掺Er光纤飞秒激光器载波包络位相偏移的探测
两台独立飞秒激光器的脉冲序列与载波包络相位同步_田昊晨
自超短脉冲激光器出现以来，其噪声特性和对其噪声的消除一直被广泛研究 。 ［１－５］ 激光器输出的 超 短 脉
收 稿 日 期 ：２０１６－０３－１４；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１６－０４－１１ 基金项目：国家自然科学基金（１１２７４２３９，６１５３５００９）、天津市应用基础与前沿技术研究计 划（１３ＪＣＱＮＪＣ０１４００）、强 场 激 光
Ｔｉｍｉｎｇ ａｎｄ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｔｗｏ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒｓ
Ｔｉａｎ Ｈａｏｃｈｅｎ Ｓｏｎｇ Ｙｏｕｊｉａｎ Ｍａ Ｃｈｕｎｙａｎｇ Ｈｕ Ｍｉｎｇｌｉｅ Ｗａｎｇ Ｑｉｎｇｙｕｅ
物理国家重点实验室开放基金 作 者 简 介 ：田 昊 晨 （１９９１— ），男 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 飞 秒 激 光 技 术 等 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｏｃｈｅｎｔｉａｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 导 师 简 介 ：胡 明 列 （１９７８— ），男 ，博 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 飞 秒 激 光 技 术 等 方 面 的 研 究 。
术可将飞秒激光器的载波包络相位与低噪声微波源进行同相位锁定 ，从而获得带宽稳定的光学频率梳齿。
２．２ 平 衡 光 学 互 相 关 两台激光器重复频率的锁定是探测相对载波包络频率信号和锁辨飞秒脉冲在时域上是否重合。探测两个飞秒光学脉冲在时域上的延迟，最简单的方法是用
２ 基本原理
２．１ 光 学 频 率 梳 超短脉冲时域波形序列的傅里叶变换在频域表现为梳状结构 ，称为光 学 频 率 梳。 单 个 脉 冲 的 频 谱 没 有
梳状结构，因此光学频率梳是多个脉冲在时间上相干叠加并取平均的过程 。超短 脉 冲 激 光 器 输 出 的 光 学 频 率梳在频域上可以简单地表示为ｆｎ ＝ｎｆｒ＋ｆ０，其中ｆｒ 为飞秒激光器输出脉冲的重复频率，ｆ０ 为载波包络 频率，ｆｎ 为第ｎ 个梳齿的光学频率，如图１所示。重复频率ｆｒ 为射频段信号，表现的是脉冲包络对 应 的 射 频 信号的相位特性，可以用快速响应的光电二极管直接探测或者将其与微波信号 混 频 后 探 测 。 通 过 激 光 器 的 腔 长 反 馈 控 制 ，可 将 重 复 频 率 信 号 与 基 准 微 波 信 号 进 行 同 相 位 锁 定 。
异步采样全保偏光纤光梳系统研制
异步采样全保偏光纤光梳系统研制作者：陈飞夏宇陆诗雨郭旭罗鹏李敏郝强曾和平来源：《光学仪器》2021年第05期摘要：为了获得长期稳定的光梳光源，利用压电陶瓷（PZT）和步进电机双级反馈控制方案，研制了两台基于非线性放大环形镜（NALM）锁模的异步采样光纤光梳系统。
研究表明：该系统重复频率为75 MHz，5 min内重复频率的锁定峰峰值为±2 mHz，标准差为0.70 mHz，90 h内锁定峰峰值为±10 mHz，标准差为1.26 mHz;光纤光梳输出端口的脉冲平均功率为30 mW，经3 m保偏单模光纤压缩后脉冲宽度约为90 fs;激光器的重复频率差Δf在1 Hz～500 kHz范围内连续可调，当异步采样频差Δf为80 Hz时，扫描周期为12.5 ms，可探测出信噪比为6.3的太赫兹信号。
该方案避免使用传统机械延迟线，具有重复频率差精确可调、采样速度快、抗干扰能力强等优点。
关键词：异步采样;重复频率锁定;非线性放大;太赫兹中图分类号：TN 249文献标志码：ADevelopment of asynchronous sampling full polarization maintaining fiber optical comb systemCHEN Fei1，XIA Yu1，LU Shiyu1，GUO Xu1，LUO Peng2，LI Min1，HAO Qiang1，2，ZENG Heping3（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2. Guangdong Langyan Technology Co.，Ltd.，Dongguan 523000，China;3. