【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】自本世紀(jì)初飛秒光學(xué)頻率梳(光頻梳)問(wèn)世并獲得2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，其發(fā)展不僅日新月異，而且應(yīng)用也層出不窮，從光頻標(biāo)、精密光譜學(xué)、阿秒科學(xué)、基本物理常數(shù)等基礎(chǔ)研究拓展到了距離測(cè)量、地外行星探測(cè)、微波光子學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域，特別是近年來(lái)在空間高精度頻標(biāo)、空地高精度時(shí)頻傳遞等重大需求中也呈現(xiàn)出越來(lái)越廣泛而重要的應(yīng)用潛力。在光頻梳研究中，一個(gè)重要的問(wèn)題是對(duì)載波包絡(luò)相移頻率fceo的鎖定，其不僅決定著整個(gè)頻率梳的初始頻率漂移，而且在飛秒激光與物質(zhì)相互作用研究中也影響著所能得到的作用效果與物理效應(yīng)，因此如何精密控制并鎖定fceo以獲得極低相噪的結(jié)果，是光頻梳與超快激光研究中挑戰(zhàn)性的工作之一，也是光頻梳所能達(dá)到水平的重要標(biāo)志。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理實(shí)驗(yàn)室L07組多年來(lái)一直致力于低相噪高穩(wěn)定光學(xué)頻率梳技術(shù)及頻率鎖定的研究，曾提出整形光譜自差頻測(cè)量fceo的技術(shù)，證明了一種獲得高信噪比f(wàn)ceo的方案，并結(jié)合電子鎖相環(huán)反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相位漂移低至55mrad的超低相噪鈦寶石光頻梳。近年來(lái)，一種新的fceo反饋技術(shù)——前置反饋鎖定技術(shù)，由于可直接補(bǔ)償?shù)窒鹒ceo漂移，因此受到人們的廣泛關(guān)注。所謂前置反饋鎖定技術(shù)，是在輸出激光中插入一個(gè)聲光調(diào)制移頻器(Acousto-optic Frequency Shifter, AOFS)，通過(guò)將測(cè)到的fceo頻率直接調(diào)制到聲光晶體上，從而在其一級(jí)衍射光中得到頻率被量身修正的輸出激光。相比傳統(tǒng)的電子鎖相環(huán)反饋技術(shù)，前置反饋鎖定沒(méi)有比例積分濾波(PID)環(huán)節(jié)，相當(dāng)于具有很寬的帶寬，因此可以瞬時(shí)響應(yīng)誤差信號(hào)，從而很好地抑制高頻相噪，理論上具有極低的噪聲。重要的一點(diǎn)，AOFS是直接插入在輸出激光中，對(duì)激光器系統(tǒng)沒(méi)有任何影響，這就大大增加了該技術(shù)的實(shí)用性。近，該組的副研究員韓海年、博士研究生張子越和研究員魏志義等人在多年努力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光fceo的前置反饋鎖定，從而實(shí)現(xiàn)了一種超低相噪的全固態(tài)新型光學(xué)頻率梳。圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中他們研制的全固態(tài)克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光的輸出功率為200mW、脈寬為57fs、重復(fù)頻率為84MHz，通過(guò)在AOFS的零級(jí)和一級(jí)衍射光后各搭建一套f-2f干涉裝置作為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，并將內(nèi)環(huán)測(cè)到的fceo信號(hào)直接反饋到AOFS以控制fceo的漂移、外環(huán)測(cè)到的fceo信號(hào)用于分析鎖定結(jié)果。得益于AOFS前置反饋鎖定控制帶寬的大幅度提升，后測(cè)得該光頻梳的fceo積分相位噪聲(1Hz-1MHz)低達(dá)79.3mrad，相對(duì)采用傳統(tǒng)鎖相環(huán)泵浦反饋方式的316mrad結(jié)果，相位噪聲降低了70%，這也是迄今基于全固態(tài)激光在1um波段得到的低fceo相噪。此外通過(guò)對(duì)1Hz以下相位噪聲功率譜密度和長(zhǎng)時(shí)間頻率不穩(wěn)定度的分析，表明他們發(fā)展的該項(xiàng)技術(shù)在高頻相噪抑制方面更具優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)工作結(jié)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 為題目發(fā)表在一期的《光學(xué)快報(bào)》上(Optics Letters Vol.44(22),2019)。
如何實(shí)現(xiàn)光頻梳和連續(xù)激光之間的相干連接，是光頻梳和光頻測(cè)量比對(duì)研究中另一個(gè)具有重要意義和挑戰(zhàn)性的研究?jī)?nèi)容。將鎖定到超穩(wěn)激光的光頻梳再與任何一個(gè)連續(xù)激光相干連接，超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度可準(zhǔn)確地傳遞到這個(gè)連續(xù)激光，這樣就成為一個(gè)的光學(xué)頻率綜合器，可在微波至光頻波段提供任意的低相噪高穩(wěn)定頻率源。AOFS前置反饋鎖定技術(shù)同樣可以用于連續(xù)激光和光頻梳之間的相干連接，基于該項(xiàng)發(fā)明(號(hào)：ZL 201811074118.3)，韓海年、博士研究生邵曉東和研究員魏志義等人也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了頻率穩(wěn)定性的相干傳遞。實(shí)驗(yàn)中首先將一臺(tái)1064 nm連續(xù)激光器和光頻梳進(jìn)行拍頻，然后將得到的拍頻信號(hào)與本振信號(hào)混頻后驅(qū)動(dòng)AOFS以實(shí)現(xiàn)前置反饋，這樣經(jīng)過(guò)AOFS后的一級(jí)衍射光就被鎖定到了光頻梳上(圖2左)，這臺(tái)光頻梳是鎖定在一臺(tái)超穩(wěn)972nm連續(xù)光源上。鎖定前，1064nm連續(xù)激光器每小時(shí)的頻率漂移約幾十kHz，鎖定后測(cè)量得到10000 s積分時(shí)間下一級(jí)衍射光的頻率漂移偏差僅為4.1 mHz，對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定性為1.5×10-17/s(圖2右)，噪聲被極大壓制，長(zhǎng)期穩(wěn)定性也得到了極大提高，很好地實(shí)現(xiàn)了光頻梳和連續(xù)激光之間的相干連接。主要結(jié)果近以Precision locking CW laser to ultrastable optical frequency comb by feed-forward method 為題目發(fā)表在AIP Advances 9(11)2019上。
以上研究獲得中科院先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA1502040404, XDB21010400)及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (91850209, 11434016, 61575219)的支持。
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