德國康斯坦茨大學的研究人員建立了超精密飛秒光學頻率梳的設計準則，以最大限度地提高頻率測量的穩(wěn)定性。

圖1：Konstanz大學的研究團隊開發(fā)的第一臺摻鉺光纖激光系統(tǒng)，專為單電子系統(tǒng)的雙色飛秒激光實驗而設計。

德國康斯坦茨大學（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，發(fā)現(xiàn)了載波包絡偏移（CEO）頻率的線寬大幅下降的離散工作點——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學術會議上，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而優(yōu)化的自由運行超精密光學頻率梳的設計，提供了明確的指導。

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

飛秒光學頻率梳的設計 

頻率梳是一種超短脈沖激光，康斯坦茨大學的研究團隊開發(fā)的激光系統(tǒng)以光纖為基礎，使其盡可能緊湊、穩(wěn)定和便于運輸，而不需要任何特殊的實驗室設備。

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。 

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

激光系統(tǒng)的激光腔由一個非線性放大環(huán)形鏡和一個短程自由空間部分組成，其中包括可調(diào)偏振光學器件，用于非互易相位偏差的敏感對準。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 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計時，她頓時茅塞頓開。

“突然之間，我們所有的觀察結果變得有意義了，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，就能針對不同的應用優(yōu)化頻率梳。”

而研究團隊面臨的一大挑戰(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)色散和重復率等各種激光參數(shù)如何影響儀器的性能。

“為了克服這個問題，我們對相位噪聲進行了系統(tǒng)性分析，每次只改變一個參數(shù)，” Sarah Hutter說，“因此我們能夠建立一個模型，并在超寬帶頻譜上設計出具有銳利梳齒的頻率梳。為了通過實驗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腔內(nèi)，從而解決了這個問題。”

廣泛的潛在應用

飛秒光學頻率梳是科學和工業(yè)領域進行高精度測量的關鍵�？邓固勾拇髮W研究團隊的方法，適用于任何類型的飛秒光學頻率梳，它為高精度光譜學、計量學和時域量子物理學之外的諸多潛在應用打開了大門（見圖2）。

圖2：用于時域量子物理應用的超穩(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)定光學頻率梳應用于時域量子物理學領域，”Sarah Hutter說，“更準確地說，我們的目標是獲取亞周期電磁場的量子噪聲。”

文/Sally Cole Johnson