用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳.pdf

第 45 卷 第 2 期2024 年 2 月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.45 No.2Feb.2024DOI:10.19650/ki.cjsi.J2311793收稿日期:2023-08-12 Received Date:2023-08-12基金项目:国家重点研发计划(2021YFF0603801)、国家自然科学基金(61827821)项目资助。用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳韩 羿1,曹士英1,2,宋文霞1,左娅妮1,2,房 芳1,2(1.中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所 北京 100029;2.国家市场监管重点实验室(时间频率与重力计量基准)北京 100029)摘 要:近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺铒(Er)光纤光学频率梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学频率测量领域,在长度测量、精密光谱分析、超低相位噪声微波频率产生、精密时间频率传递、温度测量等领域发挥出越来越重要的作用,已成为许多高端科研领域的基础性工具。但飞秒光学频率梳所解决的重要问题是对激光频率进行测量。本文主要面向激光频率参数测量的需求,研制基于掺 Er 光纤飞秒激光器的光学频率梳,在实现光学频率梳稳定运转的前提下,通过非线性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺 Er 光纤光学频率梳的中心波长向各个待测激光波长的转换,并完成与多个不同波长激光的拍频信号探测。目前已验证的飞秒光梳可测频率范围为 5002 000 nm;频率稳定度和准确度为 10-16量级;线宽为 Hz量级。该指标满足了激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供了基础性的测量工具。关键词:光学频率梳;频率测量;拍频;稳定度;线宽;绝对频率中图分类号:TH741 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.4030Femtosecond optical frequency comb for measuring laser frequency parametersHan Yi1,Cao Shiying1,2,Song Wenxia1,Zuo Yani1,2,Fang Fang1,2(1.National Institute of Metrology of China,Beijing 100029,China;2.Key Laboratory of State Administration for Market Regulation(Time Frequency and Gravity Primary Standard),Beijing 100029,China)Abstract:In recent years,with the rapid development of fiber manufacturing technology and femtosecond laser technology,the femtosecond optical frequency combs(FOFCs)technology represented by Er-FOFCs has gradually advanced the field of optical frequency measurement.It is playing an increasingly important role in length measurement,precision spectral analysis,ultra-low phase noise microwave frequency generation,precision time-frequency transfer,temperature measurement,and many other fields.It has become an important fundamental tool in high-end scientific