升,最后测得该光频梳的fceo积分相位噪声(1Hz-1MHz)低达79.3mrad,相对采用传统锁相环泵浦反馈方式的316mrad结果,相位噪声降低了70%,这也是迄今基于全固态激光在1um波段得到的最低fceo相噪。此外通过对1Hz以下相位噪声功率谱密度和长时间频率不稳定度的分析,表明他们发展的该项技术在高频相噪抑制方面更具优势。该项工作结果以Ultra-low-noise
carrier-envelope phase stabilization of a Kerr-lens mode-locked Yb:CYA
laser frequency comb with a feed-forward method
为题目发表在最新一期的《光学快报》上(Optics Letters
Vol.44(22),2019)。  如何实现光频梳和连续激光之间的相干连接,是光频梳和光频测量比对研究中另一个具有重要意义和挑战性的研究内容。将锁定到超稳激光的光频梳再与任何一个连续激光相干连接,超稳激光的频率稳定度可准确地传递到这个连续激光,这样就成为一个完美的光学频率综合器,可在微波至光频波段提供任意的低相噪高稳定频率源。AOFS前置反馈锁定技术同样可以用于连续激光和光频梳之间的相干连接,基于该项专利发明(专利号:ZL
201811074118.3),韩海年、博士研究生邵晓东和研究员魏志义等人也进一步实现了频率稳定性的相干传递。实验中首先将一台1064
nm连续激光器和光频梳进行拍频,然后将得到的拍频信号与本振信号混频后驱动AOFS以实现前置反馈,这样经过AOFS后的一级衍射光就被锁定到了光频梳上(图2左),这台光频梳是锁定在一台超稳972nm连续光源上。锁定前,1064nm连续激光器每小时的频率漂移约几十kHz,锁定后测量得到10000
s积分时间下一级衍射光的频率漂移偏差仅为4.1
mHz,对应的频率稳定性为1.5×10-17/s(图2右),噪声被极大压制,长期稳定性也得到了极大提高,很好地实现了光频梳和连续激光之间的相干连接。主要结果最近以Precision
locking CW laser to ultrastable optical frequency comb by feed-forward
method 为题目发表在AIP Advances
9(11)2019上。  以上研究获得中科院先导专项(XDA1502040404,
XDB21010400)及国家自然科学基金项目 (91850209, 11434016,
61575219)的支持。

精密计量是现代科学技术发展的重要基础,高精度的时间频率标准不仅是物理学的前沿研究内容之一,也是目前最精确的计量单位。光学频率梳作为链接微波频率标准与光学频率标准的核心技术,自1999年发明以来,极大地推动了精密计量科学的革命性进展。作为“超快”与“超稳”特性的结合,飞秒光学频率梳融“超宽的光谱”与“超稳的光频”于一身,经历近二十年的发展,已从需要在特殊实验室精心呵护的“婴儿”,成长为可在众多领域尽显身手的“超人”,为光学原子钟、时频计量、空间远距离精密测距、地外天体探测、超分辨光谱学、阿秒脉冲产生等前沿方向的开拓与研究提供了强有力的工具。随着目前光钟的稳定度达到10-18量级,作为计时和传递比对的光梳稳定度也同样要求优于10-18,并且相噪线宽小于1Hz,因此发展高稳定度的光梳,是实现高精度光钟的重要保证。掺镱光纤激光器由于具有效率高、光谱宽、结构紧凑、运行稳定等优良特性,近年来已成为飞秒光梳研究及产品化的主流方案之一。

扩展激光波长范围是光谱学的重要内容之一,得益于超快光学的快速发展,目前人们已产生了振荡频率覆盖从太赫兹、红外、可见、极紫外乃至X射线的相干辐射,极大地推进了光科学挑战极限的能力。特别是近年来在阿秒脉冲激光、光学频率梳、超强物理等研究中,红外飞秒激光作为取得新突破的基础和关键,引起了人们越来越广泛的重视。实际上,中红外相干光源在自然科学与生命科学均有着广泛的应用,如国家安全、环境检测、医学诊断、分子振动动力学的时域相干控制等。目前中红外激光大多都是基于近红外超快激光驱动的光参量下转换技术而实现的,由于该技术所用非线性介质的吸收波长限制,特别是近红外泵浦激光有限的可输出功率及低的重复频率,迄今人们所能得到的中红外激光不仅鲜有长于5μm的波长,而且平均功率也仅数毫瓦,高功率的中红外激光仅能从大型同步辐射光源产生。