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy，East China Normal University，Shanghai 200062，China）Abstract：In order to obtain a long-term stable optical comb light source，two asynchronous sampling fiber optical comb systems based on nonlinear amplifying loop mirror （NALM）mode locking were developed by using piezoelectric ceramics （PZT）and a stepper motor two-stage feedback control scheme. The research shows that the system has a repetition rate of 75 MHz，thelocked peak-to-peak value of the repetition rate within 5 min is ±2 mHz，the standard deviation is 0.70 mHz，the locked peak-to-peak value within 90 h is ±10 mHz and the standard deviation is 1.26 mHz. The average power of the pulse at the comb output port is 30 mW，and the pulse width is about 90 fs after compression by 3 m polarization-maintaining single-mode fiber. The laser repetition rate difference Δf is continuously adjustable in the range of 1 Hz to 500 kHz，when asynchronous sampling. When the frequency difference Δf is 80 Hz，the scanning period is 12.5 ms，and a terahertz signal with a signal-to-noise ratio of 6.3 can be detected. This scheme avoids the use of traditional mechanical delay lines，and has the advantages of accurate and adjustable repetition rate difference，fast sampling speed，and strong anti-interference ability.Keywords：asynchronous sampling;repetition rate locking;nonlinear amplification;terahertz引言隨着太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）与仪器的飞速发展，使其在化学、材料学、工程学、医学等领域逐步进入实用阶段[1-5]。
1550 nm飞秒脉冲自相似光纤放大仿真模拟
1550 nm飞秒脉冲自相似光纤放大仿真模拟
白笑羽;王蓟;孙旭东;贾苏蒙;郭欣宇;张永熙;王国政
【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2022(43)2
【摘要】针对全光纤的超短脉冲掺铒光纤放大器进行了仿真模拟,对正常色散条件下掺铒光纤自相似脉冲放大过程进行了详细分析。
在光纤预放大器中,使用高正色散掺铒光纤对脉冲形状进行预整形,将重复频率43 MHz、脉冲宽度600 fs、平均输出功率1.2 mW的孤子型锁模脉冲预整形为抛物线型脉冲,预整形后的脉冲通过光纤主放大器进行功率放大。
经两级光纤放大后,1.2 mW的信号光功率放大为102 mW,放大增益19.3 dB。
分析了掺铒光纤长度、放大功率对脉冲自相似演化过程的影响。
放大后的脉冲经4.4 m长单模光纤将脉冲宽度压缩至53 fs,峰值功率为44.8 kW。
【总页数】7页(P268-274)
【作者】白笑羽;王蓟;孙旭东;贾苏蒙;郭欣宇;张永熙;王国政
【作者单位】长春理工大学物理学院;鹏城实验室数学与理论部
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.超连续谱注入光参量放大的宽带1053nm飞秒脉冲产生技术
