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.     

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...     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

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     

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.     

太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输

针对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与传输存在的阻抗不匹配问题,设计并提出了一种输入阻抗为20Ω、输出阻抗为50Ω的渐变微带线结构,研究了该结构的准TEM模电场分布,并根据S参数建立了相应的LC等效电路模型分析其物理机理。实验中,将渐变微带线结构应用于太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与测试,以验证渐变微带线传输射频信号效果,成功测量得到太赫兹量子级联激光器重复频率,其线宽为3.7 kHz,信噪比达到60 dB,在注入电流为700～900 mA范围内重复频率表现为稳定的单模信号,测量得到的最大保持和幅度艾伦方差结果同样表现出重复频率的稳定性。实验结果表明,所设计的渐变微带线具有良好的阻抗匹配效果,能够实现对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号稳定的提取和传输。     

回音壁模式光学微腔的激发模式控制

利用二氧化碳激光器在熔融石英棒上加工出具有超高品质因子的微棒腔,并研究了微腔的曲率、耦合位置以及耦合位置处锥形光纤的半径对激发的模式数量、品质因子以及耦合效率的影响。通过优化加工和耦合过程中的参数,在保证超高品质因子的同时激发出少量模式,有效避免了模式重叠,从而在不同波长下产生了具有频谱光滑包络的孤子光频梳。     

全保偏双飞秒光纤光频梳系统的频率联动特性

采用跟踪反馈控制法,实现了双飞秒光频梳系统的频率联动,研究了主动光频梳自动扫频和手动扫频情况下,双光梳间的频率联动特性.结果显示,对主动光频梳进行自动扫频或手动扫频时,从动光频梳的频率跟随变化,且双光梳频率间的相关系数最大可达0.99,说明双光梳的频率间保持了较好的联动特性.最后,将频率联动的全保偏双光梳系统用于测距实验中,测量距离为1.332m,时间间隔为0.2s,连续进行16次测量,测得数据的标准差为0.35μm,测量精度可达亚微米量级.     

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.     

基于色散调控氟碲酸盐玻璃光纤的O-U波段平坦光频梳产生

光学频率梳（简称光频梳）作为一种优秀的多波长光源在通信领域具有巨大的应用潜力。通过将光频梳光源与波分复用技术（WDM）、空分复用技术结合（SDM）,通信系统可以具有百Tbit/s量级的传输速率,在5G/6G通信、物联网、自动驾驶等方面具有重要的应用价值。目前实现光频梳的方法主要有以下四种,分别为基于锁模激光器产生飞秒光频梳、基于光学微腔产生光频梳、基于电光调制器产生光频梳以及基于行波四波混频产生光频梳。它们各具特点,但均很难同时实现宽光谱、高信噪比、高平坦度、高的单梳齿功率以及梳齿频率间隔大范围可调,这在一定程度上影响了光频梳在光通信领域的应用。本文提出基于受激布里渊激光腔产生种子梳,采用腔外负色散光纤进行脉冲压缩,进一步利用色散调控的高非线性氟碲酸盐光纤进行扩谱,从而实现光频梳产生。数值计算结果表明,通过该系统,我们可以得到重复频率大范围可调、光谱覆盖整个O-U波段且在O-U波段梳齿强度标准差小于5 dB的平坦光频梳,证明了通过基于布里渊激光腔与色散调控高非线性氟碲酸盐光纤的光学系统产生可用于光通信的平坦光频梳的可行性。     

PPLN晶体差频测量飞秒激光脉冲的载波包络相移

在飞秒激光频率梳系统中，通常采用自参考技术测量飞秒激光脉冲的载波包络相移，但该技术需要采用光子晶体光纤进行光谱扩展从而增加了系统的不稳定性，这种技术已经制约了高稳定度的飞秒激光频率梳的发展.采用PPLN晶体差频法测量了宽谱钛宝石振荡器输出的7fs激光脉冲的载波包络频移，得到了大于30dB的拍频信号，为研制无光纤的新一代高稳定度光学频率梳奠定了基础.     

覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳

飞秒光学频率梳波长覆盖范围向可见光波长扩展对于碘稳频激光的绝对频率测量以及光钟研究中钟激光的绝对频率测量都具有十分重要的意义. 本文在自行研制掺Er光纤飞秒光学频率梳的基础上, 采用放大-倍频-扩谱的方案, 实现了激光输出波长向可见光波长的扩展. 掺Er光纤飞秒光学频率梳输出的一部分光激光脉冲, 功率约为8 mW, 首先经掺Er光纤放大器将功率提高到531 mW, 此后利用MgO: PPLN晶体倍频, 倍频后激光的功率为170 mW, 倍频效率为32%, 脉冲宽度为85 fs. 倍频后的激光通过光子晶体光纤进行光谱展宽. 通过优化入射光偏振状态可以实现波长覆盖500-1000 nm, 输出功率为85 mW, 耦合效率为50%. 采用小型化碘稳频532 nm Nd: YAG激光器输出激光与光学频率梳光谱展宽后的激光进行拍频可以获得30 dB的拍频信号. 覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳为可见光范围内激光的绝对频率测量提供了技术手段.     

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.     

