Optiske frekvenskamme med høj effekt spiller en meget vigtig rolle i ikke-lineær præcisionsspektroskopi, generering af ekstrem ultraviolet optisk frekvenskamme, forskning i atomur og atomur osv. Fiber femtosekundlasere er den foretrukne løsning til realisering af højeffekt optiske frekvenskamme på grund af fordelene af enkel struktur, stabil ydeevne og nem forstærkning. På grund af den uundgåelige spontane emissionsstøj (ASE), pumpeintensitetsstøj, spektral kohærensforringelse og fasejitter forårsaget af lysvejen i fiberlaserforstærkning, er frekvensstabiliteten af den optiske kam imidlertid alvorligt påvirket. Derfor er det en udfordrende opgave at opnå højfrekvent stabilitet og samtidig høj effektforstærkning.
For at løse ovenstående problemer, baseret på den langsigtede forskning i optisk frekvenskamteknologi, har L07-gruppen fra Key Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics successivt fremsat de tekniske løsninger med at adoptere den støjsvage optiske fiberfrøkilde, lineær chirped pulsforstærkning og intrakavitet elektro-optisk krystalhurtig fasemodulation osv., og generere det højkohærens superkontinuum spektrum af den trækkende kegle fotoniske krystalfiber og kombinere med Det integrerede strukturelle design, temperaturkontrol, vibrationsisolering og andre tekniske design har effektivt reduceret støjen fra den optiske frekvenskam. For nylig har Hainian Han, en associeret forsker i gruppen, og Xiaodong Shao, en postdoc-stipendiat, yderligere opnået en ud-af-ring-frekvensstabilitet i størrelsesordenen 10-19/1000s på en 20W høj-gennemsnitseffekt fiberoptisk frekvenskam. Dette er kendt for at have nået frekvensstabiliteten af de nuværende bedste optiske atomure, og det er også det optimale resultat opnået med højeffekt optiske frekvenskamme indtil videre. Figur 1 viser det skematiske diagram af de to identiske udviklede prototyper for optisk fiberkam med høj effekt og den ekstra ringformede dobbelte optiske kam-sammenligning for at måle frekvensstabiliteten.
En selvbygget ikke-lineært polariseret rotationstilstandslåst (NPR) fiberlaseroscillator blev brugt som femtosekunds frøpulskilde i undersøgelsen og en højeffekt femtosekundlaserudgang med en gennemsnitlig effekt større end 20 W og en impulsbredde på 75 fs blev opnået efter lineær fiber chirped pulse amplification (CPA). Den låste frekvensstabilitet af bærebølgeindhyllingsfaseforskydningsfrekvensen (CEO) er 1,5×10-17/s. I den optiske frekvenslåsning tappes femtosekundimpulserne fra forskellige grene af oscillatoren og forstærkeren separat med den superstabile referencelaser, og hvis forstærkerens tappede signal bruges til låsningen, vil den målte frekvensstabilitet af højeffekten forstærket laserring kan nå 2×10-18/s, mens i tilfælde af kun CPA, kan frekvensstabiliteten nå 2×10-18/s, og i tilfælde af kun CPA, frekvensen stabilitet kan nå 2×10-18/s. -18/s, mens i tilfælde af kun at låse femtosekund-pulsudgangen fra oscillatoren, hvis forstærkeren får lov til at køre frit, kan frekvensstabiliteten kun nå 10-15/s, hvilket er tre ordener af størrelsesorden værre. Støjeffektspektrumanalysen viser, at forstærkeren introducerer en stor mængde lavfrekvent støj, som har en væsentlig effekt på langtidsstabiliteten af den optiske frekvenskamfrekvens, og forskellen er endda så høj som fire størrelsesordener ved kl. en gatetid på 1000 s, som vist i fig. 2 (a). Derudover viser resultaterne af fasestøjanalysen, som karakteriserer frekvensens kortsigtede stabilitet, også, at efter en række støjkontrolforanstaltninger er den højfrekvente støj, som forstærkeren introducerer, meget lille og påvirker ikke kortsigtet stabilitet af systemet.
For at evaluere frekvensstabiliteten af denne optiske frekvenskam med høj gennemsnitlig effekt i praktiske applikationer, måles to 20W højeffekt fiberlaserfrekvenskamme for første gang i denne undersøgelse. Måleresultaterne viser, at den typiske stabilitetsværdi for frekvensen uden for ring er 4,35×10-17/s ved 1 s integrationstid og falder til 6,54×10-19 ved 1000 s integrationstid, som vist i fig. 2(b), hvilket vil åbne op for nye døre til mange applikationer, der kræver høj effekt og højfrekvent stabilitet af optiske kamme. Dette forskningsfremskridt blev for nylig offentliggjort i Optics Express under titlen "High power optical frequency comb with 10-19 frequency instability" (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Artiklens første forfatter er Xiaodong Shao, og medvejlederne er Zhiyi Wei og Hainian Han. Dette arbejde blev støttet af pilotprogrammet for det kinesiske videnskabsakademi (XDA1502040404, XDB210104004) og National Natural Science Foundation of China (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
En 20 W højeffekt optisk fiber frekvenskam med 10-19. ordens ekstra ringformede frekvensstabilitet.
Fig. 1 (a) Fotografi af den konstruerede principprototype af den højeffekt fiberoptiske optiske kam, (b) Skematisk diagram af måling af ekstra-ringfrekvensstabiliteten af den højeffekt optiske frekvenskam
Fig. 2 (a) Frekvensstabilitet af oscillator og forstærker låst separat, (b) Frekvensstabilitet af højeffekt optisk frekvenskam med sammenligning uden for ring
