光学频率梳的相干合成研究进展

光学频率梳(光频梳)具有脉冲宽度窄、频率精度高、频率梳齿稳定以及相干性好等优良的时频域特性,近年来成为超快激光技术及计量科学等领域的研究热点,并发展成为一种重要的科研工具。近期,一类基于光频梳相干合成的新型光源,可实现对光的偏振或轨道角动量进行射频波段的周期性且高速稳定的调制。本文从光频梳的基本概念出发,分别就偏振调制和轨道角动量调制两个方面,详细介绍了基于光频梳相干合成新型光源的基本原理、实验技术以及表征手段等的最新研究进展。最后简要讨论光频梳相干合成技术在固体光谱学、光学操控、光与物质相互作用等领域的应用前景。     

飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱技术进展

飞秒光学频率梳以其频谱宽、脉宽窄、频率稳定度高等优点,对光学频率计量、绝对距离测量、高精度光谱测定产生重大影响。飞秒光学频率梳的时域特性和频域特性溯源至微波频率基准,使得高精度气体吸收光谱探测成为可能。飞秒光学频率梳光谱技术具有测量速度快、光谱灵敏度高、分辨率高、信噪比高等优点,因此加大对飞秒光学频率梳光谱技术的研究力度将更好地服务于环境保护、工业生产、生物医学、科学研究等各领域。飞秒光频梳高精度气体吸收光谱主要可分为光频梳腔衰荡光谱、光频梳腔增强光谱和双光频梳多外差光谱。其中,根据采集方式不同,光频梳腔增强光谱又可分为梳齿游标测量法、虚拟成像相位阵列测量法和傅里叶变换测量法。目前,国外已广泛开展相关研究,而国内仍处于起步阶段。本文综述了飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法典型的实验方案,分析了各探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果。     

全保偏49 GHz高重频多波长光源的产生

频域稳定的高重频多波长光源是信道化和光通讯等领域的理想光源。为了满足高重频多梳齿激光源的应用需求,本文研制了49 GHz梳齿间隔的多波长激光源。通过优化I/Q两端射频信号和三个偏置点,IQ调制器稳定工作在载波抑制单边带模式,杂散频率成分抑制比达到27.5 dB。本文利用循环调制技术产生宽带多波长光频梳,并通过优化射频功率建立环内增益-损耗平衡,有效提升平坦度,获得了梳齿间隔为24.5 GHz、梳齿数目为28根、平坦度仅为3 dB、梳齿信噪比(TNR)达29 dB的多波长光频梳。在此基础上,进一步利用法布罗(FP)滤波技术将频率间隔提升到49 GHz,最终得到梳齿数目达14根,平坦度为2.7 dB,TNR达19 dB,平均光功率为9 dBm的高重频多波长光频梳。由于采用了全保偏光纤器件和集成化技术,本系统具有一键式启动和长时稳定运行的特点,运行半小时的功率抖动标准差仅为0.5%,有望在各微波光子领域中应用。     

微腔光频梳研究进展

光频梳由一系列离散且等距分布的相干激光组成,可作为高精度光学频率标尺,对时间和频率进行精确测量。微腔产生的光频梳具有小尺寸、低功耗、可单片集成等优势,成为近年来的研究热点。孤子的出现极大提升了微腔光频梳的相干性,其产生过程包含着丰富的非线性物理动态,且在光钟、超快测量、相干通信等多个领域具有很好的应用前景。回顾了微腔光频梳的研究进展,全面综述了微腔光频梳的理论模型、产生方法、物理机理及表征、应用,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。孤子微腔光频梳有望作为下一代集成光源,为各个领域带来革命性发展。     

1.5-μm波段25-GHz重频亚皮秒脉冲输出半导体锁模激光器(特邀)

针对高速光采样、光频梳以及光通信系统应用,研制了1.5μm波段高重频超短脉冲输出半导体锁模激光器.基于AlGaInAs/InP材料体系,采用两段式单片集成锁模结构,引入稀释波导结构,综合降低光限制因子、提升材料饱和能量、降低腔内损耗,从而降低有源区色散对脉冲的影响并提升脉冲峰值功率,最终在1.5μm波段实现了重复频率2...     

单腔双光梳激光器及其光谱学应用研究进展

光频梳因频率等间隔、波长稳定、谱线线宽窄以及谱宽大等特性,在高精度测量和计量中具有广泛的应用。其中,双光梳快速测量包括光谱测量、绝对测距、三维成像和超快异步光学采样等已成为研究热点之一。近年来,基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学系统由于具有结构简单、测量范围大和精度高等优点而备受关注。首先从时域和频域介绍了光频梳的特性和应用,尤其介绍了双光梳测量的优势,相较目前主流的稳频稳相锁模激光器、电光调制等双光梳光源实现方案,单腔双光梳激光器方案有望避免采用复杂的电子控制系统,简化双光梳光源的结构、体积和成本。因此,重点介绍了波长复用、偏振复用、空间复用和脉冲波形复用的单腔双光梳光纤激光器实现技术,并对其基本原理、性能参数和当前研究的进展以及目前发展中仍然存在的问题进行了分析;同时对保偏光纤双光梳激光器的研究现状及其性能进行了总结。接着,重点介绍了双梳光谱学的测量原理,回顾了现有光谱扩展技术,并详细介绍了基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学应用案例,包括掺铒光纤激光器所在的近红外波段以及其扩展到中红外和太赫兹波段的光谱探测。最后,总结了目前的单腔双光梳激光器的主要发展趋势,包括进一...     