research.However,the important problem to be solved by the FOFCs is to measure the optical frequency.This article mainly focuses on the demand for measuring optical frequency parameters.An optical frequency comb based on the Er-doped fiber femtosecond laser has been developed.With the stable operation of the Er-FOFC,the nonlinear optical frequency conversion is used to transfer the spectrum from the central wavelength of the Er-FOFC to other wavelengths.The beat note between the broadened spectrum in the Er-FOFC and the measured laser is detected.The Er-FOFC has a spectral range of 500 2 000 nm,frequency instability and accuracy of the level of 10-16,and a Hz-level comb tooth linewidth.These parameters meet the requirement for measuring laser frequency.The reported Er-FOFC provides a fundamental measurement tool for optical frequency,frequency drift,frequency linewidth,and other parameters.Keywords:optical frequency comb;optical frequency measurement;beat note;frequency instability;optical linewidth;absolute optical frequency32 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷0 引 言 光学频率梳1-2,简称“光梳”,主要是指基于飞秒激光技术产生的频率梳系统,利用了飞秒激光的时域和频域特性。飞秒激光在时域上呈现等间隔的脉冲串,由傅里叶变换关系可知,对应的频域呈现等间隔的梳齿序列。梳齿的强度由激光频域上的光谱形状所决定,梳齿的间隔由时域脉冲的重复频率所决定,通常以 fr表示。由于飞秒激光腔内脉冲的群速度和相速度不匹配,导致脉冲时域的载波和包络的峰值处存在一个相位偏移,在频域上体现为梳齿序列相对于零频率存在一个频率偏移,称之为载波包络偏移频率或系统偏移频率,通常以 f0表示。飞秒激光重复频率 fr和载波包络偏移频率 f0都处于微波频率(MHzGHz 量级),当这两个信号都锁定到微波频率标准后,频域上每个梳齿的位置也就随之固定,形成自己的固定频率(THz 量级)。此时飞秒激光成为了飞秒光梳,其频域梳齿的稳定度、准确度等指标直接与锁定的微波频率标准相关。除了基于飞秒激光技术产生的频率梳,基于电光调制3、微腔等技术4,也能够在频域上形成等间隔的梳齿状序列,在一些文献中也被称为光梳。此外一些未进行锁定和控制的自由运转的飞秒激光器在部分文献中也被称为飞秒光梳。本文中所提及的光梳,均是对重复频率和载波包络偏移频率进行探测和锁定的光梳。近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺 Er 光纤光梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学频率测量领域的应用范围5-6,在长度测量7、精密光谱分析8、超低相位噪声微波频率产生9、精密时间频率传递10、温度测量11等领域发挥出越来越重要的作用,已成为许多高端科研领域中重要的基础性工具。但总的来说,各个领域的应用主要利用光梳高稳定度的时域脉冲特性以及高稳定度、高准确度的频域梳齿特性。虽然光梳的应用领域越来越多,但自飞秒光梳诞生之日起,所解决的重要问题就是对激光绝对频率进行测量12。因此,长期以来利用飞秒光梳对激光频率测量一直是飞秒光梳发展和应用过程中最重要的一项内容。