基于光注入下电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带光学频率梳

数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案。在该方案中,首先采用调制频率f_m=f_0/n(f_0为1 550nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1 550nm垂直腔面发射激光器,使该1 550nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳。基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性。仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1 550nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6mA)偏置在11.5mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80GHz的光学频率梳。     

基于飞秒光频梳的压电陶瓷闭环位移控制系统

利用飞秒光频梳、外腔可调谐半导体激光器和法布里-珀罗干涉仪建立了一套压电陶瓷亚纳米级闭环位移控制系统. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳, 通过精确调谐光频梳的重复频率, 实现了半导体激光器在其工作频率范围内的精密调谐. 利用Pound-Drever-Hall锁定技术将带有压电陶瓷的法布里-珀罗腔锁定至半导体激光器, 进而通过频率发生系统控制压电陶瓷产生亚纳米级分辨率的位移. 实验研究发现锁定至光频梳后可调谐半导体激光器1 s的Allan标准偏差为1.68×10^-12, 将其在30.9496 GHz范围内进行连续闭环调谐, 可获得压电陶瓷的位移行程约为4.8 μm; 以3.75 Hz的步长扫描光频梳的重复频率, 实现了压电陶瓷的450 pm闭环位移分辨率并测定了压电陶瓷的磁滞特性曲线. 该系统不存在非线性测量误差, 且激光频率及压电陶瓷位移均溯源至铷钟频率源. 关键词： 光频梳 压电陶瓷 法布里-珀罗腔 可调谐半导体激光器     

利用倾斜光纤光栅的可开关双波长光纤激光器

报导了一种在四波混频作用下利用倾斜光纤布拉格光栅进行波长选择的可开关双波长掺铒光纤激光器。通过将倾斜光纤光栅与单模光纤进行横向错位焊接,使光栅的反向LP01和LP11两个模式具有相近的有效反射率,从而可以用来进行激光器的双波长选择。接入腔内的一段高非线性光子晶体光纤引入的四波混频效应克服了模式竞争,使得双波长激光在室温下稳定振荡。腔内起偏器和偏振控制器的联合作用可产生依赖于波长的损耗,以补偿光纤光栅两反射峰峰值的大小差异。基于以上原理,通过调节腔内的偏振态,该激光器实现了室温下稳定的双波长输出,也实现了在两波长之间的转换。两波长激光均有超过45 dB的信噪比,最大的功率波动为0.8 dB     

影响光纤参量振荡器全光时钟提取性能的因素分析

实验考察了输入光信号调制速率、泵浦功率、偏振态以及光纤参量振荡器（FOPO）环形腔内光纤长度、光偏振旋转等因素对FOPO提取的时钟信号相位抖动和幅度噪声的影响。实验表明,在光时钟信号相位抖动均方值（RMS）为0.025 UI的容限内,基于FOPO的全光时钟提取方案对这些变化因素的承受能力分别为:8.2 kHz的输入信号调制速率变化、5 dB的泵浦光功率变化、20泵浦信号方位角变化、2 mm的腔内光纤长度变化以及14的腔内信号方位角变化。这为进一步提高基于FOPO全光时钟提取性能提供了重要实验依据。     

短外腔偏振旋转光反馈下1550nm垂直腔面发射激光器的动力学特性研究

基于扩展的自旋反转模型,对短外腔偏振旋转光反馈下1550 nm垂直腔面发射激光器的动力学特性进行了数值仿真和理论分析.研究结果表明:增加反馈强度会导致多个偏振开关现象出现,中等反馈强度下呈现丰富的动力学状态,譬如单周期、倍周期、准周期及混沌态,增加注入电流使Y方向线偏振模的工作区域被压缩;随着反馈延迟时间的增加,在弱光反馈时,偏振模跳变现象将会以特定的频率发生,施加中等的反馈强度将会导致模式跳变的频率增加,并且出现各种新的动力学状态,包括拍频单周期、拍频脉冲包络、拍频准周期和拍频混沌态.新动力学行为的出现是由于短外腔区激光器的动力学特性对相位变化非常敏感,从而使外腔模式间的拍频效应发挥了关键作用.此外还发现各种动力学状态之间会伴随模式间的跳变而发生相互跳变.     

空间走离对量子光学频率梳压缩特性的影响

量子光学频率梳在量子计算、量子信息以及高精度量子测量等领域都有重要的价值,同步泵浦光学参量振荡器是制备量子光频梳最主要的手段.本文采用中心波长为815 nm、脉冲宽度为130 fs的锁模飞秒脉冲激光二次谐波泵浦Ⅰ类共线BiB₃O₆晶体以制备真空压缩态量子光频梳,给出了同步泵浦光学参量振荡器中空间走离效应对获得量子光频梳压缩度的影响.研究表明,随着晶体长度的增加,压缩度的增长会受到空间走离效应限制,经计算在晶体长度为1.49 mm时压缩达到最大.在此基础上,本文实验研究了在四种晶体长度下获得的真空压缩态量子光频梳的压缩特性,当BiB₃O₆长度为1.5 mm时获得了(3.6±0.2) dB的最大真空压缩,考虑损耗后为(7.0±0.2) dB,实验结果与理论分析相符.该研究揭示了飞秒脉冲光在非线性晶体中存在的空间走离效应是影响量子光频梳压缩特性的重要因素,为优化量子光频梳的实验测量提供了指导.     

飞秒钛宝石激光脉冲的载波包络相移测量研究

飞秒激光脉冲的载波包络相移测量与控制是实现阿秒脉冲与光学原子钟的重要内容，在利用光子晶体光纤扩展飞秒钛宝石激光振荡器光谱的研究基础上，通过自参考技术测量并优化了该激光输出脉冲的载波包络相移所引起的拍频信号.实验上采用半导体抽运的倍频Nd:YVO4532nm激光器作为抽运源，对钛宝石激光器所产生的平均功率500mW、脉宽18fs的光脉冲进行拍频测量后观察到约23MHz的频移，对应于每周期053π的载波包络相移.飞秒激光脉冲载波包络相移测量的实现对于进一步利用电子反馈系统精确控制载波包络相移，从而得到高稳定的飞秒激光频率梳具有重要意义. 关键词： 载波包络相移 光子晶体光纤 飞秒 超连续