基于锁模光纤激光器的光学频率梳

黄保等:基于锁模光纤激光器的光学频率梳 5激光杂志62009年第30卷第2期 LASER J OURNAL(Vol. 30. No. 2. 2009)

基于锁模光纤激光器的光学频率梳

黄保, 冯鸣, 陈新东, 李刚, 吕可诚, 李乙钢

(南开大学物理学院, 天津 300071)

提要:基于锁模光纤激光器的光学频率梳是一种新型的光梳发生器。介绍了其产生的基本原理, 分析了以射频标准、光频标准以及高次谐

波与铯原子跃迁频率标准比较等方法对重复频率f r 进行精密控制, 抖动在10L Hz 以内; 以及采用基频倍频自参考法、2f -3f 干涉法等对偏移频率D 进行精确测定和稳定性控制, 其稳定性达到10mHz 。报道了国内外基于锁模光纤激光器的光学频率梳最新研究进展情况, 并简单介绍了其在时间、长度精密测量以及与光频有关的科研生产领域中的应用, 展望了未来的发展方向。

关键词:锁模光纤激光器; 光学频率梳; 稳定性控制; 偏移频率测量

中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2009)02-0016-04

Optical frequency comb based on mode -locked fiber laser

我们知道光波的频率在约1014Hz 量级, 但目前现有的电子装置是无法进行测量的。而对光频的精密测量将大大提高时间计量的精度和准确性, 进而提高GPS 深空导航, 空天飞行, 基本物理常数测量的精度。直到20世纪末期科学家们才建成了巨大的频率链1112, 实现了微波频率与光学频率的链接, 可以间接实现对光频的较高精度的测量, 但是频率链体积庞大, 结构复杂, 积累误差大, 增大了不确定性。1996年基于掺钛蓝宝石激光器所产生的飞秒激光光学频率梳的研制成功, 实现了微波频率和光学频率的精密链接, 从而使对光频的测量精度有望达10-19112。但是钛宝石飞秒激光器存在成本高, 结构复杂, 维护难等缺点。而以飞秒锁模脉冲输出的光纤激光器在理论和实验上都取得了巨大的成功122, 而且与钛宝石激光器以及其他脉冲激光器相比, 光纤激光器以其光束质量好, 体积小, 重量轻, 易集成, 免维护; 风冷却, 简单易操作; 运行成本低, 可在工业环境下使用等优点受到越来越多的关注。基于此, 使得基于飞秒脉冲光纤激光器的光学频率梳的研究成为近几年来的研究热点, 在理论和实验上也已取得了较好的结果, 并且已经应用到实际的光频测量中。

HUA NG Bao, FENG Ming, CHEN Xi n-dong, LI Gang, LU Ke-cheng, LI Yi-gang

(College of Physics , Nankai University, Tianjin 300071, China)

1 光学频率梳的有关理论

1. 1 光梳产生的基本原理

光学频率梳是基于锁模飞秒脉冲激光技术, 它可以方便可靠准确的将光学频率锁定到基准频率上。其基本原理是:脉冲激光器的输出在时域上为一系列等间隔的超短脉冲, 脉冲宽度一般为几到几十飞秒, 重复频率为几百MHz 到几GHz, 而在频域里为由一系列等间隔光谱线组成的光梳, 每个梳齿之间的间隔等于飞秒激光器的重复频率。

锁模激光器的输出脉冲可以看作是能量高度集中的波包, 而且激光器锁定的纵模越多, 脉冲宽度越窄, 其时域和频域特性如图1中的a 和b 所示

$5:相移, f rep 重复频率, D :偏移频率

图1 锁模脉冲的时域和频域图

如图1中a 所示, 在时域里是以T =1/f r 周期的脉冲序

收稿日期:2009-01-05

基金项目:天津市自然科学基金项目资助, 项目号:08J CYBJC14900。

列; 而在频域里如图1中b 所示, 对应频率轴上一列纵模, 这些纵模是等间隔的且等于脉冲重复频率f r , 其形状像梳子一样, 因此被称作光学频率梳。

由于激光腔内存在色散, 导致载波在腔内往返一次后不能重现它与包络间原有的相对位相关系, 因此相邻两个脉冲的载波与包络之间呈现相对位相差$5。这个相移在频域上就对应于一个相对于理想频梳的频率漂移D =$5f r /2P , 在图1中b 中可以看到, 且是所有梳齿模共有的, 并由脉冲之间的相移决定。

