光頻測量用飛秒激光頻率梳光譜擴展實驗研究

張大鵬，梁志國，葉蓬

(1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095;2.中國科學院物理研究所，北京100080)

0 引言

1983年，國際計量委員會 (CIPM)推薦將127I2飽和吸收穩(wěn)頻的633 nm He-Ne激光波長作為復現(xiàn)米定義的標準［1］，中航工業(yè)計量所 (CIMM)建立的633 nm碘穩(wěn)頻激光裝置于1986年被國家計量局定為國家副基準 (編號NO.02)。作為現(xiàn)行有效的633 nm波長國家副基準裝置，至今一直擔負著為國防工業(yè)及科研機構進行量值傳遞及溯源的工作。

飛秒激光頻率梳的出現(xiàn)，建立了微波頻率與光波頻率的直接鏈接，在實現(xiàn)光學頻率直接絕對測量的同時又將光頻直接溯源至具有更高精確度的時間頻率基準 (原子鐘)，這給波長計量及光頻標的建立帶來了革命性的進展，而有望成為下一代光頻基準的組成部分［2～4］。中航工業(yè)計量所作為現(xiàn)行有效的633 nm波長國家副基準裝置的保有單位，能夠利用飛秒激光頻率梳實現(xiàn)對編號NO.02激光的各峰值頻率的絕對測量成為頗具意義的工作。鑒于此，為了利用本研究小組研制的350 MHz重復頻率、650～950 nm波段鈦寶石飛秒激光頻率梳來實現(xiàn)對編號NO.02激光頻率的絕對測量，本小組在飛秒激光頻率梳重復頻率frep和載波包絡相移頻率fceo同時鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標準的前提下，分別采用棱鏡對和啁啾鏡對對脈寬進行了壓縮，然后注入光子晶體光纖進行擴譜實驗以期得到適用于光頻測量的覆蓋633 nm波長的飛秒激光頻率梳。

1 650 nm～950 nm波段鈦寶石飛秒激光頻率梳

本實驗中鈦寶石飛秒激光頻率梳采用“單塊”結構，圖1給出其結構示意圖。“單塊”結構是指在獲取載波包絡相移信號fceo時采用了單獨一塊MgO:PPLN晶體來取代傳統(tǒng)方案“f-2f”結構中的光子晶體光纖PCF與非線性干涉系統(tǒng)以實現(xiàn)相應的非線性效應的光路結構。這避免了PCF耦合精度要求高、端面容易損壞、長期穩(wěn)定性差等致命缺點，同時激光器結構更加緊湊，易于維護［5］。

圖1 650～950 nm飛秒激光頻率梳結構示意圖

如圖1所示，飛秒激光振蕩器采用Z型折疊腔，泵浦源為半導體抽運的Nd:YVO4倍頻532 nm固體激光器 (Coherent，Verdi-V8)，諧振腔內(nèi)利用啁啾鏡對(M1～M4)及光楔 (W1，W2)進行色散補償，工作物質為鈦寶石晶體Ti:s，抽運功率在4.3 W時，鈦寶石振蕩器輸出飛秒激光脈沖的平均功率為520 mW，脈寬為7.5 fs，重復頻率為350 MHz。輸出的飛秒激光脈沖由銀鏡M5導入啁啾鏡對 (M6，M7)及光楔 (W3，W4)進行色散補償后再由銀鏡M8注入PPLN晶體，M9，M10為凹面鏡，在自相位調(diào)制 (SPM)和非線性頻率混合 (倍頻或差頻)效應的作用下，在晶體中存在兩個有重疊光頻的飛秒激光頻率梳，重疊部分外差相干后便得到了載波包絡相移fceo;最后經(jīng)半反半透鏡M11透射的紅外波段飛秒脈沖由光電探測器轉化為電信號用于探測重復頻率frep與載波包絡相移fceo，圖中M12為半反半透鏡、M13為聚焦透鏡。重復頻率frep、載波包絡相移頻率fceo分別由頻率穩(wěn)定電路同時鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率上，圖2給出了重復頻率frep與載波包絡相移fceo同時鎖定后在PPLN晶體處觀察到的光譜曲線，此時該光譜未包含633 nm波段，若實現(xiàn)對633 nm光頻的絕對測量，須進行光譜的擴展。

