飞秒光学频率梳在精密测量中的应用

飞秒光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率至微波频率基准,在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光,在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。飞秒光学频率梳作为微波频率与光学频率的桥梁,可以实现对激光频率的直接精密计量,同时作为一种有别于传统连续波稳频激光的特殊激光光源,在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用。综述了飞秒光学频率梳在若干光学精密测量应用中的研究进展、关键技术和研究动向,分析了其在未来光学测量中的重要作用。     

高重复率全光纤被动锁模飞秒激光产生研究

报道了高重复频率全光纤被动锁模飞秒激光产生的实验研究,采用全光纤环形腔结构和非线性偏振旋转可饱和吸收被动锁模机理实现了100MHz级掺铒光纤锁模飞秒激光的稳定运转,最高重复频率为99.91MHz,光谱带宽为25nm,中心波长为1570nm,脉宽最短为194fs,实验同时研究了在不同重复频率下的全光纤被动锁模激光器运转动力学特性。研究为高重复频率飞秒光纤激光器在光频梳产生技术中的应用提供了高集成、高稳定超快光源技术途径。     

利用锁相飞秒激光对碘分子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量

介绍了633 nm半导体激光频标系统,高重复频率锁相飞秒激光器系统和绝对频率测量系统的建立以及测量碘分子超精细跃迁绝对频率的系统方案.633 nm半导体激光频标采用三次微分稳频方法,将激光频率锁定在碘分子谱线上,获得0.5 mW的稳频激光输出.飞秒激光稳频系统通过锁相电路将飞秒激光的高重复频率(760 MHz)和初始频率稳定在微波频率标准上,从而得到稳定的飞秒光梳,其稳定度优于6.44×10-13.在此基础上建立了绝对频率的直接测量系统,即利用波长计直接测量光梳的齿数n,并通过拍频法,测出633 nm半导体激光频标与飞秒光梳的差频,从而计算出相应谱线的绝对频率.这样,通过锁相飞秒激光器,建立了微波频率标准到光学频率标准的传递,为进一步的基础研究工作奠定了基础.     

二极管抽运全固态飞秒Yb激光振荡器

二极管抽运的全固态锁模Yb激光器能够在1μm附近输出高平均功率窄脉冲宽度的飞秒激光,在超快非线性频率变换、飞秒光学频率梳、超快光谱学等领域具有重要应用。利用被动锁模技术和克尔透镜锁模技术,人们在一系列新型Yb掺杂激光介质中实现了飞秒锁模激光运转。介绍了近年来在二极管抽运全固态飞秒Yb激光器的研究进展,并展望了进一步提高输出功率和缩短脉冲宽度的技术途径及发展前景。     

集成微腔光频梳在精密测量中的应用（特邀）

精密测量是现代物理学的基石,而激光光源的发展直接推动了测量科学与技术的进步。21世纪初,光学频率梳的发明促使人们成功实现最精准的时间/频率标准装置——光学原子钟,推动了绝对光学频率测量、基本物理常数测量、精密距离测量以及分子光谱测量等精密测量技术的发展。然而早期的光梳光源系统复杂、价格昂贵,一般工作于大型实验室里,限制了其应用场景的拓展。近年来,出现了一种新型集成微腔光频梳,其具有体积小、功耗低、可批量制备等优势,吸引了科学界和产业界的广泛关注。不同于传统光梳,这种集成微腔光梳不需要依赖增益介质或可饱和吸收体实现锁模,而是通过高品质因子微腔增强的非线性作用来实现光梳的激发与锁模。这种全新的光梳激发与锁模机制降低了精密光源的体积和成本,在平民化精密测量应用中具有优势。文中介绍了集成微腔光梳在精密测量领域中取得的进展,主要围绕微型化光学原子钟、超快精密距离测量、精密光谱测量三个方向。最后对集成微腔光梳在未来精密测量应用中的机遇与挑战进行了总结与展望。     

北京大学研制成功重复频率330MHz掺镱光纤飞秒激光器

基于光纤飞秒激光器的光学频率梳是频率梳发展方向。但光纤激光器受光纤长度的限制,重复频率,即光梳的梳齿频率间隔不容易做得很大。在掺铒光纤激光器中相对容易产生高重复频率锁模脉     

高功率高重复频率飞秒掺镱光纤激光频率梳的研究(特邀)