2.1550nm单频脉冲光纤激光放大器实验研究
3.300W线偏振飞秒全光纤啁啾脉冲放大系统
4.掺铒
单模光纤飞秒脉冲激光器和放大器5.800nm高能量飞秒激光脉冲刻写长周期光纤光栅机理
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基于光学超晶格材料的超快激光脉冲整形和压缩研究
基于光学超晶格材料的超快激光脉冲整形和压缩研究摘要光脉冲整形可作为飞秒光脉冲产生的补充手段。
在过去几十年间，人们已经发展了一系列光波形合成（或脉冲整形）方法，可根据使用要求产生复杂的超短光学波形。
已经证明，脉冲整形系统为超快光谱学，非线性光纤光学和强场物理提供了前所未有的控制超短光脉冲波形的手段。
本文介绍了超短光脉冲整形的两种办法，第一种是即基于空间光调制器的光脉冲整形，其核心是利用模板（Mask）对在空间色散开来的各频率成分进行平行调制，从而获得所需的波形，它不改变脉冲的频谱成分，被称之为位相型整形技术，这种技术一般只改变光脉冲所包含的单色光的位相。
第二种是利用各种光学非线性手段展宽脉冲的频谱宽度，然后再利用位相型整形技术来产生各种脉冲波形，然而有些技术将这两步整合到一起，完成所需的功能。
这个技术就是利用光学超晶格材料中的倍频效应来进行脉冲整形与压缩。
近年来，各种微结构的准位相匹配材料广泛应用于频率转换领域，准位相匹配技术有很多优点：可以利用材料较大的非线性系数，不必再使用临界角匹配技术，不需要再利用材料的双折射，最重要的是，只需要相互作用的光在材料的透明范围内，利用单种材料就可以产生各种非线性过程，这对于倍频超短脉冲非常具有价值，准位相技术可以设计器件的振幅和位相响应，因此这种技术非常适合脉冲整形。
在本论文中，我们从波动方程出发，在慢变包络近似下，重新推导出了在准位相光栅中耦合波动方程的频域表达式，给出了一般色散条件下的谐波输出表达式，分析了在忽略GVD及以上的色散，谐波输出的简化表达式，详细解释了它对脉冲整形的意义。
Gennady Imeshev等人根据这些公式给出了设计各种整形功能光栅的一般步骤，并实现了fs脉冲的压缩与整形。
Gennady Imeshev等人给出的这些设计方法实现起来有一定的难度，并且对于必须考虑高阶色散条件下，设计比较繁琐，我们仔细分析了脉冲整形与压缩原理，并结合准位相匹配光栅的优点，提出了另一种方案。
基于全光纤拉锥滤波结构的波长可切换掺铒光纤激光器
引用本文：孙明星.基于全光纤拉锥滤波结构的波长可切换掺E光纤激光器[J].光通信技术，2020,44（9）:37-41.基于全光纤拉锥滤波结构的波长可切换掺2光纤激光器孙明星（洛阳市质量计量检测中心，河南洛阳471003）摘要：针对波长可切换光纤激光器存在调谐精度不高的问题，提出并设计了一种基于全光纤拉锥干涉滤波结构7掺餌光纤激光器，采用熔接机对多模光纤进行熔融拉锥处理，制备光纤马赫-曾德尔（MZ）干涉结构，所形成7周期性能量分布用于实现掺O光纤激光器波长灵活可调谐输出.实验结果表明：光纤滤波器周期为0.8nm,激光器工作阈值为58mW，在1573.45~1574.59nm7L波段内实现了单波长可调谐激光输出，波长间隔最小为0.11nm;并通过调节偏振控制器，实现了双波长激光可切换输出.在10min7稳定性测试实验中，没有出现明显7波长漂移-关键词：光纤激光器;光纤干涉;掺O光纤；光纤拉锥;多模光纤二世中图分类号：TN256文献标志码：A文章编号$1002-5561（2020）09-0037-05餐D01：10.13921/ki.issn1002-5561.2020.09.009开放科学（资源服务）标识码！OSID）：云：2Wavelength switchable erbium-doped fiber laser based onall fiber taper filter structureSUN Mingxing(Luoyang Quality Measurement and Testing Center,Luoyang Henan471003,China)Abstract:In order to solve the problem of low tuning accuracy in wavelength switchable fiber laser,an erbium-doped fiber laser based on all fiber taper interference filter structure is proposed and designed.The fiber Mach-Zehnder(MM)interference structure is fabricated by melting the multimode fiber with a fusion splicer.The periodic energy