根据频率梳的原理, 每个梳齿对应的频率可以表示为:

f n =n f r +D (1)

式中f r , 是重复频率, n 是整数, D 是偏移频率。由于激光脉冲不是无限窄, 所以频率梳覆盖的频率范围是有限的, 通常为30nm 左右。

1. 2 重复频率f r 的精密测量和稳定性控制1. 2. 1 重复频率f r 的精密测量

对于不同腔结构的激光器其脉冲重复频率的计算方法是不同的:

线性腔 f r =c/2n L (2) 环形腔 f r =c/n L (3) 其中n 为光腔介质折射率, L 为腔长。由于受温度和环境扰动的影响, 引起腔长的改变进而使重复频率发生变化, 对测量的精密度产生严重影响, 因此, 要对重复频率进行稳定性控制。

1. 2. 2 对重复频率f r 精密控制有多种方法:

(1) 以射频f re f L 为频率参考由(1) 式我们可以得到

f n -f n-1=(n f r +D ) -1(n -1) f r +D 2-f r (4) 即任意两个相邻光频的拍频都是f r , 因此只要对光梳的光束进行光外差探测就可从光梳中直接得到f r 信号, 再将这个f r 信号与射频频率标准鉴相, 得到f r 信号与射频标准f ref 之间的频率差, 然后通过闭合控制环路调整飞秒锁模激光器腔体上的压电陶瓷(PZT ) 来调节腔长L , 从而改变f r , 的大小, 实现f r 与射频频率标准f re f 之间的相位锁定, 即将射频频率标准的稳定度和精度传给了f r , 达到了对重复频率的精密控制。

(2) 以光频标准f refo 为频率参考

与方法(1) 类似, 即用一个已知的光频标准f re f o 与光梳中第n 个频率f n 进行拍频, 得到拍频信号f b , 那么f n =f re f o ? f b (正负号由f n 与f re f o 的大小决定) , 如果能够精密控制f b 那么就可精确锁定f n 了。然后将拍频信号f b 以射频标准为参考, 与射频标准一并送入锁相控制环, 锁相控制环鉴别它们,

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的压电陶瓷来调节腔长L, 从而改变重复频率f r 进而引起f n

的变化。如果偏移频率D 和f n 得到精密控制, 那么通过这个闭合控制环路就可精密锁相控制重复频率f r 。由上述分析重复频率可表示为f r =(f r e fo ? f b -D ) /n 。由于f b 和D 比f refo 小五个数量级并都有射频标准精密锁定, 而且n 的值也在105左右, 因此f r 精确度主要受光频标准f re f o 的影响。

(3) 以重复频率的89次谐波与高度稳频的铯原子跃迁频率标准进行比较112, 锁定前抖动量在Hz 量级, 而锁定后重复频率的抖动平均在10L Hz 的范围内, 比未锁前提高了6个数量级。而在之前的报道中直接锁定重复频率基频132, 锁定后重复频率在MHz 位抖动, 很明显这里采用的高次谐波锁定法具有更高的精度。

1. 3 偏移频率D 的精密测量和控制1. 3. 1 D 的精密测量

对D 的测量主要有两种方法:

(1) 基频-倍频自参考法(f-to-2f self-referencing) 由(8) 式可知:

2f n =2n f r +2D (5) f 2n =2n f r +D (6)

两式相减可得D , 即使光梳的低频端倍频后与高频端差频得到。

显然, 采用1f 至2f 干涉技术的前提是光梳的频谱宽度必须覆盖一个光学倍频程, 即输出频谱包括f n 和f 2n 。一般飞秒锁模激光器输出光谱范围只有几十THz, 无法达到一个光学倍频程, 这就需要将光梳的光谱进一步展宽。

