超穩(wěn)定的飛秒激光頻率梳

0超穩(wěn)定頻率梳近年來，激光頻率篩選的出現(xiàn)導(dǎo)致了頻率測量領(lǐng)域的創(chuàng)新進展。典型的裝置就是用摻鈦藍寶石(Ti:S,Ti:Sapphire)激光器產(chǎn)生10～30fs的超短脈沖。為了將激光器的光譜擴展到一個倍頻程從而通過f-2f法來穩(wěn)定頻率梳,通常是使用光子晶體光纖進行擴頻。在這種方法中,將光譜的長波長部分倍頻后與短波長部分拍頻,直接可以探測到載波-包絡(luò)偏移頻率。通過穩(wěn)定重復(fù)頻率和載波-包絡(luò)偏移頻率可以得到超穩(wěn)定的飛秒激光頻率梳,這一頻率梳可以實現(xiàn)射頻和光頻的直接鏈接。然而,將飛秒激光準確地耦合到微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯里比較困難,而且經(jīng)過一段時間后光纖的輸入和輸出端面特別容易受到損害,同時隨著輸入脈沖能量的增大,就會出現(xiàn)寬帶振幅噪聲,從而影響到頻率測量的穩(wěn)定性。這個問題直接關(guān)系到光鐘的發(fā)展(需要長期穩(wěn)定的信號),因此直接從振蕩器中產(chǎn)生大于一個倍頻程寬的光譜非常重要。1鈦4-2-東道酸caf2斜直鏡由于目前還沒有增益帶寬覆蓋一個倍頻程的激光晶體(摻鈦藍寶石的增益帶寬只覆蓋半個光學(xué)倍頻程),所以光譜超過一個倍頻程的激光主要依賴于激光器腔內(nèi)的自相位調(diào)制作用產(chǎn)生。2001年Ell等人首次報道了直接由激光振蕩器產(chǎn)生的超過一個光學(xué)倍頻程的超寬光譜和僅有5fs的超短脈沖。他們使用了雙Z型腔并在腔內(nèi)加入非線性介質(zhì)BK7,使激光脈沖在該介質(zhì)上進行二次聚焦,增加腔內(nèi)的自相位調(diào)制(SPM,SelfPhaseModulation)作用,并且使用了超寬帶的雙啁啾鏡對(DCMP’s,Double-ChirpedMirrorPairs)進行色散補償,從而得到了超過一個倍頻程的光譜。激光器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。2.7mm薄的Ti:S晶體X由一個532nm的激光器泵浦(Spectra-Physics公司,型號MillenniaX);泵浦光由兩個透鏡L1,L2聚焦到Ti:S晶體上,之所以采用兩個透鏡,作者認為除了聚焦的作用外也是為了更好地實現(xiàn)激光振蕩腔內(nèi)的模式匹配,激光腔從鏡M1到輸出耦合鏡OC。曲面鏡M2和M5提供了在激光晶體聚焦,第二次聚焦由M4和M6產(chǎn)生,其焦點處放置了一塊厚2.4mm的BK7玻璃片P。所有鏡子的曲率半徑都是100mm。兩個CaF2棱鏡提供了正的二階色散,并可以進行色散微調(diào)。棱鏡對之間的間隔從95cm到115cm可調(diào),重復(fù)頻率約為65MHz。輸出耦合鏡是一個寬帶的鏡片,由ZnSe/MgF2鍍膜制成,其中心透過率為1%。在吸收泵浦功率為4W時,連續(xù)波(CW,ContinuousWavelength)的輸出功率是30mW。在通過移動棱鏡P1啟動軟縫隙克爾透鏡鎖模(KLM,Kerr-LensModeLocking)之后輸出功率增加到典型值120mW。激光器的輸出脈沖通過在雙啁啾鏡對上的四次反射和一對CaF2棱鏡被進行了外部重新壓縮,得到脈沖的強度包絡(luò)的半峰值帶寬為5.0fs,光譜范圍為600～1350nm,超過一個倍頻程。這是由直接激光振蕩器產(chǎn)生的迄今為止最寬的光譜和最短的脈沖。在一般的鈦寶石激光振蕩器中僅僅是將激光聚焦在Ti:S晶體上,產(chǎn)生自相位調(diào)制作用來得到較寬的光譜,但是由于克爾透鏡鎖模的需要,脈沖的能量是受限的,這也限制了SPM的數(shù)量,也因此限制了光譜的展寬。該振蕩器使用了雙Z型腔進行二次腔內(nèi)聚焦,這使得在玻璃片中進行了額外的光譜擴展,克服了上述的缺點。并且使用了超寬帶的雙啁啾鏡對進行色散補償,進一步優(yōu)化了輸出脈沖的譜寬。但是該振蕩器的缺點是由于進行了腔內(nèi)的二次聚焦,腔體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在激光諧振腔的準直調(diào)節(jié)上比普通激光振蕩腔的難度要大。