distribution is used to realize the wavelength flexibility of erbium-doped fiber laser tunable output.The experimental results show that the period of the fiber filter is0.8nm,the laser operating threshold is58mW,the single wavelength tunable laser output is realized in the L-band of 1573.45〜1574.59nm,and the minimum wavelength interval is0.11nm;the dual wavelength laser switchable output is realized by adjusting the polarization controller.In the10min stability test,there is no obvious wavelength drift.Key words:fiber laser;fiber interferometer;erbium-doped fiber;fiber taper;multimode fiber0引言光纤激光器具有环境适应性强、工作寿命长、相干性好和激光线宽窄等特点，被广泛应用于光纤通信、光纤传感、成份分析、雷达探测和高功率激光等领域6T&其中，多波长可调谐光纤激光器具有波长灵活输出、高信噪比和稳定性高等优势，应用于微波信号产生、密集波分复用、光谱探测、生物医疗和激光通信等收稿日期：2020-04-21作者简介：孙明星（⑷引一），男，河南平顶山人,硕士,工程师，研究生毕业于兰州理工大学机械学院，现工作于洛阳市质量计量检验测试中心，主要从事光学仪器的计量校准及实验工作，并对光纤传感器方面的检测进行研究，参与中心的精密仪器、光纤传感测试实验室的建立。
飞秒脉冲测量技术
dt ,
2 2 ) - φ ( t) ] i2[φ ( t - τ
1 2
( 7) d t. ( 8)
) = E0 C (τ
4
∫ ε ( t - τ)ε ( t) e
- ∞ 2 1
∞
) 是背景光与强度相干项 , 与 由上式可以看出 , A (τ ) 和 C (τ ) 与位相有关 ,是由位相干涉 位相无关 ; B (τ
- 3
化学反应动力学 、 快点火激光核聚变 、 台面核物理 等 . 1999 年 , 美国加州理工大学的 A. Zewail 由于在 飞秒激光化学研究中的突出贡献而获诺贝尔化学 奖 . 纵观超短激光脉冲产生技术的发展历史 ,其进步 与测量技术的发展是分不开的 , 因此研究探索飞秒 乃至阿秒激光脉冲测量的新技术 , 完整准确地了解 脉冲的宽度 、 位相及形状信息 ,是超快技术研究中非 常重要的内容 .
Abstract Recent progress in ultrafast laser technology has made it possible to generate pulses shorter than 2 cycles , so the accurate measurement of such pulses has become an important branch in ultrafast science. Based on the general description of the conventional autocorrelation method , we review the new developments in femtosecond laser diagnostics. In particular , two novel methods , frequency resolved optical gating ( FROG) and spectral phase inter2 ferometry for direct electric field reconstruction ( SPIDER) , are described. Various measurements using FROG and SPIDER by our group are reported. Key words femtosecond pulse , autocorrelation , spectral interferometry , FROG, SPIDER
光纤飞秒光学频率梳载波包络偏移频率锁定的实验研究