飞秒光学频率梳在精密计量学和光谱学中扮演着革命性的推动角色,成为近二十年超短脉冲激光技术及应用研究领域最活跃的前沿方向之一。文中基于250 MHz重复频率（frep）的掺镱（Yb）光纤激光器,研究了不同腔内色散以及锁模机制对飞秒脉冲序列载波包络相位偏移频率（fCEO）噪声的影响。通过对飞秒光梳细节的优化,得到了49 dB信噪比的fCEO拍频信号并获得了秒稳3.210-10的锁定结果,同时frep的锁定结果也达到了到了秒稳3.410-13的精度。此外文中还研究了不同啁啾状态的种子光飞秒脉冲对基于大模场面积双包层Yb光子晶体光纤放大器输出光脉冲宽度的影响。以携带-3.8104 fs2预啁啾量的光脉冲作为种子光,在60 W 976 nm半导体激光泵浦下,获得了250 MHz重复频率、23 W平均功率和66 fs压缩后脉冲宽度的激光输出。     

高次谐波锁模飞秒掺镱光纤激光器的噪声情况

高重复频率的飞秒激光在高速激光测距和三维成像等领域有着非常重要的作用。其中基于飞秒光纤激光器的高次谐波锁模是获得GHz量级以上高重复频率脉冲的重要手段之一。基于含腔内光栅对色散补偿的非线性偏振旋转（NPR）锁模的掺镱（Yb）光纤激光器,在180 mW泵浦光时获得了稳定的143 MHz基频锁模脉冲序列,当泵浦光功率升至1 W时获得了最高20次谐波（2.86 GHz）锁模脉冲序列输出。系统地对比研究了基频锁模与高次谐锁模状态下,脉冲重复频率精密锁定后的艾伦偏差和相位噪声,7次谐波锁模状态下重复频率锁定精度能够保持在10?13 Hz@1 s的稳定度,为高次谐波锁模飞秒激光脉冲序列用于精密测量提供了实验依据。     

中红外光学频率梳:进展与应用（特邀）

光学频率梳是一种宽谱的相干光源,由一系列等频率间隔的离散谱线组成,具有超高的时频精度。自诞生以来,光学频率梳为精密光谱学、光学测量、相干光通信、光时钟等多种应用的发展带来了革命性的变化。近年来,研究人员通过新型激光增益介质、非线性频率转换和微谐振腔等技术将频率梳扩展到中红外光谱区域(2~20 μm),进一步扩大了光频梳的应用范围。文中全面介绍了中红外光频率梳的产生机制、最新进展及应用。     

LD泵浦的高重复频率全固态飞秒激光器（特邀）

GHz飞秒激光器相比于传统的百MHz飞秒激光器,其频域中相邻纵模的间隔更大、可分辨率更高,相同光谱范围内纵模密度更小,每个纵模分得的平均功率相对更高,在梳齿可分辨光谱学、直接频率梳光谱学、光学任意波形产生以及天文摄谱仪校准等诸多领域有着更重要的应用价值。文中从GHz飞秒脉冲的产生方案出发,着重对激光二极管泵浦的GHz重复频率全固态飞秒激光的产生方案以及相应的技术挑战进行了详细介绍,然后重点综述了国际上基于SESAM被动锁模以及克尔透镜锁模全固态GHz飞秒激光器的研究进展,并结合笔者所在课题组取得的初步研究结果对全固态GHz重复频率飞秒激光器的应用价值以及笔者所在课题组的研究目标进行了展望。     

光纤飞秒光梳频率精密控制的研究

新一代光纤飞秒光梳在精密测量和基础物理研究领域中有着广阔的前景,一种通过数字电荷泵锁相环和温控电路相结合的方法可以精密控制光纤飞秒光梳。在实验中,我们成功搭建了光纤飞秒光梳系统。光梳的重复频率为129MHz,初始频率大约为33MHz。我们通过自主研发的温控和数字电荷泵锁相环成功地把光纤飞秒光梳成功地锁定在了由Agilent PSG Analog Singal Generator提供的标准微波信号上,锁定时间至少长达1天。锁定后的重复频率的抖动标准差为0.78mHz,与基准源同一个数量级且很接近,锁定后的初始频率的抖动标准差可达8.98Hz。     