微腔光梳的产生、发展及应用

光频梳提供了光波和微波相干链接的桥梁,它的诞生革命性地提高了人们对于光学频率和时间的测量精度,深刻影响着当今世界科技的发展.最早的光频梳产生于锁模激光器系统,然而基于锁模激光器的光梳,因其系统复杂、体积庞大和价格高昂,一般仅限于实验室应用.近年来一种新型光频梳应运而生,并有望解决上述问题.它是通过连续激光耦合进入高品质光学微腔而激发的,在频域上通过四波混频产生等间距的频率分量,在时域上则利用非线性效应平衡微腔色散而形成锁模,这种新型光频梳被称为“微腔光梳”.相比于传统光梳,微腔光梳有着尺寸小、可集成、功耗低和重频范围大等优势,它的出现标志着产生光梳迈向芯片级尺寸的时代,并引起了科学界和工业界越来越多的关注.本文首先概述了微腔光梳的产生与发展历程,随后介绍微腔光梳在实际应用方面取得的进展,最后对微腔光梳当前的问题进行总结,并对未来发展进行展望.     

基于双频泵浦正常色散富硅氮化硅微环谐振腔的光频率梳设计

提出一种利用锁相双频激光作为泵浦源输入正常色散富硅氮化硅微环谐振腔产生光频率梳的方案。对富硅氮化硅微环谐振腔进行色散调控,实现1550 nm波段平坦正常色散优化设计。利用LLE (Lugiato Lefever equation)方程进行光频率梳产生仿真,分析改变泵浦失谐时光频率梳产生的时域和频域演化过程。同时,探究各项参数对光频率梳产生的影响,包括泵浦功率、双频激光功率占比、微腔波导损耗、微腔色散、双频激光频率间隔。仿真实现的光频率梳带宽可覆盖1520 nm到1580 nm。     

一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.     

基于五氧化二钽集成非线性光波导的高重复频率 宽带平坦相干光频率梳的产生

通过波导结构设计以及色散调控,基于孤子脉冲压缩、自相位调制和光波分裂效应,用0.22 m反常色散五氧化二钽波导级联0.9 m正常色散五氧化二钽波导产生在1 520～1 580 nm波段具有4 dB平坦度、60 nm带宽的平坦光频率梳.利用X-Frog技术分析了脉冲在传输过程中的时谱演化,并且研究了产生光频率梳的相干性.时谱演化指出自相位调制和光波分裂的共同作用使得光频率梳的光谱包络变宽,并且具有良好的平坦度.一阶复互相干度计算指出光频率梳具有较好的相干性.仿真结果表明,五氧化二钽集成非线性光波导在产生高重复频率平坦相干宽带光频率梳方面具有较好的前景.     

中红外色散平坦渐减光纤设计

设计了一种以As2S3玻璃为纤芯、碲酸盐玻璃为微结构包层的锥形光子晶体光纤.该结构光纤兼具阶跃折射率光纤和光子晶体光纤双重特性,具有色散调制灵活性高且限制损耗低等优点.模拟结果表明:优化该光纤结构包层空气孔径、孔间距、纤芯直径等特征参量,使参量之间及参量与椎区长度之间满足特定线性关系时,该光纤在2~4.5μm中红外波段呈现色散平坦渐减特性;对该光纤微包层进行折射率~1.6的液体油填充处理,色散曲线对称性及平坦性得到进一步优化.该光纤在超短脉冲压缩与展宽、色散波、光孤子及中红外平坦超连续谱产生等领域应用潜力巨大.     

太赫兹半导体激光光频梳研究进展

光频梳由一系列等间距、高稳定性的频率线组成.由于具有超高频率稳定性和超低相位噪声,光频梳在精密光谱测量、成像、通信等领域具有重要应用.在太赫兹波段,基于半导体的电抽运太赫兹量子级联激光器具有大功率输出、宽频率覆盖范围等特点,是产生太赫兹光频梳的理想载体.本文主要介绍基于太赫兹半导体量子级联激光器光频梳的研究进展,详细列举了自由运行、主动稳频和被动稳频模式下产生光频梳的方法.双光梳光谱可以克服传统太赫兹光谱仪需要机械扫描系统而难以实现实时光谱检测的难题,是光频梳应用的主要方向.在光频梳基础之上,本文还介绍了采用两个太赫兹量子级联激光器产生双光梳的方法和应用.     