ｓ ｐ ｒ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ ｌ ｙ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ＿ ｅ ｎ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｏ ｆ ｆ ｓ ｅ ｔ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ（ ｆ 。 ）ｉ ｓ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ａ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｆ － ２ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｃ ｋ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ Ｒ ｕ ｂ ｉ ｄ ｉ ｕ ｍ ａ ｔ ｏ ｍｉ ｃ ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ ． Ｔｈ ｅ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ — ｔ ｏ — ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ｛ ｉ ｓ ３ ５ ｄ Ｂ ａ ｎ ｄ
ｓ ｕｐ ｅ ｒ ｃ ｏｎ ｔ ｉ ｎｕ ｕｍ ｍ ｏｒ ｅ ｔ ｈａ ｎ ｏ ｎｅ ｏｃ ｔ ａ ｖｅ ｉ ｓ ｏ ｂｔ ａ ｉ ｎｅ ｄ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｐｏ ｗｅ ｒ ａ ｍ ｐｌ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ， ｄｉ ｓ ｐｅ ｒ ｓ ｉ ｏｎ ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕｍ
Ｔｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍｂ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ． Ａ
ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗｉ ｔ ｈ ｌ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｉ ｍｅ ｍｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ １ ２ ｈ ｉ Ｓ ｄ ｅ ｍｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ．
直接探测与相干探测
原理图
带通滤 波
一般情况：在同一方向上传播、振动方向相同、振 幅不同、频率差相差很小的两束单色光
双频（不同光波长）光波： 信号光ωs （异地）
参考光ωr（本地）
1)合成的光强得到信号输出
信号光 Es (t) as sin(st s )
参考光 Er (t) ar sin(rt r )
平方律探测器光混频电流信号为：
•解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产生 的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲 。
A1路
A路
A2路
移相 ＋/2
B1路
B路
B2路
46
A路
•判向计数：
B路
A1路 A2路 B1路 B2路
A1路 A2路 B1路 B2路
47
•正向移动：
正 向 ： 1 3 2 4
位移长度为：
LN
8
•反向移动：
反 向 ： 1 4 2 3
1.激光器 2.透镜 3.小孔光阑 4.透镜 5.反射镜 6.反射棱镜 7.位相板8. 角锥反射棱镜9．分束镜10.角锥反射棱镜 11.透镜 12. 光阑 13.光电探
测器 14. 透镜 15.光阑 16.光电探测器
45
•3）干涉信号的方向判别与计数
•误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向 移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数， 测量结果是正反移动的总和。
(e
/
hv)2
2 s
in2S in2B in2D in2T
散粒噪声
热噪声
信号光电流、背景光电流和器件暗电流
仅考虑信号光电流引起的散粒噪声： in2S 2eISf
SNRd
s 2h
f
外差探测：