圖2 650～950 nm飛秒激光頻率梳光譜曲線圖

2 光子晶體光纖擴譜實驗

光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)具有較強的非線性效應和可控的色散特性，當具有一定能量的飛秒激光脈沖通過光子晶體光纖時會產(chǎn)生頻譜的極大展寬——超連續(xù)譜 (Supercontinuum，SC)，這使得光子晶體光纖成為激光頻譜擴展的有效手段［6-8］。本實驗中選用的是Crystal Fiber公司Femtowhite800型非線性超連續(xù)譜發(fā)生器，其采用小的纖芯直徑及大的包層纖芯折射率差來保障高的非線性系數(shù)。纖芯為有效模面積2μm2的單模光纖，長度為12 cm，其色散特性由圖3給出，其零色散波長為750 nm。

圖3 Femtowhite800光子晶體光纖色散特性曲線

圖1所示鈦寶石飛秒激光頻率梳的平均輸出功率為P=450 mW，重復頻率為frep=350 MHz，單脈沖能量為ε=1.29 nJ，輸出窗口處脈沖寬度為100 ps。為了獲得覆蓋633 nm波長的更寬的光譜，首先需要對注入光子晶體光纖的飛秒激光頻率梳脈沖進行脈寬壓縮，以提高脈沖的峰值功率來產(chǎn)生更強的非線性效應。

常規(guī)進行脈寬壓縮的方法采用圖4所示光路進行，P1，P2為壓縮脈寬用棱鏡對，M1，M2為導光銀鏡，激光脈沖注入光子晶體光纖前由消色差物鏡Lens進行聚焦縮束。圖5給出棱鏡對色散原理示意圖，圖中l(wèi)為棱鏡對頂間距離，β是空間啁啾引起的色散角度。

圖4 棱鏡對壓縮脈寬擴譜光路示意圖

圖5 棱鏡對色散示意圖

為最大限度的減少插入損耗，需要設計棱鏡使得入射角和出射角正好是布儒斯特角，當光線經(jīng)過棱鏡對后，對色散有貢獻的光程為p=lcosβ，棱鏡對系統(tǒng)的二階、三階群速度色散量分別為

式中:λ為光在空氣中的波長，對于圖1所示寬波段光脈沖波長取λ=800 nm。飛秒脈沖經(jīng)過空氣及棱鏡等色散介質產(chǎn)生的色散，可以根據(jù)Sellmeier方程得到。在棱鏡參數(shù)確定的情況下，色散主要依賴于棱鏡對P1，P2的間距l(xiāng)，經(jīng)計算，本實驗中棱鏡間距設置為70 cm，其引入的色散量為-1400 fs2，可以很好地補償二階色散。經(jīng)過棱鏡對壓縮脈寬后的光脈沖由銀鏡M1，M2注入光子晶體光纖，圖6給出了擴譜后飛秒激光頻率梳的光譜曲線。相比擴譜前，光譜向短波方向發(fā)生了“藍移”，覆蓋633 nm波長，最短波長低于600 nm。

在利用光譜儀持續(xù)觀測該擴展后光譜時出現(xiàn)了整個光譜忽強忽弱的現(xiàn)象，這將導致擴展出的633 nm波長成分無法用于頻率測量，這種現(xiàn)象可以從兩方面給出解釋:①實驗中整個光路裸露于空氣中，空氣環(huán)境擾動導致經(jīng)消色差物鏡聚集后的光束偏離纖芯的模場空間而使得光纖耦合不穩(wěn)定;②由圖1所示飛秒激光頻率梳輸出的激光脈沖，經(jīng)各器件到達光子晶體光纖PCF前的“光程臂長”過大 (約1 m)，在“光程臂長”中某一器件引起的光路偏離在到達PCF時均被放大，使其偏離纖芯模場空間。

