【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】自本世紀初飛秒光學頻率梳(光頻梳)問世并獲得2005年諾貝爾物理學獎以來，其發(fā)展不僅日新月異，而且應用也層出不窮，從光頻標、精密光譜學、阿秒科學、基本物理常數(shù)等基礎研究拓展到了距離測量、地外行星探測、微波光子學等高技術領域，特別是近年來在空間高精度頻標、空地高精度時頻傳遞等重大需求中也呈現(xiàn)出越來越廣泛而重要的應用潛力。在光頻梳研究中，一個重要的問題是對載波包絡相移頻率fceo的鎖定，其不僅決定著整個頻率梳的初始頻率漂移，而且在飛秒激光與物質(zhì)相互作用研究中也影響著所能得到的作用效果與物理效應，因此如何精密控制并鎖定fceo以獲得極低相噪的結(jié)果，是光頻梳與超快激光研究中挑戰(zhàn)性的工作之一，也是光頻梳所能達到水平的重要標志。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實驗室L07組多年來一直致力于低相噪高穩(wěn)定光學頻率梳技術及頻率鎖定的研究，曾提出整形光譜自差頻測量fceo的技術，證明了一種獲得高信噪比fceo的方案，并結(jié)合電子鎖相環(huán)反饋控制技術實現(xiàn)了相位漂移低至55mrad的超低相噪鈦寶石光頻梳。近年來，一種新的fceo反饋技術——前置反饋鎖定技術，由于可直接補償?shù)窒鹒ceo漂移，因此受到人們的廣泛關注。所謂前置反饋鎖定技術，是在輸出激光中插入一個聲光調(diào)制移頻器(Acousto-optic Frequency Shifter, AOFS)，通過將測到的fceo頻率直接調(diào)制到聲光晶體上，從而在其一級衍射光中得到頻率被量身修正的輸出激光。相比傳統(tǒng)的電子鎖相環(huán)反饋技術，前置反饋鎖定沒有比例積分濾波(PID)環(huán)節(jié)，相當于具有很寬的帶寬，因此可以瞬時響應誤差信號，從而很好地抑制高頻相噪，理論上具有極低的噪聲。重要的一點，AOFS是直接插入在輸出激光中，對激光器系統(tǒng)沒有任何影響，這就大大增加了該技術的實用性。近，該組的副研究員韓海年、博士研究生張子越和研究員魏志義等人在多年努力的基礎上，實現(xiàn)了全固態(tài)克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光fceo的前置反饋鎖定，從而實現(xiàn)了一種超低相噪的全固態(tài)新型光學頻率梳。圖1所示為實驗裝置及結(jié)果，實驗中他們研制的全固態(tài)克爾透鏡鎖模Yb:CYA激光的輸出功率為200mW、脈寬為57fs、重復頻率為84MHz，通過在AOFS的零級和一級衍射光后各搭建一套f-2f干涉裝置作為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，并將內(nèi)環(huán)測到的fceo信號直接反饋到AOFS以控制fceo的漂移、外環(huán)測到的fceo信號用于分析鎖定結(jié)果。得益于AOFS前置反饋鎖定控制帶寬的大幅度提升，后測得該光頻梳的fceo積分相位噪聲(1Hz-1MHz)低達79.3mrad，相對采用傳統(tǒng)鎖相環(huán)泵浦反饋方式的316mrad結(jié)果，相位噪聲降低了70%，這也是迄今基于全固態(tài)激光在1um波段得到的低fceo相噪。此外通過對1Hz以下相位噪聲功率譜密度和長時間頻率不穩(wěn)定度的分析，表明他們發(fā)展的該項技術在高頻相噪抑制方面更具優(yōu)勢。該項工作結(jié)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 為題目發(fā)表在一期的《光學快報》上(Optics Letters Vol.44(22),2019)。
 

　　如何實現(xiàn)光頻梳和連續(xù)激光之間的相干連接，是光頻梳和光頻測量比對研究中另一個具有重要意義和挑戰(zhàn)性的研究內(nèi)容。將鎖定到超穩(wěn)激光的光頻梳再與任何一個連續(xù)激光相干連接，超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度可準確地傳遞到這個連續(xù)激光，這樣就成為一個的光學頻率綜合器，可在微波至光頻波段提供任意的低相噪高穩(wěn)定頻率源。AOFS前置反饋鎖定技術同樣可以用于連續(xù)激光和光頻梳之間的相干連接，基于該項發(fā)明(號：ZL 201811074118.3)，韓海年、博士研究生邵曉東和研究員魏志義等人也進一步實現(xiàn)了頻率穩(wěn)定性的相干傳遞。實驗中首先將一臺1064 nm連續(xù)激光器和光頻梳進行拍頻，然后將得到的拍頻信號與本振信號混頻后驅(qū)動AOFS以實現(xiàn)前置反饋，這樣經(jīng)過AOFS后的一級衍射光就被鎖定到了光頻梳上(圖2左)，這臺光頻梳是鎖定在一臺超穩(wěn)972nm連續(xù)光源上。鎖定前，1064nm連續(xù)激光器每小時的頻率漂移約幾十kHz，鎖定后測量得到10000 s積分時間下一級衍射光的頻率漂移偏差僅為4.1 mHz，對應的頻率穩(wěn)定性為1.5×10-17/s(圖2右)，噪聲被極大壓制，長期穩(wěn)定性也得到了極大提高，很好地實現(xiàn)了光頻梳和連續(xù)激光之間的相干連接。主要結(jié)果近以Precision locking CW laser to ultrastable optical frequency comb by feed-forward method 為題目發(fā)表在AIP Advances 9(11)2019上。
 

　　以上研究獲得中科院先導專項(XDA1502040404, XDB21010400)及國家自然科學基金項目 (91850209, 11434016, 61575219)的支持。