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中國科學院物理研究所 L07組供稿 第71期 2019年11月20日
北京凝聚態物理國家研究中心
超低相噪全固態光學頻率梳及連續激光頻率的精確鎖定

  自本世紀初飛秒光學頻率梳(光頻梳)問世并獲得2005年諾貝爾物理學獎以來,其發展不僅日新月異,而且應用也層出不窮,從光頻標、精密光譜學、阿秒科學、基本物理常數等基礎研究拓展到了絕對距離測量、地外行星探測、微波光子學等高技術領域,特別是近年來在空間高精度頻標、空地高精度時頻傳遞等重大需求中也呈現出越來越廣泛而重要的應用潛力。在光頻梳研究中,一個重要的問題是對載波包絡相移頻率fceo的精確鎖定,其不僅決定著整個頻率梳的初始頻率漂移,而且在飛秒激光與物質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,因此如何精密控制并鎖定fceo以獲得極低相噪的結果,是光頻梳與超快激光研究中極具挑戰性的工作之一,也是光頻梳所能達到水平的重要標志。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理實驗室L07組多年來一直致力于低相噪高穩定光學頻率梳技術及頻率鎖定的研究,曾提出整形光譜自差頻測量fceo的技術,證明了一種獲得高信噪比fceo的方案,并結合電子鎖相環反饋控制技術實現了相位漂移低至55mrad的超低相噪鈦寶石光頻梳。近年來,一種新的fceo反饋技術——前置反饋鎖定技術,由于可直接補償抵消fceo漂移,因此受到人們的廣泛關注。所謂前置反饋鎖定技術,是在輸出激光中插入一個聲光調制移頻器(Acousto-optic Frequency Shifter, AOFS),通過將測到的fceo頻率直接調制到聲光晶體上,從而在其一級衍射光中得到頻率被量身修正的輸出激光。相比傳統的電子鎖相環反饋技術,前置反饋鎖定沒有比例積分濾波(PID)環節,相當于具有很寬的帶寬,因此可以瞬時響應誤差信號,從而很好地抑制高頻相噪,理論上具有極低的噪聲。最重要的一點,AOFS是直接插入在輸出激光中,對激光器系統沒有任何影響,這就大大增加了該技術的實用性。最近,該組的韓海年副研究員、博士研究生張子越和魏志義研究員等人在多年努力的基礎上,首次實現了全固態克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光fceo的前置反饋鎖定,從而實現了一種超低相噪的全固態新型光學頻率梳。圖1所示為實驗裝置及結果,實驗中他們研制的全固態克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光的輸出功率為200mW、脈寬為57fs、重復頻率為84MHz,通過在AOFS的零級和一級衍射光后各搭建一套f-2f干涉裝置作為內環和外環,并將內環測到的fceo信號直接反饋到AOFS以控制fceo的漂移、外環測到的fceo信號用于分析鎖定結果。得益于AOFS前置反饋鎖定控制帶寬的大幅度提升,最后測得該光頻梳的fceo積分相位噪聲(1Hz-1MHz)低達79.3mrad,相對采用傳統鎖相環泵浦反饋方式的316mrad結果,相位噪聲降低了70%,這也是迄今基于全固態激光在1um波段得到的最低fceo相噪。此外通過對1Hz以下相位噪聲功率譜密度和長時間頻率不穩定度的分析,表明他們發展的該項技術在高頻相噪抑制方面更具優勢。該項工作結果以“Ultra-low-noise carrier-envelope phase stabilization of a Kerr-lens mode-locked Yb:CYA laser frequency comb with a feed-forward method”為題目發表在最新一期的《光學快報》上(Optics Letters Vol.44(22),2019)。

  如何實現光頻梳和連續激光之間的相干連接,是光頻梳和光頻測量比對研究中另一個具有重要意義和挑戰性的研究內容。將鎖定到超穩激光的光頻梳再與任何一個連續激光相干連接,超穩激光的頻率穩定度可準確地傳遞到這個連續激光,這樣就成為一個完美的光學頻率綜合器,可在微波至光頻波段提供任意的低相噪高穩定頻率源。AOFS前置反饋鎖定技術同樣可以用于連續激光和光頻梳之間的相干連接,基于該項專利發明(專利號:ZL 201811074118.3),韓海年副研究員、博士研究生邵曉東和魏志義研究員等人也進一步實現了頻率穩定性的相干傳遞。實驗中首先將一臺1064 nm連續激光器和光頻梳進行拍頻,然后將得到的拍頻信號與本振信號混頻后驅動AOFS以實現前置反饋,這樣經過AOFS后的一級衍射光就被鎖定到了光頻梳上(圖2左),這臺光頻梳是鎖定在一臺超穩972nm連續光源上。鎖定前,1064nm連續激光器每小時的頻率漂移約幾十kHz,鎖定后測量得到10000 s積分時間下一級衍射光的頻率漂移偏差僅為4.1 mHz,對應的頻率穩定性為1.5×10-17/s(圖2右),噪聲被極大壓制,長期穩定性也得到了極大提高,很好地實現了光頻梳和連續激光之間的相干連接。主要結果最近以 “Precision locking CW laser to ultrastable optical frequency comb by feed-forward method”為題目發表在AIP Advances 9(11)2019上。

  以上研究獲得了中國科學院先導專項(XDA1502040404, XDB21010400)及國家自然科學基金項目 (91850209, 11434016, 61575219)的支持。

圖1. 基于前置反饋鎖定技術的全固態克爾透鏡鎖模Yb:CYA光頻梳光路(左)及不同頻率范圍內的相噪曲線(右)
圖2. 前置反饋技術鎖定超穩光頻梳和連續激光的光路圖(左)及鎖定后連續1064nm激光的頻率穩定性結果(右)
下載附件>> AIP Advances 9, 115003 (2019).pdf
下載附件>> Optics Letters 44, 5489 (2019).pdf
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