从理论上讲,光梳所能够覆盖的任何波长,都可以通过光梳进行频率特性测量,但从实际应用考虑,如何实现光梳覆盖待测激光波长并获得能够满足频率测量要求的拍频信号是光梳应用过程中最关键的一个环节。飞秒光梳用于激光绝对频率测量时,当锁定的微波频率标准与协调世界时(coordinated universal time,UTC)相连时,可以实现激光频率的实时国际比对和等效互认13。飞秒光梳的光学频率测量范围广,利用一台飞秒光梳就可以实现其光谱扩展范围内的所有光学频率进行直接测量,使包括可见光到近红外区域内的任意光学频率都可以直接溯源至微波频率,从而有效解决目前包括光钟在内各个激光频率以及各个稳频激光频率的量值溯源问题。当飞秒光梳与现行时间频率基准连接后,其测量的不确定度可达 10-16量级14-16,可以满足众多激光辐射频率的测量需求。国际计量局和各个国家级计量院很早就认识到飞秒光梳在激光频率量值传递过程中的重要作用。从 2000年开始,世界上多个国家的计量机构都相继建成了自溯源的飞秒光梳装置,并测量了包括冷原子光频标、单离子光频标和各种稳频激光器在内的多条光辐射谱线的绝对频率17-20。如 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 所(national institute of standards and technology,NIST)从 2008 年起,其所有激光波长的校准都已直接或间接地溯源到飞秒光梳,并且与校准的激光干涉仪形成现代长度计量的骨架21。而基于光梳的真空波长测量有效地形成了美国国内长度测量溯源链的最顶部。在国内,华东师范大学、清华大学、北京大学、中国科学院物理研究所、中国科学西安光学精密机械研究所、中国科学院国家授时中心等高校和科研单位都开展了光梳方面的工作。在计量领域,中国计量科学研究院、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、北京航天计量测试技术研究所、中国电子科技集团公司第四十一研究所也都在开展光梳方面的工作。中国计量科学研究院从 2000 年开始飞秒光梳的研制工作,先后开展了钛宝石光梳和掺 Er 光纤光梳的研制工作22-24,在关键技术上取得了一系列突破,已建成了完善的装置,其初衷是解决我国国家波长基准和各个激光频率的量值溯源问题。本文主要面向激光频率特性参数测量的需求,研制了基于掺 Er 光纤飞秒激光器的光梳,在实现光学频率稳定运转的前提下,通过非线性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺 Er 光纤飞秒激光器的中心波长向各个待测激光波长的转移和覆盖,并实现掺 Er 光纤光梳与待测激光拍频信号的探测,最终满足激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供基础性测量工具。1 光梳测量激光频域参数的原理1.1 光梳测量激光频率的原理 飞秒光梳测量激光频率原理,如图 1 所示。在频域上,飞秒光梳的第 N 个梳齿的频率 fN,可以表示为:fN=N frf0。对于任何频率的连续激光,只要其频率位于光梳的光谱覆盖范围之内,则可通过式(1)计算激光频率:fcw=Nfr f0 fb(1)第 2 期韩 羿 等:用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳33 图 1 飞秒光梳测量激光频率原理图Fig.1 Principle of laser frequency measurement with the FOFC其中,fcw是待测激光频率值。通过锁相环将 fr和 f0锁定到频率综合器的输出频率上,两者均为频率综合器输出频率设定值,fb为待测激光与光梳临近梳齿的拍频频率,采用频率计数器进行测量,N 为光梳中与待测激光频率最接近梳齿的序数。对于 fb前“”号的判断,可以采取在 fr和 f0锁定状态下,微调 fr的参考频率,观察 fb的频率变化。当增加 fr频率时若 fb频率减少(增加)则可判断 fb的符号为正(负);当减少 fr频率时若 fb频率增加(减少)则可判断 fb的符号为正(负)。为了在上述过程中保证 fr和 f0一直处于锁定状态,推荐 fr频率调谐步长为1 Hz,此时若梳齿序数 N=106则对应 fb频率的变化量约为 1 MHz。在 fb符号已知的情况下,开环(失锁)f0锁相环,仍保证 fr处于锁定状态,通过改变 f0频率,并观察 fb频率变化。当增加 f0频率时若 fb频率增加(减少)则可判断f0符号与 fb相反(相同);当减少 f0频率时若 fb频率增加(减少)则可判断 f0符号与 fb相同(相反)。