高功率光學(xué)頻率梳環(huán)外頻率穩(wěn)定度測量原理圖

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)簡單、性能穩(wěn)定、易于放大等優(yōu)點，是實現(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、泵浦強度噪聲、光譜相干性退化以及光程引起的相位抖動等噪聲，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得到高的頻率穩(wěn)定度是一個極具挑戰(zhàn)性的工作。

針對上述問題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室L07組基于長期光學(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、控溫、隔振等各項工程化設(shè)計，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)一步實現(xiàn)了環(huán)外頻率穩(wěn)定度達(dá)10?1?/1000s量級的結(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。圖環(huán)外雙光梳比對測量頻率穩(wěn)定度的原理圖。

圖1 高功率光學(xué)頻率梳環(huán)外頻率穩(wěn)定度測量原理圖

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，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進(jìn)行鎖定，則測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轉(zhuǎn)，則頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10?1?/s，差了三個量級。噪聲功率譜分析表明放大器引入了大量的低頻噪聲，其對光學(xué)頻率梳頻率的長期穩(wěn)定性有著顯著影響，在1000 s門時間下，該差別甚至高達(dá)四個數(shù)量級，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)外比對的頻率穩(wěn)定度

為了評估該高平均功率光學(xué)頻率梳在實際應(yīng)用中的頻率穩(wěn)定度性能，本研究首次進(jìn)行了兩臺 20W高功率光纖激光頻率梳環(huán)外頻率比對的測量。測量結(jié)果表明在1 s積分時間下，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。工作獲得了中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(XDA1502040404, XDB210104004)及國家自然科學(xué)基金項目 (60808007, 61378040, 11078022, 91850209)的支持。

編輯：黃飛