重复频率倍增光频梳时域互相关绝对测距

利用法布里-珀罗标准具对光纤光频梳的重复频率(重频)进行倍增,使光频梳重频从最初的250 MHz提升至10 GHz,对应的脉冲间距从1200 mm缩减至30 mm,极大地降低了脉冲互相关测距方法对参考臂扫描范围的需求.建立了重频倍增光频梳的时域互相关干涉信号数学模型,通过数值模拟分析了光源参数(重频、起始偏移频率)和法布里-珀罗标准具参数(色散、腔长、中心波长)对滤出光谱形状以及互相关信号的影响.在实验中,使用重频倍增后的光频梳进行脉冲互相关干涉绝对测距,与参考干涉仪对比,在210 mm范围内获得优于4μm的测距精度.     

光纤飞秒光学频率梳的研制及绝对光学频率测量

实验利用商品光纤飞秒激光器,自行构建了一套完整的光学频率梳系统,并获得了约30 dB信噪比的系统频移(f_ceo)信号.实现了光频梳重复频率(f_rep)信号及系统频移(f_ceo)信号的高稳定度锁定,并通过实验验证了光频梳锁定的跟踪精度.基于此稳定光频梳完成了对1064 nm碘稳频Nd:YAG固体激光器的绝对频率测量.实验结果表明,f_rep的跟踪精度在100 s取样时间时优于3.7×10^-14,测量得到的1064 nm激光器绝对频率为:281630111757362 Hz.这一测量结果与国际计量委员会(CIPM)给出的国际推荐值符合到不确定度之内. 关键词： 光纤光频梳 稳频 锁相技术 光学频率计量     

基于光学-微波同步的低噪声微波产生方法

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值.本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案,利用光纤环路光学-微波鉴相器,将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器.实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳,结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置,将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波,同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 d Bc/Hz@1 Hz,定时抖动为8.6 fs [1 Hz—1.5 MHz];通过搭建两套低噪声微波产生系统,测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 d Bc/Hz@1 Hz,对应的频率稳定度为4.8×10^–15@1 s.该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

基于碲酸盐微结构光纤的超连续光源

采用自制的碲酸盐微结构光纤作为非线性介质,利用实验室自己搭建的1 560 nm飞秒光纤激光器作为泵浦源,研究了泵浦功率、光纤长度、非线性系数和群速度色散对超连续谱展宽的影响,并通过优化碲酸盐微结构光纤的结构获得了覆盖1 300~2 200 nm的全光纤超连续光源。     

极紫外飞秒光学频率梳的产生与研究进展

飞秒光学频率梳对光学频率精密测量和超快科学的发展起到了至关重要的作用,而将其拓展至极紫外波段,即可作为阿秒脉冲、紫外非线性光学、电子跃迁光谱探测以及量子电动力学等研究的有力工具.极紫外飞秒光学频率梳需要通过高重复频率、高峰值功率的飞秒激光驱动高次谐波间接产生.本文从极紫外飞秒光学频率梳的产生原理出发,首先对其驱动源参数要求以及获取方式进行了介绍,分别对比了啁啾脉冲放大技术、光参量啁啾脉冲放大技术、光纤放大技术和飞秒共振增强放大技术用于驱动极紫外飞秒光学频率梳产生的优缺点及适用性.其次,针对共线和非共线产生高次谐波的两种方式,详细阐述了国际上常用的几种极紫外飞秒光学频率梳的耦合输出方法.最后,从基于飞秒共振增强腔、光参量啁啾脉冲放大器和由振荡器直接产生的极紫外飞秒光学频率梳三个角度出发,对其研究进展进行了综述,并对目前尚待优化的问题进行了总结.     

基于飞秒光频梳的双频He-Ne激光器频率测量

利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10^-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10^-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.     

掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响

由于受增益介质上能级寿命的影响,掺Er光纤光梳的梳齿线宽一般在百kHz量级.为了实现光梳梳齿线宽的压窄,一种有效的方法是在激光器中增加快速响应的电光晶体,使光纤光梳的伺服锁定带宽提高到百kHz以上,为光纤光梳的快速伺服锁定提供反馈机构.这其中,高品质的飞秒激光器是核心.基于此,本文主要研究了掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响.通过计算电光晶体的折射率、色散、相位延迟等参数,分析了电光晶体对激光器参数的影响,并在实验上获得了电光晶体电压对激光器重复频率和载波包络偏移频率的影响,进而通过电光晶体实现了对光纤光梳重复频率和载波包络偏移频率的锁定.通过锁定光纤飞秒激光器与窄线宽激光器的拍频信号,验证了电光晶体的引入使激光器的伺服锁定带宽提高到了236 kHz,为窄线宽飞秒光学频率梳的建立提供了技术基础.