Optische Hochleistungsfrequenzkämme spielen eine sehr wichtige Rolle in der nichtlinearen Präzisionsspektroskopie, der Erzeugung optischer Frequenzkämme im extremen Ultraviolett, der Kern- und Atomuhrenforschung usw. Faser-Femtosekundenlaser sind aufgrund ihrer Vorteile die bevorzugte Lösung für die Realisierung optischer Hochleistungsfrequenzkämme von einfacher Struktur, stabiler Leistung und einfacher Verstärkung. Allerdings wird die Frequenzstabilität des optischen Kamms aufgrund des unvermeidlichen Spontanemissionsrauschens (ASE), des Pumpintensitätsrauschens, der Verschlechterung der spektralen Kohärenz und des Phasenjitters, die durch den Lichtweg bei der Faserlaserverstärkung verursacht werden, ernsthaft beeinträchtigt. Daher ist es eine anspruchsvolle Aufgabe, eine hohe Frequenzstabilität bei gleichzeitig hoher Leistungsverstärkung zu erreichen.
Um die oben genannten Probleme anzugehen, hat die L07-Gruppe des Key Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics auf der Grundlage der langfristigen Forschung zur optischen Frequenzkammtechnologie sukzessive Vorschläge vorgelegt die technischen Lösungen der Übernahme der rauscharmen optischen Faser-Seed-Quelle, der linearen Chirp-Pulsverstärkung und der schnellen Phasenmodulation des elektrooptischen Kristalls innerhalb des Hohlraums usw. und der Erzeugung des hochkohärenten Superkontinuumsspektrums durch die ziehende kegelförmige photonische Kristallfaser und deren Kombination Das integrierte Strukturdesign, die Temperaturkontrolle, die Vibrationsisolierung und andere technische Designs haben das Rauschen des optischen Frequenzkamms wirksam reduziert. Kürzlich haben Hainian Han, ein assoziierter Forscher in der Gruppe, und Xiaodong Shao, ein Postdoktorand, außerdem eine Out-of-Ring-Frequenzstabilität in der Größenordnung von 10-19/1000s bei einer 20-W-Hochdurchschnittsleistung erreicht Faseroptischer Frequenzkamm. Dies hat bekanntermaßen die Frequenzstabilität der derzeit besten optischen Atomuhren erreicht und ist auch das optimale Ergebnis, das bisher mit optischen Hochleistungsfrequenzkämmen erzielt wurde. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm der beiden entwickelten identischen Prototypen der Hochleistungs-Glasfaserkammtechnik und den Vergleich des extraringförmigen dualen optischen Kamms zur Messung der Frequenzstabilität.
Als Femtosekunden-Seed-Pulsquelle wurde in der Studie ein selbstgebauter nichtlinear polarisierter, rotationsmodengekoppelter (NPR) Faserlaser-Oszillator sowie ein Hochleistungs-Femtosekunden-Laser mit einer durchschnittlichen Leistung von mehr als 20 W und einer Pulsbreite von 75 verwendet fs wurde nach linearer Faser-Chirped-Pulsverstärkung (CPA) erhalten. Die Stabilität der fixierten Frequenz der Carrier-Envelope-Phase-Shift-Frequenz (CEO) beträgt 1,5×10-17/s. Bei der optischen Frequenzverriegelung werden die Femtosekundenimpulse, die von verschiedenen Zweigen des Oszillators und des Verstärkers ausgegeben werden, separat mit dem superstabilen Referenzlaser abgegriffen, und wenn das abgegriffene Signal des Verstärkers für die Verriegelung verwendet wird, wird die gemessene Frequenzstabilität des Hochleistungslasers gemessen Der verstärkte Laserring kann 2×10-18/s erreichen, während im Fall nur des CPA die Frequenzstabilität 2×10-18/s erreichen kann und im Fall nur des CPA die Frequenz Die Stabilität kann 2×10-18/s erreichen. -18/s, während im Fall, dass nur der Femtosekunden-Impulsausgang vom Oszillator gesperrt wird und der Verstärker frei laufen kann, die Frequenzstabilität nur 10-15/s erreichen kann, was drei Größenordnungen entspricht um ein Vielfaches schlimmer. Die Analyse des Rauschleistungsspektrums zeigt, dass der Verstärker eine große Menge an niederfrequentem Rauschen einbringt, was einen erheblichen Einfluss auf die Langzeitstabilität der optischen Frequenzkammfrequenz hat und der Unterschied sogar bis zu vier Größenordnungen beträgt eine Torzeit von 1000 s, wie in Abb. 2 (a) dargestellt. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse der Phasenrauschanalyse, die die Kurzzeitstabilität der Frequenz charakterisiert, auch, dass nach einer Reihe von Rauschkontrollmaßnahmen das vom Verstärker eingebrachte Hochfrequenzrauschen sehr gering ist und keinen Einfluss auf die Frequenz hat kurzfristige Stabilität des Systems.
Um die Frequenzstabilitätsleistung dieses optischen Frequenzkamms mit hoher Durchschnittsleistung in praktischen Anwendungen zu bewerten, werden in dieser Studie erstmals zwei 20-W-Hochleistungsfaserlaser-Frequenzkämme gemessen. Die Messergebnisse zeigen, dass der typische Stabilitätswert der Out-of-Ring-Frequenz bei 1 s Integrationszeit 4,35×10-17/s beträgt und bei 1000 s Integrationszeit auf 6,54×10-19 abnimmt Wie in Abb. 2 (b) gezeigt, wird dies neue Türen für viele Anwendungen öffnen, die eine hohe Leistung und Hochfrequenzstabilität optischer Kämme erfordern. Dieser Forschungsfortschritt wurde kürzlich in Optics Express unter dem Titel „High power Optical Frequency Comb with 10-19 Frequency Instability“ (Opt. Express 31(20)) veröffentlicht. (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Der Erstautor des Artikels ist Xiaodong Shao, die Co-Betreuer sind Zhiyi Wei und Hainian Han. Diese Arbeit wurde vom Pilotprogramm der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (XDA1502040404, XDB210104004) und der National Natural Science Foundation of China (60808007, 61378040, 11078022, 91850209) unterstützt.
Ein 20-W-Hochleistungs-Glasfaser-Frequenzkamm mit extraringförmiger Frequenzstabilität 10-19-ter Ordnung.
Abb. 1 (a) Foto des technischen Prinzipprototyps des faseroptischen Hochleistungskamms, (b) Schematische Darstellung der Messung der Extra-Ring-Frequenzstabilität des optischen Hochleistungsfrequenzkamms
Abb. 2 (a) Frequenzstabilität von Oszillator und Verstärker getrennt gesperrt, (b) Frequenzstabilität eines optischen Hochleistungsfrequenzkamms mit Out-of-Ring-Vergleich
