Мощные гребенки оптических частот играют очень важную роль в прецизионной нелинейной спектроскопии, генерации гребенок оптических частот в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, исследованиях ядерных и атомных часов и т. д. Волоконные фемтосекундные лазеры являются предпочтительным решением для реализации мощных гребенок оптических частот из-за их преимуществ. простой структуры, стабильной работы и простоты усиления. Однако из-за неизбежного шума спонтанного излучения (ASE), шума интенсивности накачки, ухудшения спектральной когерентности и фазового джиттера, вызванного световым путем при усилении волоконного лазера, стабильность частоты оптической гребенки серьезно страдает. Поэтому получение высокой стабильности частоты при усилении высокой мощности является сложной задачей.
Для решения вышеуказанных проблем, основываясь на долгосрочных исследованиях технологии гребенки оптических частот, группа L07 Ключевой лаборатории оптической физики Института физики Китайской академии наук / Пекинского национального исследовательского центра физики конденсированного состояния последовательно выдвинула технические решения по использованию малошумящего источника затравочного волокна из оптического волокна, линейного усиления чирпированных импульсов, внутрирезонаторной электрооптической кристаллической быстрой фазовой модуляции и т. д., а также генерации высококогерентного спектра суперконтинуума с помощью фотонно-кристаллического волокна с тянущим конусом и в сочетании с Интегрированная конструкция конструкции, контроль температуры, виброизоляция и другие инженерные решения эффективно снизили шум гребенки оптических частот. Недавно Хайнянь Хань, младший научный сотрудник группы, и Сяодун Шао, научный сотрудник, дополнительно добились стабильности частоты вне кольца порядка 10-19/1000 с на 20-ваттном устройстве высокой средней мощности. волоконно-оптическая гребенка частот. Известно, что это позволило достичь стабильности частоты лучших на данный момент оптических атомных часов, а также является оптимальным результатом, достигнутым на сегодняшний день с помощью мощных оптических гребенок частоты. На рисунке 1 показана принципиальная схема двух разработанных идентичных инженерных прототипов мощных волоконно-оптических гребенок и сравнение внекольцевой двойной оптической гребенки для измерения стабильности частоты.
В качестве источника фемтосекундных импульсов в исследовании использовался самодельный волоконный лазерный генератор с нелинейной поляризацией и синхронизацией мод (NPR), а также мощный выходной фемтосекундный лазер со средней мощностью более 20 Вт и длительностью импульса 75 Вт. fs была получена после линейного усиления импульса с чирпированием волокна (CPA). Стабильность фиксированной частоты частоты сдвига фазы огибающей несущей (CEO) составляет 1,5×10-17/с. При оптической синхронизации фемтосекундные импульсы, выходящие из разных ветвей генератора и усилителя, отдельно прослушиваются сверхстабильным опорным лазером, и если для синхронизации используется отводной сигнал усилителя, измеренная стабильность частоты мощного усиленного лазерного кольца может достигать 2×10-18/с, при этом в случае только СПУ стабильность частоты может достигать 2×10-18/с, а в случае только СПУ частота стабильность может достигать 2×10-18/с. -18/с, тогда как в случае блокировки только фемтосекундного импульсного выхода генератора, если усилителю разрешена свободная работа, стабильность частоты может достигать только 10-15/с, что составляет три порядка на порядок хуже. Анализ спектра мощности шума показывает, что усилитель вносит большое количество низкочастотного шума, что оказывает существенное влияние на долговременную стабильность частоты гребенки оптических частот, причем разница достигает даже четырех порядков при время вентиля 1000 с, как показано на рис. 2 (а). Кроме того, результаты анализа фазового шума, характеризующего кратковременную стабильность частоты, также показывают, что после ряда мер по снижению шума высокочастотный шум, вносимый усилителем, очень мал и не влияет на кратковременная стабильность системы.
Чтобы оценить стабильность частоты этой оптической гребенки средней мощности высокой средней мощности в практических приложениях, в этом исследовании впервые были измерены две гребенки частот мощных волоконных лазеров мощностью 20 Вт. Результаты измерений показывают, что типичное значение стабильности частоты вне кольца составляет 4,35×10-17/с при времени интегрирования 1 с и снижается до 6,54×10-19 при времени интегрирования 1000 с, как показано на рис. 2(b), что откроет новые возможности для многих приложений, требующих высокой мощности и высокой частотной стабильности оптических гребенок. Результаты этого исследования были недавно опубликованы в журнале Optics Express под заголовком «Мощная гребенка оптических частот с нестабильностью частоты 10-19» (Опция Express 31(20)). (Оптика Экспресс 31(20), 32813-32823 (2023)). Первым автором статьи является Сяодун Шао, соруководителями — Чжии Вэй и Хайнянь Хань. Эта работа была поддержана Пилотной программой Китайской академии наук (XDA1502040404, XDB210104004) и Национальным фондом естественных наук Китая (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Мощная волоконно-оптическая гребенка мощностью 20 Вт с внекольцевой стабильностью частоты 10-19-го порядка.
Рис. 1 (а) Фотография принципиального прототипа мощной волоконно-оптической гребенки, (б) Принципиальная схема измерения внекольцевой стабильности частоты мощной оптической гребенки
Рис. 2 (а) Стабильность частоты генератора и усилителя, синхронизированных отдельно, (б) Стабильность частоты мощной оптической гребенки частот при внекольцевом сравнении