目前, 科研人员利用超短脉冲在光纤和其他材料中强烈的非线性效应来使光束的频谱展宽, 并且还能很好的保持原来的结构。对光梳进行展宽即产生具有一定结构的超连续谱, 其方法有多种:一是让飞秒脉冲通过光子晶体光纤(pho -tonic crystal fiber) 、锥型光纤tapered fiber 、经紫外光暴光的光敏光纤; 二是单个飞秒激光器直接产生超宽带谱142; 三是两个不同激光器的同步152。此外, 还有利用将几段色散系数不同的高非线性光纤熔接在一起产生了覆盖1100n m 至2200nm 的超连续谱162。

其中, 光子晶体光纤是近年来研制成功的新型非线性光学材料, 它是利用周期性排列的空气孔包层, 改变了光纤的等效折射率, 使其零色散波长位于可见光区。从钛宝石激光器输出的800nm 波长超短脉冲进入光子晶体光纤后产生强烈的非线性效应, 如:自相位调制, 四波混频, 拉曼频移, 自陡峭等, 从而产生非常宽的超连续谱; 锥形光纤是将光纤局部加热拉伸, 减小其芯径, 满足空气包层的要求, 从而产生超连续谱; 空芯光纤是利用超短脉冲与纤芯中的惰性气体的自相位调制和自陡峭等非线性效应产生超过一个倍频程的超连续谱; 在一些特殊的激光振荡器中加入自相位调制介质, 也可以直接产生超过一个倍频程的超连续谱。另外利用两个不同波长的锁模激光器之间的相干同步和不同色散特性的光纤的混接同样产生很宽的连续谱。目前, 利用光纤的非线性效应产生的超连续谱已经覆盖了从紫外到红外整个光谱区。

(2) 2f 至3f 干涉法

采用各种非线性材料进行光谱展宽也有诸多的限制因素。对于光子晶体光纤主要有耦合功率低, 长期稳定性差, 产生附加的振幅噪声, 较长的光纤使模式之间的相干性遭到破坏等; 而锥形光纤制造困难, 承受的光功率低; 空心光纤需要高能脉冲, 而且系统庞大昂贵; 使用两个激光器使得整个系统复杂庞大耗费多, 并增加了不稳定性。因此, 如果飞秒激光器输出的宽带光谱在f n 到f m 之间且满足f n :f m =2:3, 就可利用2f 至3f 干涉法得到D , 克服上述材料的不足。其基:

由(1) 式可得:

f n =n f r +D

三倍频

3f n =3n f r +3D

同理

f m =m f r +D

二倍频

(7)

(8) (9)

2f m =2m f r +2D (10)

且使3n =2m, 则3f n -2f m =D , 即可得到D 1. 3. 2 D 的精密锁定

由光梳的基本原理可知, 载波包络以群速度T g 传播, 而载波以相速度T p 传播, 两者的不同产生了D (D =T 0(1-T g /T p ) 。而且T g 和T p 随着飞秒锁模激光器泵浦光强的改变而改变。通常是采用上述两种方法获得D 的信号, 然后将得到的D 信号与微波频率标准鉴相, 得到一个相位误差信号, 接着经过电子伺服反馈系统来调节激光器的泵浦光强, 从而改变D , 使其与微波频率标准同相。此外, 还可利用差频法产生

172

无D 的光梳, 即让光梳的高频端与低频端直接差拍。用公式表示为:

f high =n h igh f r +D f low =n low f r +D (11)

f high -f low =n high f r +D -n low f r -D =(n high -n low ) f r (12)

从上式可以看出, 产生的差频与零频无关, 只与f r 有关, 因此只要精密锁定f r 即可, 这大大降低了系统的复杂性, 增加了差频产生无f r 光梳的精确度和稳定度。

在此前的报导中也有在激光腔中插入色散补偿元件来

182

改变T g , 从而精密锁定D 的; 此外, 中国科学院一个研究小组采用PZT 倾斜腔镜的方法控制D 132, 但这种方法的锁定精度受PZT 响应速度的限制。为了提高锁定精度, 同一个实验组又采用AOM 调整抽运光功率的方法稳定D , 经锁定后D 稳定达到了M ' z , 而且还发现D 的稳定性与重复频率f r 的稳定性有关。

