超低相噪全固态光学频率梳连续激光频率锁定研究获进展

自本世纪初飞秒光学频率梳(光频梳)问世并获得2005年诺贝尔物理学奖以来,其发展不仅日新月异,而且应用也层出不穷,从光频标、精密光谱学、阿秒科学、基本物理常数等基础研究拓展到了绝对距离测量、地外行星探测、微波光子学等高技术领域,特别是近年来在空间高精度频标、空地高精度时频传递等重大需求中也呈现出越来越广泛而重要的应用潜力。在光频梳研究中,一个重要的问题是对载波包络相移频率fceo的精确锁定,其不仅决定着整个频率梳的初始频率漂移,而且在飞秒激光与物质相互作用研究中也影响着所能得到的作用效果与物理效应,因此如何精密控制并锁定fceo以获得极低相噪的结果,是光频梳与超快激光研究中极具挑战性的工作之一,也是光频梳所能达到水平的重要标志。  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实验室L07组多年来一直致力于低相噪高稳定光学频率梳技术及频率锁定的研究,曾提出整形光谱自差频测量fceo的技术,证明了一种获得高信噪比fceo的方案,并结合电子锁相环反馈控制技术实现了相位漂移低至55mrad的超低相噪钛宝石光频梳。近年来,一种新的fceo反馈技术——前置反馈锁定技术,由于可直接补偿抵消fceo漂移,因此受到人们的广泛关注。所谓前置反馈锁定技术,是在输出激光中插入一个声光调制移频器(Acousto-optic
Frequency Shifter,
AOFS),通过将测到的fceo频率直接调制到声光晶体上,从而在其一级衍射光中得到频率被量身修正的输出激光。相比传统的电子锁相环反馈技术,前置反馈锁定没有比例积分滤波(PID)环节,相当于具有很宽的带宽,因此可以瞬时响应误差信号,从而很好地抑制高频相噪,理论上具有极低的噪声。最重要的一点,AOFS是直接插入在输出激光中,对激光器系统没有任何影响,这就大大增加了该技术的实用性。最近,该组的副研究员韩海年、博士研究生张子越和研究员魏志义等人在多年努力的基础上,首次实现了全固态克尔透镜锁模Yb:CYA激光fceo的前置反馈锁定,从而实现了一种超低相噪的全固态新型光学频率梳。图1所示为实验装置及结果,实验中他们研制的全固态克尔透镜锁模Yb:CYA激光的输出功率为200mW、脉宽为57fs、重复频率为84MHz,通过在AOFS的零级和一级衍射光后各搭建一套f-2f干涉装置作为内环和外环,并将内环测到的fceo信号直接反馈到AOFS以控制fceo的漂移、外环测到的fceo信号用于分析锁定结果。得益于AOFS前置反馈锁定控制带宽的大幅度提升,最后测得该光频梳的fceo积分相位噪声(1Hz-1MHz)低达79.3mrad,相对采用传统锁相环泵浦反馈方式的316mrad结果,相位噪声降低了70%,这也是迄今基于全固态激光在1um波段得到的最低fceo相噪。此外通过对1Hz以下相位噪声功率谱密度和长时间频率不稳定度的分析,表明他们发展的该项技术在高频相噪抑制方面更具优势。该项工作结果以Ultra-low-noise
carrier-envelope phase stabilization of a Kerr-lens mode-locked Yb:CYA
laser frequency comb with a feed-forward method
为题目发表在最新一期的《光学快报》上(Optics Letters
Vol.44(22),2019)。  如何实现光频梳和连续激光之间的相干连接,是光频梳和光频测量比对研究中另一个具有重要意义和挑战性的研究内容。将锁定到超稳激光的光频梳再与任何一个连续激光相干连接,超稳激光的频率稳定度可准确地传递到这个连续激光,这样就成为一个完美的光学频率综合器,可在微波至光频波段提供任意的低相噪高稳定频率源。AOFS前置反馈锁定技术同样可以用于连续激光和光频梳之间的相干连接,基于该项专利发明(专利号:ZL
201811074118.3),韩海年、博士研究生邵晓东和研究员魏志义等人也进一步实现了频率稳定性的相干传递。实验中首先将一台1064
nm连续激光器和光频梳进行拍频,然后将得到的拍频信号与本振信号混频后驱动AOFS以实现前置反馈,这样经过AOFS后的一级衍射光就被锁定到了光频梳上(图2左),这台光频梳是锁定在一台超稳972nm连续光源上。锁定前,1064nm连续激光器每小时的频率漂移约几十kHz,锁定后测量得到10000
s积分时间下一级衍射光的频率漂移偏差仅为4.1
mHz,对应的频率稳定性为1.5×10-17/s(图2右),噪声被极大压制,长期稳定性也得到了极大提高,很好地实现了光频梳和连续激光之间的相干连接。主要结果最近以Precision
locking CW laser to ultrastable optical frequency comb by feed-forward
method 为题目发表在AIP Advances
9(11)2019上。  以上研究获得中科院先导专项(XDA1502040404,
XDB21010400)及国家自然科学基金项目 (91850209, 11434016,
61575219)的支持。

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技术前沿
】近日,中国科学院国家授时中心研究员张首刚、姜海峰带领的飞秒光梳及其应用研究小组在超稳激光研究方面取得新进展,其相关技术指标达到国际先进水平。
图1 应用不同电光调制器时PDH激光锁频的噪声效应(自制——红色,商用——黑色)
该团队利用自主设计和研制的电光调制器,大幅降低了常用激光PDH锁频技术中的剩余幅度调制噪声,成功将1555纳米光纤激光器频率锁定在超低膨胀系数玻璃光学参考腔的谐振频率上。通过比对两套位于不同实验室内的超稳激光系统,测得超稳激光拍频线宽185mHz,短期频率稳定度达到7×10-16,该结果将发表在今年9月的《中国物理快报》(Chinese
Physics
letters),其电光调制器的实验结果发表在美国光学学会期刊《光学快报》(Optics
Letters),并已申请PCT国际“PCT/CN2016/070552”和美国。图2
超稳激光频率稳定度
超稳激光在光频标、超稳微波源、超精密光谱、引力波探测等领域有重要的应用,是国际精密计量研究的竞争焦点之一。目前,该团队研制的超稳激光系统已成功应用于超稳光生微波研制项目,也将为授时中心承担的光钟系统研制、基准喷泉钟研制、光纤频率传递等项目提供有利的支撑。
图3
超稳激光线宽(实测激光拍频线宽185mHz,实测测试分辨率123mHz,设定测试分辨率125mHz)
编辑点评
近年来,我国研究人员在精密仪器、光学研究等众多领域获得多项研究成果,部分领域研发技术已将达到国际先进水平。而超稳激光在光频标、超稳微波源、超精密光谱、引力波探测等领域有重要的应用,是国际精密计量研究的竞争焦点之一,该领域的研究工作也在不断的推进,此次我国研究人员在该领域取得重要进展,将为相关项目研究提供重要参考依据及重要支撑。
(原标题:授时中心超稳激光研究获进展)