为了在上述过程中保证光梳一直处于锁模状态,推荐 f0频率最大调谐量应不高于 fr/10。对于 N 的确定,可以采用波长计、光谱仪,或者利用吸收谱线频率进行确定,也可以通过大范围调节重复频率来获取25。对于激光器频率稳定度的确定,通常以相对 Allan 偏差进行描述:A=1fcw12(n-1)n-1i=1fb,i+1()-fb,i()2(2)其中,A()为相对 Allan 偏差,为测量平均时间,n为采样点数,fb,i()为第 i 次采样测量的频率平均值。1.2 光梳测量激光线宽的原理 目前微波原子钟输出的频率标准秒级稳定度最高在10-14量级,当光梳锁定至该微波频率标准时,能够真实体现秒级 10-14量级激光的稳定度。更高指标的测量可以选取以光钟输出的光学频率作为参考。另一方面,由于受增益介质上能级寿命的影响,掺 Er 光纤光梳的梳齿线宽一般在百 kHz 量级。为了实现光梳齿线宽的压窄,一种有效的方法是在激光器中增加快速响应的反馈器件,使光梳的伺服锁定带宽提高到百 kHz 以上,实现光梳向窄线宽光学频率的快速锁定。当以窄线宽激光或超稳激光输出的光学频率作为参考时,激光器所具有的窄线宽、高稳定度的特性,可以通过光梳从一个光学频率传递到其他光学频率26-28。与微波频率参考不同,光梳向光学频率标准的锁定中通过锁定光梳与一台窄线宽激光器的拍频信号 fb1,从而实现重复频率 fr的稳定,如图 2 所示。在此锁定过程中需要加入快环以抑制高频噪声,通常以电光调制器(electro-optic modulator,EOM)29-30、磁 光 调 制 器(magneto-optic modulator,MOM)31、高 带 宽 压 电 陶 瓷(piezoelectric transducer,PZT)32、基于电光晶体马赫-曾德干涉仪33等作为快环反馈器件。而 f0的锁定仍然采用常规锁定微波频率标准的方式。两个环路锁定后,光梳齿线宽得到压窄,梳齿线宽压窄后的光梳在一定波长范围内具有和窄线宽激光同等量级的线宽或稳定度。此时探测光梳与待测激光的拍频信号 fb2,则可以直接反应出待测激光的线宽,也可以通过对拍频信号的计数获取激光器的稳定度。图 2 飞秒光梳测量激光线宽的原理图Fig.2 Principle of laser linewidth measurement with the FOFC2 激光频率测量对光梳的要求 常用的需要频域参数测量的激光可以分为3 类,第1类:锁定到原子或分子吸收谱线,例如热稳频、I234-37、C2H238、CO239、Rb40-41、Cs42稳频激光器等,频率准确度在 10-810-12量级。第 2 类:锁定到高精细度的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)参考腔,短期频率稳定度可达 10-15甚至 10-17量级43-46。第 3 类:锁定到离子阱囚禁的单离子或光晶格囚禁的多个中性原子的窄线宽光频跃迁47-50,频率稳定度和频率不确定度可达 10-18量级。采用光梳测量激光频率参数,首先要求光梳的稳定度、准确度指标优于待测激光,否则测量结果无法真实反应激光特性。因此要求光梳处于锁定状态,即重复频率和载波包括偏移频率同时锁定。根据待测激光频率特34 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷性,选取合适的参考源作为两个参数的参考。另一个重要要求是飞秒光梳的光谱需要覆盖待测激光波长。目前大部分飞秒光梳给出的指标只是光谱范围,而对于光梳应用的关键是要实现待测激光与飞秒光梳的拍频信号探测具有足够高的信噪比,以保证拍频频率计数的需要或者频率锁定的需要。这也是光梳应用于激光频率测量过程中的重要环节。3 掺 Er 光纤光梳3.1 掺 Er 光纤光梳结构 基于光梳的激光频率测量系统,如图 3 所示。其中核心部分是一台可覆盖可见光波段的高稳定度的掺 Er光纤光梳51。光梳与待测激光在拍频模块中进行拍频,获取拍频信号 fb,通过频率计数器记录拍频信号的频率数值。以 中 国 计 量 科 学 研 究 院(national institute of metrology,NIM)保存的国家时间频率基准 激光冷却铯原子喷泉钟(NIM5)为信号52,通过其定期校准的 10 MHz 氢钟信号作为光梳的微波参考频率,也可以通过溯源到国际单位制(international system of units,SI)秒定义的氢钟提供的 10 MHz 信号作为光梳的微波参考频率。