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该激光器中袁增益光纤在 员缘缘园 灶皂 处的群速度 色散为 员圆 枣泽圆 辕 皂皂袁其长度为 源园园 皂皂援 宰阅酝 在腔内 的两段 尾 纤 在 员缘缘园 灶皂 处 的 群 速 度 色 散 为 原 员郾 缘 枣泽圆 辕 皂皂袁其长度均为 员园园 皂皂袁光纤准直器 悦燥造员 袁悦燥造圆 的尾纤均为普通单模光纤袁该光纤在 员缘缘园 灶皂 处的 群速度色散为 原 圆圆 枣泽圆 辕 皂皂袁两个光纤准直器的尾纤 长度分别为 员远缘 皂皂 和 员圆园 皂皂曰二分之一和四分之 一波片均为石英胶合波片袁厚度分别约为 员 皂皂 和 园郾 苑 皂皂袁孕月杂 通光长度为 员园 皂皂袁空间隔离器厚度为 员郾 远 皂皂袁综合腔内光纤及光学器件考虑袁腔内净色 散约为 原 圆员苑园 枣泽圆 援 该激光器在锁模运转时工作在 展宽脉冲锁模状态援
覮 耘鄄皂葬蚤造院糟葬燥泽澡蚤赠蚤灶早岳 灶蚤皂援 葬糟援 糟灶
訫圆园员员 中国物理学会 悦澡蚤灶藻泽藻 孕澡赠泽蚤糟葬造 杂燥糟蚤藻贼赠
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摇 澡贼贼责院 辕 辕 憎怎造蚤曾遭援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶
物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 怨 渊圆园员员冤 摇 园怨源圆园愿
为了得到尽可能高的重复频率袁我们通过采用 高掺杂的增益光纤袁并尽可能减小腔内光纤的长度 来实现援 其中掺 耘则 光纤的长度必须保证在一个有 效范围之内才能实现出光和锁模袁 一般长度在 猿园 糟皂要源园 糟皂 之间援 当重复频率大于 圆园园 酝匀扎 时袁单 脉冲能量显著下降袁因此要提高抽运功率并适当加 长增益光纤的长度援 同时腔内其他的器件也应该尽 量减小长度袁例如隔离器可以由光纤式的器件改换 为空间式的器件援 但波分复用器件 宰阅酝 和光纤准 直器的尾纤则不可避免袁实验中在熔接允许的条件 下两个器件的尾纤尽量剪短袁这样可以使激光器的 重复频率提高到 圆猿园 酝匀扎袁已接近商用激光器 圆缘园 酝匀扎 的重复频率援
图 员摇 掺 耘则 光纤飞秒激光器 枣园 探测实验结构图渊 其中 怨愿园 灶皂 蕴阅 为抽运源袁 宰阅酝 为 怨愿园 灶皂 辕 员缘缘园 灶皂 波分复 用器件袁 悦燥造员 要 悦燥造缘 为 光 纤 准 直 器袁 孕月杂 为 偏 振 分 光 片袁 陨杂韵 为 空 间 隔 离 器袁 陨泽燥造葬贼燥则 为光纤隔离器袁姿 辕 源 为四分之一波片袁姿 辕 圆 为二分之一波 片袁匀晕蕴云 为高非线性光纤袁酝员 要酝缘 为平面反射镜袁云员 为非球面 透镜袁云圆 要云源 为普通聚焦透镜袁酝韵院孕孕蕴晕 为倍频晶体袁云蚤造贼藻则 为 员员园园 灶皂 窄带滤波片袁粤孕阅 为 杂蚤 雪崩光电二极管袁孕在栽 为压电位 移器冤
物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 怨 渊圆园员员冤 摇 园怨源圆园愿
掺 耘则 光纤飞秒激光器载波包络位相偏移的探测鄢
曹士英员冤覮摇 蔡摇 岳圆冤 摇 王贵重圆冤 摇 孟摇 飞员冤 摇 张志刚圆冤 摇 方占军员冤 摇 李天初员冤
员冤 渊 中国计量科学研究院袁电学与量子计量科学研究所袁北京摇 员园园园员猿冤 圆冤 渊 北京大学信息科学技术学院袁量子电子学研究所袁北京摇 员园园愿苑员冤 渊圆园员园 年 怨 月 远 日收到曰圆园员园 年 员圆 月 愿 日收到修改稿冤
关键词院 掺 耘则 光纤激光器袁 光学频率计量袁 光纤光学频率梳袁 光谱展宽 孕粤悦杂院 源圆援 缘缘援 宰凿袁 源圆援 远缘援 砸藻袁 园远援 猿园援 云贼袁 怨缘援 缘缘援 杂澡
员郾 引 言
飞秒光学频率梳是很多高端研究的基础性仪 器袁例如原子 跃 迁 频 率 的 精 密 测 量尧 光 钟 的 频 率 测 量尧精细结构常数的测量尧引力波的测量尧微重力的 测量尧系外行星的探测尧高精度绝对距离的测量尧高 精度快速傅里叶变换光谱学尧光频与射频之间的传 递尧导航定位尧时间频率标准传递等援 圆园 世纪 怨园 年 代钛宝石 飞 秒 激 光 器 的 发 展 以 及 光 子 晶 体 光 纤 的 发明袁为飞秒光学频率梳的研究带来了契机援
鄢国家科技支撑计划渊 批准号院圆园园远月粤运园猿粤圆园冤 袁国家重点基础研究发展计划渊怨苑猿 计划冤 渊 批准号院圆园员园悦月怨圆圆怨园圆冤 袁中国计量科学研究院 科研基金渊 批准号院圆园园圆鄄粤运再园怨圆愿冤 和中国计量科学研究院博士专项科研启动基金渊 批准号院圆园园圆鄄粤栽郧匝阅月园怨园圆冤 资助的课题援