同時根據(jù)色散管理機制,需要對腔內(nèi)使用的雙啁啾鏡及BK7玻璃片和鈦寶石晶體的色散值進行精心設(shè)計才能得到較寬的輸出光譜。該振蕩器產(chǎn)生的光譜可以直接通過f-2f法來測量和控制載波-包絡(luò)相位頻移,無須額外擴展光譜,這大大地簡化了以鈦寶石鎖模激光器為基礎(chǔ)的激光頻率梳的結(jié)構(gòu),減少了因使用光子晶體光纖擴頻給系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定性。2002年,Bartels等人利用環(huán)形腔Ti:S激光器通過將其中一個平面鏡改為凸面鏡增加脈沖在腔內(nèi)的自振幅調(diào)制(SAM,Self-AmplitudeModulation)作用,得到了一個倍頻程的超連續(xù)譜,光譜范圍為560～1150nm。如圖2所示,這是個標(biāo)準的蝴蝶結(jié)型的環(huán)形振蕩腔,因為結(jié)構(gòu)可以做的非常緊湊,通常用來實現(xiàn)較高的重復(fù)頻率。該腔包含一個1.9mm長的鈦藍寶石晶體(吸收系數(shù)α=5cm-1),由一個532nm的倍頻Nd:YVO4激光泵浦,透鏡L的焦距為30mm。該晶體以布魯斯特角擺放在鏡子啁啾鏡M1和M2之間。M1和M2的焦距為15mm,腔內(nèi)光束從啁啾鏡M1和M2反射后的角度經(jīng)過特殊設(shè)計,主要是為了補償腔內(nèi)像散。啁啾鏡M3是一個凸面鏡,曲率半徑為1m,它增強了脈沖在腔內(nèi)的SAM作用。在1GHz的重復(fù)頻率下,每個縱模的功率可達1nW,足以實現(xiàn)對功率為mW級的連續(xù)激光的拍頻測量。該振蕩器采用的是環(huán)形腔結(jié)構(gòu),在環(huán)形腔中重復(fù)頻率為f=c/l,其中c為真空光速,l為環(huán)形腔腔長,而在線形腔中重復(fù)頻率為f=c/(2l)。在腔長相同的情況下,環(huán)形腔的重復(fù)頻率是線性腔的兩倍。盡管環(huán)形腔的調(diào)節(jié)比線性腔要困難一些,但由于其對重復(fù)頻率的加倍作用使其成為高重復(fù)頻率振蕩器的主要選擇。該振蕩器相比普通的環(huán)形激光振蕩器的創(chuàng)新點是它用一個微凸的啁啾鏡替代了普通的平面啁啾鏡,增加了腔內(nèi)的自振幅調(diào)制,在擁有高重復(fù)頻率的同時產(chǎn)生了超過一個倍頻程的超寬輸出光譜,但是該光譜在一個倍頻程上達不到足夠高的光譜功率密度,因此必須使用2f-3f方法進行載波-包絡(luò)相位穩(wěn)定。高重復(fù)頻率的飛秒振蕩器在激光光譜學(xué)、光頻標(biāo)技術(shù)、光通訊等方面有著重要的應(yīng)用價值。這個裝置將會使光頻計量和將來的光學(xué)原子鐘系統(tǒng)更簡單更穩(wěn)定。2003年,Fortier等人將棱鏡和色散補償鏡結(jié)合使用從克爾透鏡鎖模狀態(tài)下的Ti:S激光器得到了超過一個倍頻程寬的光譜。如圖3所示,該振蕩器是一個X型折疊腔結(jié)構(gòu),它使用商業(yè)的負色散啁啾鏡和腔內(nèi)CaF2棱鏡進行色散補償。M1和M2(焦距為10cm)是DCMs,專門為使用CaF2棱鏡對設(shè)計的,M3和EM兩個都是負啁啾鏡(Layertec公司,編號分別為100466,101515)。輸出耦合鏡OC是G034-007來自SpectraPhysics公司。兩個CaF2棱鏡對之間的距離為82cm。激光晶體2.3mm長,泵浦聚焦透鏡L的焦距為10cm。當(dāng)用功率為5.5W、波長為532nm的泵浦時,它的最寬鎖模激光光譜從約570～1280nm。激光平均鎖模功率大于400mW,重復(fù)頻率為88MHz。通過優(yōu)化從克爾透鏡鎖模狀態(tài)下的鈦寶石激光器可以得到超過一個倍頻程的光譜,光譜范圍570～1280nm,可以直接通過最簡單的自參考方法測量出載波包絡(luò)偏移頻率。這個激光器相比于以前所報道的一個倍頻程寬的激光器的優(yōu)點就是它既不需要精確的腔內(nèi)色散補償也不需要進行二次聚焦,只利用了激光晶體中的自相位調(diào)制效應(yīng)就產(chǎn)生了自參考方法所必須的超寬光譜。