掺 Er 光纤光梳的重复频率 fr和载波包络偏移频率 f0都锁定到参考到微波参考频率的频率综合器输出的微波频率信号上。前者形成独立自主的激光频率向国家时间频率基准的溯源,后者实现激光频率向 SI 秒定义的溯源,均形成了激光频率与时间频率基准的连接。氢钟输出10 MHz 标准频率信号,1 s 频率稳定度优于110-13,氢钟到 SI 秒定义链路不确定度优于 510-16。图 3 基于光梳的激光频率测量系统图Fig.3 System of laser frequency measurement based on the FOFC掺 Er 光纤光梳光学系统的基本结构,如图 4 所示。从掺 Er 光纤飞秒激光器输出的激光分成多路,经过光纤放大器、脉冲压缩器、频域扩谱、倍频等模块分别满足不同的需要。其中一路用于探测 f0信号,其他多路分别进行不同波长扩展,实现不同覆盖范围的光谱输出。在掺Er 光纤光梳的光学系统中,通过对飞秒激光器输出的激光放大、频域扩谱和 f-2f 干涉仪,可以探测到 40 dB 信噪比的 f0信号,如图 5 所示。其中,掺 Er 光纤飞秒激光器经过光纤放大器后输出功率 320 mW,压缩后脉冲宽度小于 50 fs。频域扩谱采用国产高非线性光纤(NL-1550-Zero,YOFC),1 550 nm 处色散 0.993 ps/(nm km),色散斜率 0.019 ps/(nm2 km),光纤长度 35 cm。经过放大后的光脉冲耦合进入高非线性光纤可实现 1 1002 200 nm的光谱输出,输出功率 180 mW。f-2f 干涉仪中采用的扇形周期极化掺氧化镁铌酸锂(periodically poled lithium niobate,PPLN)晶体,其渐变通道为 2135 m,可以在室温 25下实现对 1 6102 340 nm 之间连续可调波长的倍频,避免了单或多通道的离散波长倍频。晶体截面尺寸为 1 mm8.6 mm,通光长度为 2 mm,置于黄铜卡件上形成自然制冷。图 4 掺 Er 光纤光梳光学系统的基本结构Fig.4 Structure of optical system in the Er-FOFC图 5 掺 Er 光纤光梳探测的 f0信号,其中分辨率带宽(resolution bandwidth,RBW)为 300 kHzFig.5 f0 signal in the Er-FOFC at 300 kHz RBW 第 2 期韩 羿 等:用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳35 通过频率锁定技术,可实现激光器重复频率和载波包络偏移频率超过 30 天的长时间连续锁定。图 6 和 7分别给出了 30 天连续锁定后的重复频率和载波包络偏移频率的变化和环内相对 Allan 偏差,其中数据采样时间为 1 s。锁定后重复频率的平均值为 200 MHz,标准偏差为 0.327 mHz。锁定后载波包络偏移频率的平均值为20 MHz,标准偏差为 0.568 mHz。图 6 光纤光梳重复频率 30 天的连续锁定Fig.6 Continuous phase-locking of the repetition rate of the Er-FOFC for 30 days图 7 光纤光梳载波包络偏移频率 30 天的连续锁定Fig.7 Continuous phase-locking of the carrier-envelop offset frequency of the Er-FOFC for 30 days3.2 掺 Er 光纤光梳向不同波长的扩展 为了满足不同波长激光频率的测量需求,需要对掺Er 光纤光梳直接输出光谱进行频率扩展或变换。掺 Er光纤光梳向不同波长的扩展有两种方式:一种是放大-倍频-扩谱方案51,另一种是放大-扩谱-倍频方案53。第1 种方式通常采用光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)扩谱直接形成一个覆盖可见光到近红外波段宽带光谱,但由于 PCF 光纤纤芯较细,加之空间耦合方案,会导致长时间测量时输出光谱不稳定,引起拍频信号信噪比下降,从而导致大量错误计数,如图 8 所示,此时往往需要去除掉大量错误数据。第 2 种方案避免了 PCF 光纤的使用,通过直接选取扩谱后特定波长点进行倍频以匹配待测激光波长。其特点是输出的光谱宽度较窄,只适合特定单一波长激光测量,但拍频信号稳定度较高,更适合长时间频率测量和监测。