1. 4 梳状模数目N 的精确测定

在重复频率和偏移频率都得到精确测定与精密控制后, 我们就可获得一个稳定的光梳来进行各种实验和研究。而在光梳的一个重要应用就是光频测量, 需要一个准确的模式数N , 这样才能提高光频测量的精确庹。通常, 较多采用估算的方法预先计算出模式数N , 这种方法要求待测光频的不确定度小于模间隔, 此时测量误差很小。反之, 则会带来很大的测量误差。目前, 对如何精确测定模式数N 的报道很少, 其中华东师范大学马龙生等人的测量方法较为突出192。其基本原理如下:

设待测光频为f x , 其与光梳第N 个梳齿形成的拍频为f b , 则f x 可表示为:

f x =Nf r ? D ? f b (13)

其中f r 为重复频率, D 为偏移频率, 且都已精密锁定到射频频率标准上,f b 为待测光频与光梳第N 个梳齿形成的拍频。现取N , 使N c =N c +m, 则f x 可重新表示为:

f x =(N +m) #f c r ? D c ? f c b (14)

其中N , N . , m 都为整数。由(13) 和(14) 式可将N 表示为:

1? D -(? D c ) +m #f c r ? f c b -(? f b ) 2N =(2)

r -f c r 式中f r , D 为已知量, 通过改变重复频率可以测得m 并精确控制, 同时可获得f b 和f c b 的值, 因此由上式就可由实验N

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辐射噪声的影响, 在此实验结果中没有显示获得的光梳的宽

度和重复频率值, 以及如何对重复频率和偏移频率进行精密的测量和稳定性控制。

除了采用D M -Z 调制器以外, 韩国Han Young Ryu 等科研人员利用AOM 作为移频器, 实验成功了基于种子注入主动锁模光纤激光器的光梳发生器, 实验结构如图4所示1112。

实验获得的光梳宽度超过1. 8THz, 模间隔150MHz, 重复频率取决于AOM 的驱动频率, 如图5所示:

2 光纤型光学频率梳

光纤型锁模激光器能克服固体锁模激光器体积大, 价格昂贵, 而且光束耦合复杂等缺点, 而且随着短脉冲技术的进步, 其脉冲峰值功率和能量都有很大的提高, 因此它们作为光梳发生器成为近年来的研究热点。

最早在1999年, 日本电子科技实验室采用在光腔中加入D-MZ M 调制器研制成功一种单边带光梳发生器102, 其实验结构如图2所示

Master Laser:主激光器, O/E:光电转换, Loop frequency controller:环形频率控制器, RF s ynthesizer:射频合成器, D-MAZ:双马赫增德尔调制器, Optical amplifier:光放大器

图2 单边带光梳发生器实验结构

图5 光梳发生器输出光谱

Frequency:频率, Relative intensi ty:相对强度

中心波长为1. 55L m 连续波激光经放大器放大和D-MZM 调制后, 其输出电场可表示为:E out (t) =

I 1cos (X 0t +A P cos X m t) +cos (X 0t +A P sin X m t ) 2

(21)

s p (X ) =P I /41J 0A P D {X +X 0}+2J 1A P D {X +(X 0-X m ) }2

(22)

式中X 0是中心载波频率a =V RF /V P /2, J 0和J 1为塞尔函数, D 为戴尔塔函数。由(22) 式可看出第一项光载波频率, 第二项为第一个边带。其调制原理如图3所示

与前者不同, 基于被动锁模光纤激光器的光梳发生器在

精密的控制条件下已经获得了稳定性很好的频率梳输出。2007年, 台湾标准局和电光工程研究所以及美国OFS 实验室共同研制成功了基于偏振附加脉冲锁模(P -APM) 光纤激光器的光梳发生器1122。其结构如图6所示:

PZT:压电陶瓷, SMF:单模光纤, PC:偏振控制器, HN LF:高非线性光纤, PD:光电探测器, SYN:合成器, MgO PP LN:掺镁铌酸锂, BPF:带通滤波器, Loop fil ter:环形滤波器, Phase detector:相位探测器, Frequenc y counter:频率计, Current driver:电流驱动器, LPF:低通滤波器, Prescaler:前置放大器, Amplifier:放大器

图6 基于NPR 锁模光纤激光器的光梳发生器实验结构

Is olator:隔离器, Polari zati on controller:偏振控制器, D-MZM:双马赫增德尔调制器, OSA:光谱分析仪, DC bias:直流偏置, Phase shi fter:相移器, Power dri ver:能流驱动器, RF amp:射频放大, R F SYN:射频合成器