它使用棱鏡對與啁啾鏡相結(jié)合的辦法,增加了腔體設(shè)計的靈活性,同時通過改變棱鏡的插入量可以很容易實現(xiàn)激光器的鎖模。但是這種結(jié)構(gòu)的振蕩器對腔的準直比較敏感,無法達到長期穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)。同時棱鏡對之間的距離使振蕩腔結(jié)構(gòu)無法小型化,因此也不能達到較高的重復(fù)頻率,這樣在對重復(fù)頻率有較高要求的光學(xué)頻率計量領(lǐng)域就無法使用。2004年,L.Matos等人報道了一個建立在一個倍頻程寬的無棱鏡的Ti:S激光器基礎(chǔ)上的自參考的光學(xué)頻率梳產(chǎn)生裝置。它完全通過雙啁啾鏡進行色散補償,并使用薄的BaF2尖劈進行色散微調(diào)。如圖4所示,該激光器由像散補償?shù)腦型折疊腔組成,激光物質(zhì)是一個2mm長的Ti:Sapphire晶體,在532nm處的吸收系數(shù)為α=7cm-1。泵浦源是一個二極管泵浦的倍頻的摻釹釩酸鹽激光器。折疊鏡的曲率半徑是10cm,泵浦透鏡的焦距為60mm,腔中除了兩端的鏡子外,其它的所有鏡子都是I類(灰色)和II類(黑色)的雙啁啾鏡(DCMs),在成對使用時會產(chǎn)生平滑的群延遲色散。一個腔端鏡是銀鏡,另一個是一個寬帶的輸出耦合鏡,它可以是ZnSe/MgF2(80MHz的重復(fù)頻率)或者是TiO2/SiO2(150MHz的重復(fù)頻率)的鍍層,透過率是1%。以連續(xù)波運轉(zhuǎn)的輸出功率在泵浦為4.4W時是典型值40mW。以鎖模運轉(zhuǎn)時,平均功率是90mW。BaF2尖劈對用于腔內(nèi)色散微調(diào),通過改變尖劈的插入量可以優(yōu)化輸出光譜。同時用1mm薄的BaF2來進行色散補償,它在600～1200nm的波長范圍內(nèi)有最低的三階,二階色散率,而且BaF2的色散斜率幾乎完全與空氣相同,這樣可以不用改變整個腔內(nèi)的色散就能縮放腔長和改變重復(fù)頻率。通過優(yōu)化BaF2尖劈的插入量,該激光器在光譜密度低于平均功率水平25dB處達到了一個倍頻程寬的輸出光譜,可以直接通過f-2f法進行載波包絡(luò)頻率偏移的測定。該振蕩器采用啁啾鏡和尖劈進行色散補償,與使用棱鏡進行色散補償?shù)募す馄飨啾?振蕩腔的一點輕微的不準直不會影響腔內(nèi)色散,可以較長時間地運轉(zhuǎn)在一個倍頻程寬的模式中不中斷。同時無棱鏡的激光器的優(yōu)點是可以縮短腔長,使腔體結(jié)構(gòu)更緊湊,同時可以達到幾百MHz甚至達到GHz的高重復(fù)頻率。高重復(fù)頻率意味著在相同的平均輸出功率下,頻率梳中每個梳齒的功率更高,這有益于頻率計量。而且,腔體的緊湊也減少了激光器對溫度變化和環(huán)境擾動的敏感。這樣一個緊湊的長期穩(wěn)定的頻率梳產(chǎn)生裝置可以作為將來的光鐘系統(tǒng)的一個時鐘機構(gòu),還可以用來作為將來相位敏感非線性光學(xué)實驗的相位控制的光源。2超寬譜飛秒激光器本文介紹了近年來世界上出現(xiàn)的幾種由不同機制產(chǎn)生的超寬譜飛秒激光振蕩器,相比較而言,第一種激光振蕩器采用二次聚焦的辦法產(chǎn)生了最寬的光譜,但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對系統(tǒng)的準直程度要求較高;第二種環(huán)形腔振蕩器不但具有較高的重復(fù)頻率,而且通過使用凸面鏡代替平面鏡增強自振幅調(diào)制達到了較寬的輸出光譜,但是該光譜一個倍頻程上達不到足夠高的光譜功率密度,無法使用自參考法獲得載波-包絡(luò)頻移;第三種采用棱鏡進行色散補償?shù)募す庹袷幤鲗η坏臏手陛^敏感,無法達到長期穩(wěn)定的鎖模,重復(fù)頻率較低一般為100MHz左右;第四種采用啁啾鏡和尖劈進行色散補償?shù)募す馄?結(jié)構(gòu)緊湊可以達到較高的重復(fù)頻率,同時鎖模穩(wěn)定性也較高,是目前世界上采用較多的超寬譜飛秒振蕩器結(jié)構(gòu)。這些脈寬為1～2個周期的超寬光譜飛秒脈沖的研究是目前世界上飛秒激光領(lǐng)域較為熱門的研究方向之一,它們在極限非線性