图 8 采用 PCF 扩谱后与激光拍频计数结果Fig.8 Frequency of beat note between a continuous wave laser and the broadened spectrum with a PCF in the Er-FOFC36 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷1)采用光子晶体光纤进行光谱展宽采用光子晶体光纤进行光谱展宽首先需要对掺 Er光纤飞秒激光器的种子光进行功率放大和压缩,提高脉冲峰值功率,此后通过非线性晶体进行倍频,实现波长从1 550775 nm 的转换后耦合进入光子晶体光纤进行光谱展宽。从掺 Er 光纤飞秒激光器输出的激光分束后,其中的一路光作为可见光扩谱单元的种子源,平均功率为7 mW。采用单级放大双向抽运方式进行功率放大,当前向抽运功率为 1 313 mW,后向抽运功率为 1 292 mW 时,放大后输出功率为 531 mW。由于脉冲的时域宽度与光谱宽度成反比关系,为了使放大后脉冲宽度能够压缩至最窄,在放大器的设计过程中要避免放大过程中的增益窄化现象的发生,同时通过合理的色散设计使放大过程中存在最窄脉冲,利用放大器中光纤自身的非线性效应使放大后光谱保持足够的宽度。种子光放大后进入倍频晶体实现频率转换。实验中采用的倍频晶体为多通道结构的 PPLN(MSHG1550-0.5-1,Coversion)。晶体通道结构为 18.5 20.9 m。晶体通光截面尺寸为0.5 mm8 mm,通光长度为1 mm。经过系统优化后,倍频后激光的输出功率为 170 mW,倍频效率为 32%,倍频后激光光谱如图 9(a)所示。此光谱可以直接用于对 780 nm 激光进行频率测量。采用干涉自相关仪,测量倍频后激光的脉冲宽度为85 fs,相关曲线如图9(b)所示。从相关曲线的形状可以看出,当倍频效率达到最大时,倍频后的激光脉冲二阶色散等到补偿,且高阶色散得到最大抑制。倍频后的激光通过 PCF 进行光谱展宽。在 170 mW入射功率下,展宽后的光谱如图 10 所示。光谱覆盖了5001 000 nm,输出功率为 85 mW,耦合效率 50%。通过优化入射光偏振和耦合状态可以使展宽光谱在不同波长处具有较大强度,以满足不同激光频率的测量需求。图 9 飞秒激光倍频后的光谱和自相关曲线Fig.9 Spectrum and interferometric autocorrelation trace of the frequency-doubling laser图 10 PCF 扩谱获得的光谱曲线Fig.10 Broadened spectrum after a PCF 2)采用高非线性光纤进行光谱展宽掺 Er 光纤飞秒激光器的波长位于 1.5 m 附近,有30 nm 的光谱宽度,如图 11 所示。因此掺 Er 光纤飞秒激光器输出的光可以直接用来对 1.5 m 附近的激光进行频率测量,如 C2H2稳频激光器、1 542 nm 窄线宽激光器等。掺 Er 光纤光梳输出的激光分束后一路功率约为7 mW 的激光首先进入两级放大器。两级放大器均采用后向抽运方式,抽运源最大抽运功率 750 mW。两级放大器采用的增益光纤在 1 530 nm 处的吸收率为 80 dB/m(Er80-4/125,LIEKKI),其中一级放大器增益光纤的长度为 50 cm,二级放大器增益光纤的长度为 85 cm。在7 mW 入射光功率的条件下,经过一级放大后功率可以提升至 111 mW,经过二级放大后功率可提升至 356 mW,压缩后脉冲宽度小于 50 fs。采用与 f0信号探测所需光谱展宽中同样参数的高非线性光纤作为光谱展宽器件。高非线性光纤长度40 cm。第 2 期韩 羿 等:用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳37 图 11 掺 Er 光纤飞秒激光器直接输出光谱Fig.11 Spectrum from the Er-fiber femtosecond laser放大器输出激光经波片组合后进入高非线性光纤,经高非线性光纤扩谱后功率为 185 mW。通过优化入射光偏振状态可以实现对扩谱后光谱形状的微调。光谱短波可以覆盖至 1 m 波段,长波可延伸至 2.2 m 以上,如图 12 所示。此光谱可用于对碘稳频 532 nm 激光的基频光 1 064 nm,CO2稳频的 2 m 激光进行频率特性测量,同时该光谱可以作为后续单点倍频的基频光光源。图 12 高非线性光纤扩谱后的光谱Fig.12 Broadened spectrum after a highly nonlinear fiber3)单点倍频掺 Er 光纤光梳通过高非线性光纤扩谱可以实现1 0002 200 nm 的宽带光谱输出,但该光谱处于红外波段,很难满足可见光激光波长的测量需求。