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高功率光學(xué)頻率梳在非線性精密光譜學(xué)、極紫外光學(xué)頻率梳產(chǎn)生、核原子鐘研究等方面起著十分重要的作用，光纖飛秒激光器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高功率光學(xué)頻率梳的首選方案。然而，由于光纖激光放大中難以避免的自發(fā)輻射（ASE）噪聲、泵浦強(qiáng)度噪聲、光譜相干性退化以及光程引起的相位抖動(dòng)等噪聲，嚴(yán)重影響著光梳的頻率穩(wěn)定度。因此如何在高功率放大的同時(shí)得到高的頻率穩(wěn)定度是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。

針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L07組基于長(zhǎng)期光學(xué)頻率梳技術(shù)研究的基礎(chǔ)，近年先后提出了采用低噪聲光纖種子源、線性啁啾脈沖放大、腔內(nèi)電光晶體快速相位調(diào)制等技術(shù)方案，并通過(guò)拉錐光子晶體光纖產(chǎn)生高相干性超連續(xù)譜及結(jié)合結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、控溫、隔振等各項(xiàng)工程化設(shè)計(jì)，有效地較低了光學(xué)頻率梳的噪聲。最近該組副研究員韓海年及博士后邵曉東等人在20W高平均功率的光纖光學(xué)頻率梳上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了環(huán)外頻率穩(wěn)定度達(dá)10?1?/1000s量級(jí)的結(jié)果。據(jù)知這已經(jīng)達(dá)到目前最好光學(xué)原子鐘的頻率穩(wěn)定度，也是迄今高功率光學(xué)頻率梳取得的最優(yōu)結(jié)果。圖1為研制的兩套相同的高功率光纖光梳工程樣機(jī)及環(huán)外雙光梳比對(duì)測(cè)量頻率穩(wěn)定度的原理圖。

圖1 （a）高功率光纖光梳工程化原理樣機(jī)照片，（b）高功率光學(xué)頻率梳環(huán)外頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理圖

研究中使用自建的非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（NPR）光纖激光振蕩器作為飛秒種子脈沖源，經(jīng)線性光纖啁啾脈沖放大（CPA）后，得到了平均功率大于20 W、脈沖寬度75 fs的高功率飛秒激光輸出。載波包絡(luò)相移（CEO）頻率的鎖定頻率穩(wěn)定度為1.5×10?1?/s。在進(jìn)行光頻的鎖定時(shí)，從振蕩器和放大器不同分支輸出的飛秒脈沖與超穩(wěn)參考激光分別拍頻，如果以放大器的拍頻信號(hào)進(jìn)行鎖定，則測(cè)得高功率放大激光環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到2×10?1?/s，而在只鎖定振蕩器輸出的飛秒脈沖情況下，若任由放大器自由運(yùn)轉(zhuǎn)，則頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10?1?/s，差了三個(gè)量級(jí)。噪聲功率譜分析表明放大器引入了大量的低頻噪聲，其對(duì)光學(xué)頻率梳頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著顯著影響，在1000 s門時(shí)間下，該差別甚至高達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖 2 （a）所示。此外表征頻率短期穩(wěn)定性的相位噪聲分析結(jié)果也表明，經(jīng)過(guò)一系列的噪聲控制措施后，放大器引入的高頻噪聲很小，不影響系統(tǒng)的短期穩(wěn)定性。

圖2 （a）振蕩器和放大器分別鎖定的頻率穩(wěn)定度，（b）高功率光學(xué)頻率梳環(huán)外比對(duì)的頻率穩(wěn)定度

為了評(píng)估該高平均功率光學(xué)頻率梳在實(shí)際應(yīng)用中的頻率穩(wěn)定度性能，本研究首次進(jìn)行了兩臺(tái) 20W高功率光纖激光頻率梳環(huán)外頻率比對(duì)的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明在1 s積分時(shí)間下，環(huán)外頻率的典型穩(wěn)定度值為4.35×10?1?/s，1000 s 積分時(shí)間下降為6.54×10?1?，如圖2（b）所示，這將為很多需要高功率和高頻率穩(wěn)定度光梳的應(yīng)用打開新的大門。該研究進(jìn)展最近以“High power optical frequency comb with 10?1? frequency instability”為題發(fā)表在Optics Express上。（Opt. Express 31(20), 32813-32823 (2023)）。文章第一作者是邵曉東，合作導(dǎo)師為魏志義和韓海年。工作獲得了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA1502040404, XDB210104004)及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (60808007, 61378040, 11078022, 91850209)的支持。

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