具有10⁻¹⁹环外频率稳定度的20W高功率光纤光学频率梳 | 进展

高功率光学频率梳在非线性精密光谱学、极紫外光学频率梳产生、核原子钟研究等方面起着十分重要的作用，光纤飞秒激光器由于结构简单、性能稳定、易于放大等优点，是实现高功率光学频率梳的首选方案。然而，由于光纤激光放大中难以避免的自发辐射（ASE）噪声、泵浦强度噪声、光谱相干性退化以及光程引起的相位抖动等噪声，严重影响着光梳的频率稳定度。因此如何在高功率放大的同时得到高的频率稳定度是一个极具挑战性的工作。

针对上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L07组基于长期光学频率梳技术研究的基础，近年先后提出了采用低噪声光纤种子源、线性啁啾脉冲放大、腔内电光晶体快速相位调制等技术方案，并通过拉锥光子晶体光纤产生高相干性超连续谱及结合结构一体化设计、控温、隔振等各项工程化设计，有效地较低了光学频率梳的噪声。最近该组副研究员韩海年及博士后邵晓东等人在20W高平均功率的光纤光学频率梳上，进一步实现了环外频率稳定度达10⁻¹⁹/1000s量级的结果。据知这已经达到目前最好光学原子钟的频率稳定度，也是迄今高功率光学频率梳取得的最优结果。图1为研制的两套相同的高功率光纤光梳工程样机及环外双光梳比对测量频率稳定度的原理图。

图1 （a）高功率光纤光梳工程化原理样机照片，（b）高功率光学频率梳环外频率稳定度测量原理图

研究中使用自建的非线性偏振旋转锁模（NPR）光纤激光振荡器作为飞秒种子脉冲源，经线性光纤啁啾脉冲放大（CPA）后，得到了平均功率大于20 W、脉冲宽度75 fs的高功率飞秒激光输出。载波包络相移（CEO）频率的锁定频率稳定度为1.5×10⁻¹⁷/s。在进行光频的锁定时，从振荡器和放大器不同分支输出的飞秒脉冲与超稳参考激光分别拍频，如果以放大器的拍频信号进行锁定，则测得高功率放大激光环内频率稳定度可以达到2×10⁻¹⁸/s，而在只锁定振荡器输出的飞秒脉冲情况下，若任由放大器自由运转，则频率稳定度只能达到10⁻¹⁵/s，差了三个量级。噪声功率谱分析表明放大器引入了大量的低频噪声，其对光学频率梳频率的长期稳定性有着显著影响，在1000 s门时间下，该差别甚至高达四个数量级，如图 2 （a）所示。此外表征频率短期稳定性的相位噪声分析结果也表明，经过一系列的噪声控制措施后，放大器引入的高频噪声很小，不影响系统的短期稳定性。

图2 （a）振荡器和放大器分别锁定的频率稳定度，（b）高功率光学频率梳环外比对的频率稳定度

为了评估该高平均功率光学频率梳在实际应用中的频率稳定度性能，本研究首次进行了两台 20W高功率光纤激光频率梳环外频率比对的测量。测量结果表明在1 s积分时间下，环外频率的典型稳定度值为4.35×10⁻¹⁷/s，1000 s 积分时间下降为6.54×10⁻¹⁹，如图2（b）所示，这将为很多需要高功率和高频率稳定度光梳的应用打开新的大门。该研究进展最近以“High power optical frequency comb with 10⁻¹⁹frequency instability”为题发表在Optics Express上。（Opt. Express 31(20), 32813-32823 (2023)）。文章第一作者是邵晓东，合作导师为魏志义和韩海年。工作获得了中国科学院先导专项(XDA1502040404, XDB210104004)及国家自然科学基金项目 (60808007, 61378040, 11078022, 91850209)的支持。