采用放大-倍频-扩谱技术,可以实现掺 Er 光纤光梳输出光谱向可见光波长扩展,但 PCF 会存在长时间光谱漂移造成拍频信号信噪比下降的风险,不利于对激光的长时间频率测量。目前需要测量的激光大部分处于可见光波段,如里德堡原子电磁场计量所需的510 nm 激光、碘稳频532 nm Nd:YAG 激光、543 nm 稳频激光、612 nm 稳频激光、633 nm 稳频激光、锶原子光钟 698 nm 激光、钙离子光钟729 nm 激光、铷原子稳频 780 nm 激光、铯原子稳频852 nm、镱离子光钟 871 nm、镱离子光钟 934 nm 激光等等。上述这些激光的可分别由掺 Er 光纤光梳直接扩谱形成的1 0002200 nm 超宽带光谱中特定波长点倍频获得。目前本系统已经实现了对 532、633、698、729、780、871 和 934 nm 激光的频率测量。掺 Er 光纤光梳输出的 1.5 m 激光先经过放大和光谱展宽,形成如图 12 所示的光谱。利用此宽带光谱作为光源,分别选择 1 064、1 266、1 396、1 458、1 742 和1 868 nm 波长点进行倍频。采用短焦距透镜将扩谱后的激光聚焦至 PPLN 上产生倍频光,此后再次通过短焦距透镜进行光路准直。晶体通光截面尺寸为 1 mm8 mm,通光长度为 2 mm。对于 1 266、1 396、1 458、1 560、1 742和1868 nm 的倍频分别选取周期为11.65、15.10、16.82、19.66、24.54 和 27.55 m 的晶体,在室温 25下可实现633、698、729、780、871 和 934 nm 的激光输出,所得到的光谱经过归一化处理,如图 13 所示。图 13 单点倍频获得的不同波长激光光谱Fig.13 Spectra of different wavelengths obtained by single point frequency doubling technique4)级联放大再倍频虽然采用 PCF 扩谱方案可以实现掺 Er 光纤光梳光谱覆盖到 500 nm 波段,但长时间测量稳定性受到影响,而采用高非线性光纤扩谱可以直接覆盖到 1 m 波段。但此波长点出功率较低,直接提取此波长点进行倍频,理论上可以实现 532 nm 波长输出,但由于峰值功率低,加之倍频效率,直接将 1 064 nm(1 020 nm)倍频到 532 nm(510 nm)后与激光拍频难度较大。与其他基频光缺少合适的增益光纤不同,1 m 波段可以级联接入掺 Yb 光纤放大器,通过对扩谱后的 1 m 波段光谱成分进行放大后再倍频,从而提高光梳在此波长点的输出功率。本系统目前已在 532 nm 波长点处进行了方案验证。掺 Er 光纤光梳输出的激光经过两级掺 Yb 光纤放大器进行功率放大。两级放大采用相同参数的增益光纤(SCF-YB550-4/125-19,Coractive),其中一级放大器增益光纤长 度 为 27 cm,经 过 放 大 后 脉 冲 平 均 功 率 为38 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷390 mW,二级放大器增益光纤长度为 23 cm,放大后平均功率达到 601 mW。经过放大后,整体功率集中在1 m 附 近,此 后 激 光 经 光 栅(T-1000-3212-94,Lightsymth)进行脉宽压缩,压缩后脉宽 131.3 fs,输出功率 485 mW。采用通光长度 40 mm 的多通道 PPLN 晶体(MSHG1064-1-40,Coversion)对放大后的 1 m 激光进行倍频,通过优化晶体工作温度点以及通道位置,倍频后可实现 71 mW 的 532 nm 激光输出,光谱如图 14 所示。进一步微调晶体控温,可以实现输出光在 532 nm 附近小范围的波长调节。此输出光不仅可以满足 532 nm 激光的绝对频率测量需求,还可以用于其他需要高稳定度、高功率 532 nm 激光的应用场景。图 14 级联掺 Yb 放大器后倍频获得的光谱Fig.14 Spectra obtained by frequency doubling after cascading the Yb-doped amplifiers4 光梳与不同频率激光的连接 为了验证掺 Er 光纤光梳对不同激光的拍频和计数效果,解决光梳对激光频率测量的“最后一公里”问题,掺 Er 光纤光梳对各个波长激光的拍频采用模块化设计。本系统建立了可见光波段拍频模块和近红外光拍频模块。