在国内飞秒光学频率梳的研究起步于 圆园园园 年 前后咱员员要员猿暂 袁研究内容主要集中于光学频率梳的基本 原理尧单元技术以及系统结构援 国内虽然对于掺 耘则 光纤飞秒激光器的研究早在上个世纪 怨园 年代就已 经开展起来袁 并 取 得 了 长 足 的 进 步袁 但 基 于 飞 秒 光 纤激光器的光纤光学频率梳的研究却刚刚起步袁目 前国内尚未有光纤激光器中探测到 枣园 的报道援
圆郾 实验装置
摇 摇 实验中我们探测掺 耘则 光纤飞秒激光器 枣园 的系 统结构如图 员 所示袁其中包括四个部分院掺 耘则 光纤
飞秒振荡器渊图 员 中 粤 部分冤尧掺 耘则 光纤飞秒放大 器渊 图 员 中 月 部分冤 尧高非线性光纤渊 澡蚤早澡造赠 灶燥灶造蚤灶藻葬则 枣蚤遭藻则袁匀晕蕴云冤 扩谱渊 图 员 中 悦 部分冤 和单臂 枣要圆枣 系 统渊图 员 中 阅 部分冤援
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隔离器 陨杂韵 为厚度为 员郾 远 皂皂 的微型空间光隔离 器袁用于保证了腔内激光光路的单向性援 光纤准直 器之间的空间光路由两个四分之一波片尧一个二分 之一波片以及一个偏振分光片 孕月杂 构成援 波片组合 用于调节腔内激光的偏振方向袁以实现光纤中非线 性偏振旋转锁模援 偏振分光片用于产生线偏光的分 离作为激光器的输出援 增益光纤尧光纤准直器的尾 纤尧宰阅酝 的尾纤均采用普通单模光纤进行连接援 该 激光器中还预装了 孕在栽 用以实现对光纤的拉伸袁为 将来激光器重复频率 枣则 的锁定提供基础援
基于此袁我们在已有基于钛宝石飞秒激光器的 光学频率梳系统的经验和技术的基础上咱员员暂 袁开展了 基于掺 耘则 光纤飞秒光学频率梳的研制援 实验上采 用重复频率为 圆猿园 酝匀扎 的掺 耘则 光纤飞秒激光器袁通 过放大尧光谱展宽以及拍频信号探测获得了 猿园 凿月 信噪比 枣园 的输出袁为系统的频率锁定奠定了基础援 本文将系统介绍掺 耘则 光纤飞秒激光器载波位相偏 移 枣园 探测的实验工作援
目前钛宝石飞秒激光器与光子晶体光纤相结 合产生覆 盖 可 见 光 到 近 红 外 波 段 的 超 过 一 个 倍 频 程的光谱袁一直是光学频率梳中探测载波包络位相 偏移渊 枣园 冤 的必要手段袁也是目前最为成 熟 的 技术 之 一咱员要猿暂 援 但这种装置存在自身的弊端和不足援 第一袁 钛宝石飞秒激光器采用倍频后的 晕凿院再灾韵源 激光器 进行抽运袁其价格昂贵并且寿命一般只有数千个小 时援 此外钛宝石飞秒激光器结构复杂尧体积庞大尧维 护成本高袁而且需要在苛刻的超净环境中使用援 这 些都在一 定 程 度 上 制 约 了 钛 宝 石 激 光 器 在 光 学 频 率测量领域的广泛应用援 第二袁钛宝石激光器输出 的飞秒激 光 和 光 子 晶 体 光 纤 之 间 的 耦 合 采 用 分 离 器件并在自 由 空 间 中 传 输袁 因 此 光 束 耦 合 困 难尧 光
因此袁如何降低飞秒激光器的固有成本并避免 使用光子晶体光纤尧简化飞秒光学频率梳的复杂性 并增加其可操作性和稳定性袁 以寻求更好的能够 产生倍频 程 宽 度 的 飞 秒 光 源 一 直国际技术发展来看袁飞秒光学频率梳系 统正在逐 步 由 第 一 代 的 基 于 钛 宝 石 飞 秒 激 光 器 的 光学频率 梳 系 统 进 入 第 二 代 的 基 于 全 光 纤 飞 秒 激 光器的光学频率梳系统咱苑要怨暂 援 飞秒光纤激光器作为 飞秒技术 发 展 的 前 沿 领 域 已 经 取 得 了 突 飞 猛 进 的
在掺 耘则 光纤飞秒振荡器中袁我们采用非线性偏 振旋转锁模方式袁如图 员 中 粤 部分所示援 其中 怨愿园 灶皂 的半导体抽运光经过 怨愿园 灶皂 辕 员缘缘园 灶皂 波分复用 器件 宰阅酝 耦合进入光纤激光腔来激励掺 耘则 光纤 产生激 光袁 抽 运 激 光 输 出 的 最 大 平 均 功 率 为 远缘园 皂宰援 增 益 介 质 是 长 度 约 为 源园 糟皂 的 掺 耘则 光 纤 渊 耘则员员园要源 辕 员圆缘袁蕴陨耘运运陨冤 袁 它 在 员缘猿园 灶皂 处 的 吸 收 率为 员员园 凿月 辕 皂袁其特性是增益大但是色散低袁在振 荡器里有利于得到更高重复频率锁模脉冲援 光纤准 直器 悦燥造员 袁悦燥造圆 成对出现袁完成从光纤光到空间光袁 再从空间光又回到光纤光的完整光学回路援 实验中 采用的一对光纤准直器的耦合效率约为 愿缘豫 援 光学
对于该振荡器袁在 远园园 皂宰 抽运下袁我们得到了 稳定的锁模激光输出袁 其中输出的平均功率为 远园 皂宰袁直接输出光谱半高全宽约为 员园园 灶皂袁如图 圆 所 示袁其中插图为线性坐标归一化后的光谱曲线援 由 于展宽脉冲锁模机理下袁腔内正负色散元件交替出 现袁因此脉冲 宽 度 在 腔 内 也 呈 现 交 替 变 化袁 当 脉 冲 在最窄宽度时袁由于腔内峰值功率过高会引起光纤 的非线性效应袁这在一定程度上诱发了光谱的进一