圖6 棱鏡對壓縮脈寬擴譜光頻曲線圖

綜上兩點，“光程臂長”過大是采用棱鏡對壓縮脈寬所導致的必然結果，并且這將導致該擴譜結構對環(huán)境擾動極其敏感而無法得到穩(wěn)定可用的光譜。對此，本研究小組采用啁啾鏡對代替棱鏡對進行脈寬壓縮，光路如圖7所示。啁啾鏡對CM1，CM2采用Layertec公司產(chǎn)品，在640～1000 nm波段鍍有高反膜，反射率高于99.8%，在680～940 nm波段群速色散量為-50 fs2，在啁啾鏡對上反射22次后，引入色散量-1100 fs2，脈寬壓縮后的光脈沖由導光反射鏡M3反射，經(jīng)40倍消色差物鏡Lens注入光子晶體光纖 PCF獲得“藍移”后的600～950 nm寬帶光譜，通過微調(diào)光子晶體光纖空間角度時可以實現(xiàn)光譜譜峰的可調(diào)，圖8給出了633 nm處于譜峰時的光譜曲線，利用光譜儀經(jīng)過對其5 h的實時觀測，該光譜曲線沒有出現(xiàn)幅值抖動，滿足測量633 nm波長激光頻率的光譜范圍需求。

圖7 啁啾鏡對壓縮脈寬擴譜光路示意圖

圖8 啁啾鏡對壓縮脈寬擴譜光頻曲線圖

3 600～950 nm飛秒激光頻率梳穩(wěn)定度分析

以上擴譜實驗均在重復頻率frep與載波包絡相移fceo同時鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標準上的前提下進行，為了驗證擴譜后的600～950 nm寬帶飛秒激光頻率梳的穩(wěn)定情況，采用兩臺Agilent53132A型頻率計數(shù)器同時采集頻率值frep，fceo，圖9、圖10分別給出了16000 s時間內(nèi)頻率frep，fceo隨時間變化的曲線。

圖9 擴譜后frep隨時間變化曲線圖

圖10 擴譜后fceo隨時間變化曲線圖

表1給出了在16000 s時間內(nèi)，頻率frep，fceo及633 nm波長副基準 (2012年由633 nm波長國家基準檢定結果)不同門時間對應的阿倫偏差值。

經(jīng)頻率計數(shù)器測量，本實驗中16000 s時間內(nèi)重復頻率和載波包絡相移頻率的均值分別為frep=351.67634904446 MHz，fceo=20.60242937 MHz。飛秒激光頻率梳在頻域內(nèi)表現(xiàn)為孤立的光頻齒序列，第N條梳齒的頻率值表達式為fN=Nfrep+fceo，其中頻率值fceo為107Hz量級，在上式中直接參與加減，其頻率變化量為10-4Hz/s或10-3Hz/s量級;而頻率值frep為108Hz量級，Nfrep為1014Hz量級，其頻率變化量為102Hz/s量級，故本實驗中飛秒激光頻率梳的光頻齒頻率穩(wěn)定度完全取決于frep鎖定后的穩(wěn)定度，由表1及氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度可以判斷，此600～950 nm波段飛秒激光頻率梳的頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘。實驗中633 nm波長副基準e吸收峰參考頻率值為f=473612366.961 MHz，對應飛秒激光頻率梳光頻齒的序列號為N633-e=1346728，這意味著在測量e峰光頻時為飛秒激光頻率梳中第1346728條光頻齒與e峰進行拍頻，只需測量出二者頻率差值便可得到e峰光頻絕對值。綜上，經(jīng)光譜擴展后光譜范圍覆蓋600～950 nm波段，擴展后的飛秒激光頻率梳頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘，滿足633 nm激光器光頻絕對測量的需求。

表1 frep，fceo及633 nm波長副基準阿倫偏差

4 結論

為了利用650～950 nm波段“單塊”結構鈦寶石飛秒激光頻率梳實現(xiàn)對633 nm波長副基準光頻絕對測量，本課題組利用光子晶體光纖進行了擴譜實驗，經(jīng)實驗對比，采用啁啾鏡對壓縮脈寬可以避免棱鏡對結構所固有的“光程臂長”過大而導致的光譜不穩(wěn)定而無法實際用于光頻測量的缺點，最終獲取了光譜范圍覆蓋600～950 nm波段、頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘、滿足NO.02激光器633 nm光頻絕對測量需求的飛秒激光頻率梳。

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