其中可见光拍频模块可用于掺 Er 光纤光梳与 532、633、698、729 和 780 nm 等激光进行分时切换拍频,探测器采用硅(Si)光电二极管(C5658,Hamamuatsu)。近红外光拍频模块可用于 掺 Er 光 纤 光 梳 与 1 064 nm、1 542 nm、2 m 等激光进行分时切换拍频,其中探测器采用铟镓砷(InGaAs)光电二极管(ET3000A,EOT)。掺 Er 光纤光梳与待测激光拍频模块的光路,如图 15所示。掺 Er 光纤光梳输出的激光通过高反镜与待测激光在偏振分光镜(polarization beam splitter,PBS)上进行合束。两路光分别通过 1/2 波片进行偏振旋转,形成相互垂直的偏振状态。从第 1 个 PBS 透射的光再次经过1/2 波片使两束光在同一偏振状态下存在投影,此后通过第 2 个 PBS 形成具有一致的偏振状态。利用反射式光栅将光谱成分空间分开,选取待测激光的频率成分通过高反镜耦合进入探测器(photodetector,PD)中。为了保证两路光在探测器接收处具有较小光斑,在探测器前加一焦距为 100 mm 的透镜(L)。由于两个拍频模块探测器前采用了光栅滤波,因此不同波长入射时,需要微调光栅角度以保证待测激光准确地耦合进入探测器中。图 15 掺 Er 光纤光梳与待测激光的拍频光路结构图Fig.15 Optical scheme of the beat note module between the Er-FOFC and the measured laser通过对掺 Er 光纤光梳输出激光以及待测激光的偏振态、光谱形状、功率、空间重合等参数进行系统优化,在100 kHz 分辨率带宽下掺 Er 光纤光梳与532 nm、633 nm、698 nm、729 nm、780 nm、1064 nm、1542 nm、2 m 激光拍频信噪比如图 16 所示。为了便于比较,将各个波长激光拍频信号的基底进行处理形成了共同基底,同时对拍频信号的频率进行了调整。目前 633 nm 激光拍频信号信噪比在 30 dB 附近,其他几个波长的拍频信号信噪比在3540 dB 之间。图 16 掺 Er 光纤光梳与不同波长激光的拍频信号Fig.16 Beat note signals between the Er-FOFC and the measured laser at different wavelengths由于掺 Er 光纤光梳稳定度高,特别是全光纤的扩谱放大结构,使得扩谱后光谱非常稳定,与待测激光拍频信号信噪比保持恒定,可以满足数天以上长时间的连续监测。第 2 期韩 羿 等:用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳39 5 光梳对激光频率参数的测量5.1 掺 Er 光纤光梳对稳频激光绝对频率的测量 光学频率测量是光梳的重要应用之一。对于任何未知频率的连续激光,只要其频率在光梳的输出光谱范围内,则可通过式(1)计算出激光的频率值。常用的需要测量绝对频率的激光如(2)部分中提到的第 1 类:锁定到原子或分子吸收谱线的激光以及第 3类:锁定到离子阱囚禁的单离子或光晶格囚禁的多个中性原子的窄线宽光频跃迁的激光。第 1 类激光的频率不确定度在 10-810-12量级,而当光梳溯源至喷泉钟或国际喷泉钟组时,参考源的不确定度可以达到 10-16量级,氢钟到 SI 秒定义链路不确定度优于 510-16。对激光进行频率测量时,链路和参考源引入的不确定度可以忽略。而对于第 3 类激光,其频率稳定度和频率不确定度可达 10-18量级。因此参考源、传递链路、频率综合器、激光器连续工作时段等因素引入的不确定度和偏差都必须给予考虑54。利用该系统对锁在具有国际推荐值的分(原)子特定吸收线上的激光进行绝对频率测量,以验证测量结果是否真实有效。乙炔(13C2H2)的 P(16)(1+3)吸收线的国际推荐值为 194 369 569 3845 kHz,不确定度 2.610-11。本文选取13C2H2稳频的 1 542 nm 激光(Stabiaser 1 542,DFM)作为验证。在稳频系统中,13C2H2稳频的1542 nm 激光中声光调制器移频80 MHz。在判断f0和fb前符号的基础上,通过记录 fb值,利用式(1)可以得到待测激光的绝对频率。此后,去除待测激光中声光调制器移频后,可以得到13C2H2的 P(16)(1+3)吸收线的频率值。对于13C2H2稳频 1 542 nm 激光,每秒采集一个拍频数据,每次测量采样时长为 10 000 s。光梳重复频率 fr=199 972.878 8 kHz,载波包络偏移频率 f0=20 000 kHz,单次拍频频率的平均值