由于光梳融合了超快激光及时频计量两个领域的共同前沿内容,中国科学院物理研究所计量测试高技术联合实验室早在2001年就开展了光梳的研究,在中科院及基金委、科技部有关项目的支持下,他们以自己研制的飞秒钛宝石激光为基础,先后研制成功基于f-2f结构及0-f结构的光梳,其中后者通过技术上的创新,得到了主要指标优于其他光梳公开报道的结果。最近该联合实验室暨L07组通过进一步将掺镱飞秒光纤光梳的重复频率frep及载波包络相移频率fceo分别锁定到超稳激光参考源,测得了秒稳为2×10-18/s的频率稳定性结果,相比锁定至射频源的传统方案,频率稳定度提高了5~6个数量级。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室研究员魏志义领导的L07组一直致力于超快激光的研究,并于2011年建成当时国际上最高峰值功率的台面飞秒PW激光装置,2012年首次在国内实现阿秒激光脉冲,2013年与陈小龙研究组合作首次用SiC晶体获得4μm波长的飞秒激光。然而这些激光前沿结果都是基于钛宝石激光系统而实现的,不仅造价昂贵,运行复杂,而且重复频率低,对应平均功率极其有限,为此他们近年来系统开展了二极管激光直接泵浦的全固态飞秒激光研究。在魏志义的指导下,该组的博士研究生张金伟等人于2013年首次实现了全固态Yb:YGG激光的克尔透镜锁模运转,得到了重复频率160MHz、脉宽88fs的近红外激光输出(Opt
Express
, Vol.21, 29867
-29873)。此后又在基金委重大国际合作项目的支持下,通过与德国马普量子光学研究所合作,利用二极管激光泵浦的薄片Yb:YAG激光成功实现了重复频率从100MHz到260MHz、平均功率从75W到90W的飞秒克尔透镜锁模,成为国际上该类研究获得的最高重复频率(Optics
Letters
, Vol.40, 1627- 1630)。

为了开展该项研究,首先他们利用Pound-Drever-Hall技术将一台波长为972
nm的连续波半导体激光器锁定至精细度大于20万的超稳F-P腔上,通过不断优化实验,实现了锁定时长超过一个月的窄线宽超稳运行。与此同时,他们在将飞秒掺镱光纤激光放大并展宽光谱到大于一个倍频程的基础上,采用标准的f-2f自参考技术拍频得到了信噪比为40
dB(300
kHz分辨率)的fceo信号,并结合锁相环技术成功将该fceo信号锁定至20
MHz的射频参考源,在1
秒的门时间下,其阿伦方差为1.2×10-17。最后通过将掺镱飞秒光纤光梳超连续谱中的972nm光谱成分与超稳半导体激光的972
nm连续波长相干外差拍频,并利用PLL技术将得到的拍频信号
fbeat锁定,在3小时的连续运行时间内测得锁定后的fbeat频率偏移量的均方根值为575
μHz,对应环内频率不稳定度为2×10-18/\(\sqrt{τ}\)。综合已有文献报道,该结果是迄今掺镱光纤光梳所得到的最高频率稳定性结果,相关结果发表在《光学快报》(Optics
Express,
2428993上。

最近,该研究组的张金伟、魏志义进一步与德国及西班牙等国的科学家合作,利用上述100MHz重复频率的高平均功率薄片飞秒Yb:YAG激光作为驱动激光、LGS作为非线性差频晶体,成功产生了平均功率0.1W、脉冲宽度66fs、波长覆盖6.8-16.4μm波段的中红外飞秒激光,第一次从该波段得到了高平均功率、高重复频率的相干辐射。图1为实验光路图,由薄片Yb:YAG锁模激光输出的1030nm近红外高功率飞秒压缩脉冲经光楔分光后,作为主光束的透射光经斩波器入射到LGS晶体产生中红外差频激光,表面反射的小部分光作为探针光。采用5mm厚的Ge滤光片将经离轴抛物镜反射准直的中红外激光与经延时线的近红外激光合束后,进行脉宽及其他参数的诊断测量,该滤光片对中红外激光透射,而对1030nm的近红外激光全反。图1中a为近红外激光的空间分布图,b为中红外激光的空间分布与功率测量示意图,c为电光取样测量系统。通过探测中红外激光电场调制30μm厚GaSe晶体的双折射引起的偏振态变化与探针光之间的延时关系并结合斩波器锁相放大系统,他们得到该激光的脉宽及光谱相位信息如图2所示,其中a为测量及反演后的中红外激光振荡电场分布,b为傅里叶变换EOS信号后的功率谱密度,c为光谱相位。对应11.5μm的载波波长,其脉冲振荡不到1.7个光周期,结合其重复频率及测量到的平均功率,所对应的亮度达4.9×1019光子数/(每秒·平方毫米·立方弧度·0.1%带宽)。该结果不仅比目前这一波段最新光学频率梳的单个梳齿平均功率高2-3个量级,而且在11.5
μm波长处的亮度比第三代同步辐射这样的大型装置高出数个量级,对于未来光学频率梳、THz技术、中红外光谱学、非线性显微成像及超快科学等研究的发展,具有积极的意义。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章