德國康斯坦茨大學(xué)的研究人員建立了超精密飛秒光學(xué)頻率梳的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以最大限度地提高頻率測量的穩(wěn)定性。

圖1：Konstanz大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的第一臺摻鉺光纖激光系統(tǒng)，專為單電子系統(tǒng)的雙色飛秒激光實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)。

德國康斯坦茨大學(xué)（University of Konstanz）和德國Toptica Photonics公司的Sarah Hutter及其同事最近在表征各種頻率梳的特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)了載波包絡(luò)偏移（CEO）頻率的線寬大幅下降的離散工作點(diǎn)——在最極端的情況下，CEO頻率的線寬下降到700Hz。這是迄今為止光纖激光器記錄到的最小的自由運(yùn)行的 CEO線寬，因此該研究小組非常希望能更好地了解這一現(xiàn)象。

在 CLEO 2023學(xué)術(shù)會議上，博士生Sarah Hutter介紹了該研究小組的工作，其為針對特定測量任務(wù)而優(yōu)化的自由運(yùn)行超精密光學(xué)頻率梳的設(shè)計(jì)，提供了明確的指導(dǎo)。

“與主動(dòng)穩(wěn)頻相比，我們的方法不需要借助外在的昂貴或不易運(yùn)輸?shù)馁Y源，” Sarah Hutter說，“任何類型的主動(dòng)穩(wěn)頻都有一個(gè)有限的鎖定帶寬，只能在這個(gè)特定的頻段降低噪聲。”

飛秒光學(xué)頻率梳的設(shè)計(jì) 

頻率梳是一種超短脈沖激光，康斯坦茨大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的激光系統(tǒng)以光纖為基礎(chǔ)，使其盡可能緊湊、穩(wěn)定和便于運(yùn)輸，而不需要任何特殊的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

該激光系統(tǒng)（見圖1）采用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，因此，帶寬中心位于1550nm （193THz），而振蕩器采用的是附加脈沖鎖模技術(shù)。 

“附加脈沖鎖模是一種非諧振鎖模方法，利用克爾效應(yīng)引起的非線性相移，” Sarah Hutter解釋說，“而克爾效應(yīng)是一種非線性光學(xué)效應(yīng)，描述了折射率與光強(qiáng)成正比的變化。”

激光系統(tǒng)的激光腔由一個(gè)非線性放大環(huán)形鏡和一個(gè)短程自由空間部分組成，其中包括可調(diào)偏振光學(xué)器件，用于非互易相位偏差的敏感對準(zhǔn)。由于這種非諧振鎖模方法不會增加明顯的色散，因此激光的色散接近于零。

當(dāng) Sarah Hutter 意識到不受泵浦噪聲影響的光譜區(qū)域取決于泵浦功率和振蕩器設(shè)計(jì)時(shí)，她頓時(shí)茅塞頓開。

“突然之間，我們所有的觀察結(jié)果變得有意義了，并且也都可以解釋了——這是一種奇妙的感覺。”她說這種感覺就好比終于把5000塊拼圖中的最后一塊拼好了。“我對能夠主動(dòng)選擇具有最窄梳線的光譜區(qū)域非常感興趣。這意味著只需改變激光腔內(nèi)的泵浦功率或光纖長度，就能針對不同的應(yīng)用優(yōu)化頻率梳。”

而研究團(tuán)隊(duì)面臨的一大挑戰(zhàn)是確定影響光頻梳齒的不同相位噪聲源，并試圖了解泵浦功率、腔內(nèi)色散和重復(fù)率等各種激光參數(shù)如何影響儀器的性能。

“為了克服這個(gè)問題，我們對相位噪聲進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，每次只改變一個(gè)參數(shù)，” Sarah Hutter說，“因此我們能夠建立一個(gè)模型，并在超寬帶頻譜上設(shè)計(jì)出具有銳利梳齒的頻率梳。為了通過實(shí)驗(yàn)表征這些超低噪聲的頻率梳，我們必須找到更穩(wěn)定的參考激光器。我們將商用單線激光器鎖定在光學(xué)腔內(nèi)，從而解決了這個(gè)問題。”

廣泛的潛在應(yīng)用

飛秒光學(xué)頻率梳是科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行高精度測量的關(guān)鍵�？邓固勾拇髮W(xué)研究團(tuán)隊(duì)的方法，適用于任何類型的飛秒光學(xué)頻率梳，它為高精度光譜學(xué)、計(jì)量學(xué)和時(shí)域量子物理學(xué)之外的諸多潛在應(yīng)用打開了大門（見圖2）。

圖2：用于時(shí)域量子物理應(yīng)用的超穩(wěn)定、緊湊型雙分支摻鉺光纖激光系統(tǒng)。

“我們希望將這些超穩(wěn)定光學(xué)頻率梳應(yīng)用于時(shí)域量子物理學(xué)領(lǐng)域，”Sarah Hutter說，“更準(zhǔn)確地說，我們的目標(biāo)是獲取亞周期電磁場的量子噪聲。”

文/Sally Cole Johnson