光频标和光频测量研究的历史、现状和未来

本文综合评述了光频标和光频测量研究的历史、现状和未来。在上世纪最后的30年间，光频标已达到10^-11-10^-13量级的准确度，使长度单位“米”进行了重新定义，实际上成为时间单位秒的“导出单位”。最近三年来，该领域的研究出现了重大突破。这是由于飞秒锁模激光技术与光频测量技术两者出人意外的结合，使微波频标与光频标之间建立了简易可行的联系，使光频标的准确度和实用性达到了前所未有的高度，成为计量学和物理学中一个新的亮点。它的进一步发展必将给计量学和物理学带来深远的影响。     

光学时钟发展状况及其关键参数测量的探讨

介绍了光学频率梳技术在光学频率标准中的发展状况。为了真正使用光学频率梳，需要测量载波包络相位频移，进而需要制作倍频程飞秒激光器。围绕倍频程飞秒激光器光谱展宽，介绍了五种方法。着重介绍了直接产生超宽带光谱的倍频程激光器的制作方法和超宽带半导体可饱和吸收镜在其中的作用和制作方法。目前后者在国际上尚没有人制作出来。     

Optical clockworks and the measurement of laser frequencies with amode-locked frequency comb

Femtosecond laser-frequency comb techniques are vastly simplifying the measurement and synthesis of optical frequencies. A single mode-locked femtosecond laser, with its spectrum broadened by self-phase modulation in a microstructured or tapered nonlinear fiber, can produce millions of sharp laser lines in a precise evenly spaced grid spanning much of the visible and near-infrared spectrum. The absolute frequency of each line is determined by two observable radio-frequency signals. The pulse repetition rate gives the spacing of the comb lines and the rate at which the phase of the lightwave slips, relative to the intensity envelope from pulse to pulse determines the offset frequency by which each line is displaced from a precise integral multiple of the repetition frequency. This offset frequency can be measured most easily if the comb spans more than an optical octave so that one can observe a radio frequency beat note between the second harmonic of the infrared comb lines with the corresponding comb lines at the blue end. Such an optical-frequency synthesizer makes optical oscillations readily countable and provides the long-awaited compact optical clockwork for an all-optical clock     

Recent progress in integrated electro-optic frequency comb generation

Optical frequency combs have emerged as an important tool enabling diverse applications from test-and-measurement,including spectroscopy,metrology,precision distance measurement,sensing,as well as optical and microwave waveform synthesis,signal processing,and communications.Several techniques exist to generate optical frequency combs,such as mode-locked lasers,Kerr micro-resonators,and electro-optic modulation.Important characteristics of optical frequency combs include the number of comb lines,their spacing,spectral shape and/or flatness,and intensity noise.While mode-locked lasers and Kerr micro-resonators can be used to obtain a large number of comb lines compared to electro-optic modulation,the latter provides increased flexibility in tuning the comb spacing.For some applications in optical communications and microwave photonics,a high degree of integration may be more desirable over a very large number of comb lines.In this paper,we review recent progress on integrated electro-optic frequency comb generators,including those based on indium phosphide,lithium niobate,and silicon photonics.     

四波混频和级联四波混频效应产生的连续光频率梳

针对产生光频率梳需要锁模激光种子源的难题,创新性提出了用连续光源产生光频率梳,应用色散平坦高非线性光纤解决了宽光谱范围四波混频和级联四波混频效应的相位失配问题。通过实验展示了近40 nm带宽的光频率梳的形成,光频率梳由低功耗,低成本,连续波种子（法布里-珀罗激光器）生成,无需脉冲激光源。连续光频率梳是由在420 m零色散色散平坦高非线性光纤中的四波混频和级联四波混频效应产生的,频谱带宽扩展了近10倍,频率梳的线宽为4.3 MHz。     

基于分布反馈激光器布里渊散射的高精度光谱测量

实现了一种基于光纤中受激布里渊散射(SBS)效应 的高分辨率光谱测量技术。使用连续可调谐分布反馈(DFB) 激光器作为泵浦光,与待测信号光在单模光纤(SMF)中发生受激布里渊放大相互作用,由此 实现对待测光的高分 辨率光谱测量与分析。DFB激光器的波长扫描通过高精度温度调谐来实现。与相关报道 中使用的外腔 可调谐激光器对比,DFB激光器具有体积小、成本低的优势。同时在波长扫描过程中,对DFB 激光器的输出光进行自 拍频处理获得其实时扫描速率,以此校正激光器的实时扫描波长,提高测量准确度。实验 初步验证了本文高分辨率光谱测量技术的可行性,并获得了0.24pm 的光谱分辨率。