近日,中国科学院国家授时中心研究员张首刚、姜海峰带领的飞秒光梳及其应用研究小组研制出混合型锁模光梳系统,该系统较好解决掺铒光纤飞秒光梳系统高可靠性与高性能之间的矛盾问题,主要技术指标接近国际最高水平。

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。

中国科学院国家授时中心飞秒光梳及其应用研究小组在掺铒光纤飞秒光梳频率控制技术研究方面取得新进展,利用单一控制手段实现了宽带大范围频率控制。该技术在保障光梳高性能的同时,可以简化结构设计,增加光梳的可靠性。

掺铒光梳系统的核心是频率高精度控制的飞秒激光器,该研究小组将具有最好的噪声性能的“非线性旋转锁模”技术和有很高的可靠性的“非线性放大环形镜锁模”技术相结合,自主地研制了混合型光梳系统,该系统可靠性高、锁模裕度大、幅度和频率噪声低,功率动态范围远大于其它低噪声光梳系统,频率控制稳定度进入E-18/s量级,相关实验结果以Robustoptical-frequency-combbasedonthehybridmode-lockedEr:fiberfemtosecondlaser为题发表在《光学快讯》上。

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。

该研究小组应用自主设计的电光晶体控制激光偏振态,借助于整个光学腔的双折射效应,实现大范围光梳频率控制。此项技术,可以在宽带频率控制条件下,实现比其他技术至少高出一个数量级的频率控制范围,有效地解决了单一手段下不能同时实现高带宽和大范围的飞秒光梳频率控制问题。

高可靠高性能的光梳系统可有效支撑多种应用,包括光钟的研制和应用、超稳光生微波源、超精密光谱、精密测距和空间高精度时间频率传递等。该工作受到国家自然科学基金、中科院科研装备研制项目、中科院“百人计划”和“西部之光”等的支持。

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。

相关研究成果发表于Optics
Letters
第24期,技术成果已申请发明专利。该研究得到了国家自然科学基金,中科院率先行动“百人计划”、战略性先导科技专项、科研装备研制项目、“西部之光”人才培养引进计划等的资助。

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该项研究获得了科技部“973”项目(2012CB821304)及国家自然科学基金项目(批准号11674036,
11078022 和 61378040)的支持。

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混合型锁膜激光的射频谱、可调功率范围、光谱和激光时域宽度

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各种技术的光梳频率控制带宽和控制范围比较图

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图1.超稳掺镱光纤光学频率梳整体装置示意图

激光功率噪声谱和CEO频率信号

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图2. a) 在300 kHz的分辨率下的fbeat信号;b) 锁定后的fbeat频率漂移;c)
阿伦方差

光梳频率控制稳定度,以及环内噪声和相位抖动

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