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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)問世並獲得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,因此如何精密控制並鎖定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实验室L07组多年来一直致力于低相噪高稳定光学频率梳技术及频率锁定的研究,曾提出整形光谱自差频测量fceo的技術,證明了一種獲得高信噪比fceo的方案,並結合電子鎖相環反饋控制技術實現了相位漂移低至55mrad的超低相噪钛寶石光頻梳。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,因此受到人们的广泛关注。所谓前置反馈锁定技术,是在输出激光中插入一个声光调制移频器(Acousto-optic Frequency Shifter, AOFS),通过将测到的fceo频率直接调制到声光晶体上,从而在其一级衍射光中得到频率被量身修正的输出激光。相比传统的电子锁相环反馈技术,前置反馈锁定没有比例积分滤波(PID)环节,相当于具有很宽的带宽,因此可以瞬时响应误差信号,从而很好地抑制高频相噪,理论上具有极低的噪声。最重要的一点,AOFS是直接插入在输出激光中,对激光器系统没有任何影响,这就大大增加了该技术的实用性。最近,该组的韩海年副研究員、博士研究生张子越和魏志义研究員等人在多年努力的基础上,首次实现了全固态克尔透镜锁模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所示爲實驗裝置及結果,實驗中他們研制的全固態克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光的輸出功率爲200mW、脈寬爲57fs、重複頻率爲84MHz,通過在AOFS的零級和一級衍射光後各搭建一套f-2f幹涉裝置作爲內環和外環,並將內環測到的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,最後測得該光頻梳的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。此外通过对1Hz以下相位噪声功率谱密度和长时间频率不稳定度的分析,表明他们发展的该项技术在高频相噪抑制方面更具优势。该项工作结果以“Ultra-low-noise carrier-envelope phase stabilization of a Kerr-lens mode-locked Yb:CYA laser frequency comb with a feed-forward method”为题目发表在最新一期的《光学快报》上(Optics Letters Vol.44(22),2019)。

            如何实现光频梳和连续激光之间的相干连接,是光频梳和光频测量比对研究中另一个具有重要意义和挑战性的研究内容。将锁定到超稳激光的光频梳再与任何一个连续激光相干连接,超稳激光的频率稳定度可准确地传递到这个连续激光,这样就成为一个完美的光学频率综合器,可在微波至光频波段提供任意的低相噪高稳定频率源。AOFS前置反馈锁定技术同样可以用于连续激光和光频梳之间的相干连接,基于该项專利发明(專利号:ZL 201811074118.3),韩海年副研究員、博士研究生邵晓东和魏志义研究員等人也进一步实现了频率稳定性的相干传递。实验中首先将一台1064 nm连续激光器和光频梳进行拍频,然后将得到的拍频信号与本振信号混频后驱动AOFS以实现前置反馈,这样经过AOFS后的一级衍射光就被锁定到了光频梳上(图2左),这台光频梳是锁定在一台超稳972nm连续光源上。锁定前,1064nm连续激光器每小时的频率漂移约几十kHz,锁定后测量得到10000 s积分时间下一级衍射光的频率漂移偏差仅为4.1 mHz,对应的频率稳定性为1.5×10-17/s(图2右),噪声被极大压制,长期稳定性也得到了极大提高,很好地实现了光频梳和连续激光之间的相干连接。主要结果最近以 “Precision locking CW laser to ultrastable optical frequency comb by feed-forward method”为题目发表在AIP Advances 9(11)2019上。

            以上研究获得了中国科学院先导专项(XDA1502040404, XDB21010400)及国家自然科学基金项目 (91850209, 11434016, 61575219)的支持。

          图1. 基于前置反馈锁定技术的全固态克尔透镜锁模Yb:CYA光频梳光路(左)及不同频率范围内的相噪曲线(右)
          图2. 前置反馈技术锁定超稳光频梳和连续激光的光路图(左)及锁定后连续1064nm激光的频率稳定性结果(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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