新型固态飞秒激光光学频率梳及其噪声特性研究

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飞秒激光光学频率梳的诞生使时间频率测量技术发生了革命性的变化。经过近二十年的发展,高精度、低噪声的光学频率梳已经在光频测量、光学原子钟、高精度测距、高分辨率原子分子光谱、低噪声微波信号产生、阿秒科学等研究领域发挥着至关重要的作用。从另一方面而言,上述诸多的应用,也对光学频率梳种类的多样性提出了更高的要求。为此,本文开展了新型固态飞秒激光光学频率梳的实验研究工作,并对与之相关的飞秒固态振荡器技术、载波包络测量控制方法、噪声特性分析等相关内容进行了系统研究。这些研究成果将会对低噪声、高稳定度的飞秒光学频率梳的发展起到一定的推动作用。  本研究主要内容包括:⑴开展了利用532nm固态激光、450nm二极管激光以及488nm光纤激光分别泵浦钛宝石振荡器的实验研究。首次利用488 nm光纤激光器光学频率梳钛宝石激光器,获得了8.2 fs的超短脉冲输出,并取得了504mW的亚10fs激光器最低锁模泵浦阈值;相关的研究结果已经发表在Applied Physics Express7,102702(2014)和ASSL: paper ATu2A.27(2014)上,并申请了国家发明专利(201420453853.6)。⑵采用新型光纤激光泵浦Yb∶CYA振荡器,实现了窄脉宽、高功率的克尔透镜锁模。实验对传统二极管激光光源和新型光纤激光光源的噪声特性进行了对比。采用两种激光泵浦Yb∶CYA振荡器时,可以获得的最大输出功率超过1W,最短脉宽仅为57fs,并首次在实验中发现了掺镱振荡器的自三倍频现象。后续,还开展了PCF对振荡器扩展光谱的应用实验。相关的研究成果发表在ASSL: paper AM5A.25(2015)上。⑶基于0-f的方法,对倍频程光谱钛宝石振荡器的载波包络相移进行了测量,得到了近60dB高信噪比的拍频信号。经泵浦反馈锁定后,时间抖动仅为23 as,是目前基于倍频程振荡器的光学频率梳的最低相位噪声。之后对前置反馈控制载波包络相移的方法进行了初步的实验研究。相关实验结果已经发表在Chinese Physics B25,044205(2016)和CLEO-PR:26F3_3(2015)上,被评选为Chinese Physics B2016年第4期的推荐文章(Highlights)并在IOP Publishing的“Featured Articles”专栏发表。相应的工作也申请了国家发明专利(201410127045.5)。⑷基于f-2f的方法,对飞秒Yb∶CYA振荡器的载波包络相移进行了测量与反馈控制。实现了1μm克尔透镜锁模的块状光学频率梳,实验将传统的f-2f干涉仪改进成了更稳定的单臂结构,锁定后载波包络相移的积分相位噪声(1Hz到10MHz)仅为316mrad,长期锁定后的阿伦方差为5.6×10-18,比同类型光梳的长期稳定度提高了一个数量级。
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