图3

光梳发生器的调制系统

Laser oscillator:激光振荡器, after amplifier:放大后, after HN LF:经过高非线性光纤后

图7 锁模脉冲经过非线性光纤展宽后的光谱

Las er i n:激光注入, Tunable Coupler:可调耦合器, Coupler:耦合器, O SA:光谱仪, PD:光电探测器, RF SA:射频频谱分析仪, WDM:波分复用器, ED F:掺饵光纤, Polari zer:起偏器, Isolator, 隔离器, PC:偏振控制器, AOM controller:声光控制器, AO M:声光调制器

图4 种子注入光梳发生器实验结构

实验得到单边带的频率梳, 而一般的频率梳其梳齿模的强度都是从中心纵模向两边递减的, 因此测量频率范围受到纵模衰减度的限制, 也就不能有效利用频带宽进行频率测

和放大实验得到重复频率为100MHz 偏移频率为400KHz 的光梳。其中采用单光束f-2f 法对偏移频率进行测量。首先将锁模脉冲经过放大器放大, 然后经一段单模光纤压缩后输入一段长约18cm 的色散平坦的高非线性光纤, 以提高频谱的展宽度达到一个倍频程(图7) , 通过倍频晶体后干涉测量得到。偏移频率主要受到泵浦源稳定性的影响, 因此通过图中绿色的电子伺服系统来稳定泵浦源, 得到小于0. 52MHz 的不稳定度。而对于重复频率的测量和稳定如图中的蓝色部分原理如上节所述, 通过压电陶瓷来改变腔长从而改变重复频率使其达到稳定, 实验获得了1. 3@10-13的不稳定度, 这是

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迄今所知基于锁模光纤激光器的光学梳所获得的最小的不

稳定度。

除此外, 美国国家标准技术研究院采用NALM 1132和NPR 114, 152原理获得了重复频率可以调节的光纤型光学频率梳, 并采用与上面相类似的方法对重复频率和偏移频率进行稳定性控制。

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3 光学频率梳的应用

飞秒光梳的研制成功被认为是精密激光光谱学和计量

学上的一场革命, 它不仅为高精密的计量研究提供了精确的时间频率标准和光学频率测量技术, 建立了光学频率和微波频率的直接链接, 解决了光钟研究的关键技术之一1162, 而且为其他与光频有关的研究课题和应用领域提供了关键的技术指导。

首先, 光学频率梳作为高精度的光尺提供精密测量光学频率和长度的标准, 对任意光学频率进行直接的精密测量, 这是其重要应用之一, 而且在涉及频率的大量科学研究和技术应用领域如超精细光谱学, 全球定位系统, 精密制导, 光通信等方面也将有广阔的应用前景。

其次, 对频率的精密测量也推动了对时间的精确计量。目前, 最精确的计时装置是激光冷却铯原子喷泉钟, 其准确度达10-15而利用光学频率合成器可以将超高精度稳频激光器提供的光学频率标准准确无误的传递到微波波段, 提供高精度时间频率标准-光钟116, 172, 新一代的光钟其精确度有望达到10-18, 这将极大提高诸如GPS 卫星导航定位系统, 太空望远镜等有赖于时间基准的系统的精度; 另外超高精度的时间基准也可能用于研究物质和反物质的关系及检测某些自然界常数可能产生的变化。

此外, 光频梳可以用来测量微小的距离变化, 测量范围达10L m, 不确定度在220p m 内1182。高精度时间频率标准也引起了人们对一些基本物理常数如里德堡常数, 精细结构常数的重新测定1192。

4 展望

目前, 基于锁模光纤激光器的光学频率梳的研究仍处在实验室阶段, 到实际的应用还有相当的距离。主要问题有光梳覆盖光频的宽度不够大, 稳定性和精确性有待继续提高且其控制系统较复杂, 易受温度的影响, 光纤材料易漂移损坏, 透过率低等。但是随着光纤制作工艺和锁模技术的提高, 以及高精密控制系统和非线性控制技术的出现, 再加上光纤激光器自身的独特优势, 全光纤型光学频率梳将在与时间频率有关的各个领域发挥重要作用。

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