基于Menlo system光学频率梳中高功率非线性过程中出现的相位稳定性分析

参考文献

High-power frequency comb at 2 μm wavelength emitted by a Tm-doped fiber laser system, C. Gaida, T. Heuermann, M. Gebhardt, E. Shestaev, T. P. Butler, D. Gerz, N. Lilien. Optics Letters Vol. 43, No. 21, 1 November 2018

Gaida等人在Optics Letters发表了题为“掺铥光纤激光系统用于产生2μm波段的高功率频率梳”的文章。文章报道了掺铥激光器C-fiber用于产生2μm波长范围的高功率频率梳，具有高质量的振幅和相位稳定性，以及小于30fs脉宽的60W平均功率。系统中关键的组件是一台掺铒光纤锁模激光器，一个相干保持非线性展宽，一个高功率掺铥光纤啁啾脉冲放大器，非线性色散补偿（脉冲自压缩）。系统的相位锁定可以减小相位噪声，用10Hz~30MHz的宽带测量可检测噪声小于320mrad，用10Hz~1MHz的谱宽检测噪声可以小于30mrad。

目前波长范围2μm的频率梳在探测某些气体诸如CO2，NH3等方面有着巨大应用潜力，可以通过非线性晶体的参量转换，将频率梳波长扩展到分子指纹区域3~20μm。除了极少数晶体，在中红外（>5μm）具有高透过率的非线性晶体在1μm波段左右是是不透明的，所以为了致力于下一代计量学和光谱学，开发波长大于1.5μm的驱动光源是一种迫切的需求。通过掺铥或者掺钬的增益介质可以实现2μm的直接激发，这样的激光功率可以达到100W量级的平均功率，但是频率梳在平均功率上迄今为止还未达到过几瓦量级。这篇介绍的工作内容是，展示一个用掺铥光纤啁啾脉冲放大器激发的频率梳，在100MHz脉冲重复率和脉宽小于30fs脉冲持续时间下，得到前所未有的输出平均功率60W，具有较低的相对强度和相位噪声。

实验装置如图所示，包括一个Menlo System的掺铒光纤锁模放大器，一个用于非线性展宽的高非线性光纤，一个掺铥光纤啁啾脉冲放大器和一个非线性自压缩的实芯光纤，种子光由掺铒光纤放大器提供，重复频率100MHz，中心波长1.55μm，允许控制载波包络偏置频率和重频的稳定性。一个集成的f-2f的干涉仪用于锁模，将掺铒光纤放大器的载波包络偏置频率固定到一个特定主频。

掺铒光纤放大器的输出耦合到掺锗石英光纤中（一种高非线性光纤，用于产生中红外超连续谱），纤芯直径4μm，长度7mm，较短的长度有利益保持光谱展宽的相干性。随后脉冲会被耦合到全光纤脉冲展宽，包含一个啁啾光纤布拉格光栅，中心波长1960nm，脉冲展宽后达到550ps（半高宽），在包层中的阶跃指数被放大，平均功率从0.05提高到300mW，主放大器为单模双包层掺铥光子晶体光纤，长度3m，模场直径36μm，在793nm波长280W的共泵浦光纤允许90W的平均功率输出。放大的脉冲自压缩到250fs，输出70W的平均功率，高平均功率部分在真空中传输，避免大气吸收。通过加入56μm模场直径，5.6cm长度的大尺寸光纤，可以进一步压缩脉宽。这种压缩方案利用的是1.3μm以上熔融二氧化硅的固有反常色散，抵消了自相位调制引起的正啁啾，为了确定5.6cm的最佳光纤长度，进行了56μm的模场直径的脉冲演算，结合掺铥的啁啾脉冲放大器参数，求解非线性薛定谔方程，包括高阶色散，拉曼散射和自陡峭。

如图所示，a是模拟的脉冲，b是非线性自压缩光纤输出后的模拟和实测对比，由于通过空气传输到光谱仪，光谱显示出吸收特征，a中插图为经过非线性压缩，在60W平均功率的光斑轮廓。

相位稳定性分析方面，对于主动锁相的掺铒光纤放大器，在10Hz-30MHz的跨度，相位稳定性<100mrad，由于测量设置的低通特性，大多数噪声聚集在100kHz到30MHz之间。由自制的f-2f干涉仪产生的拍频信号注入到锁模放大器中，用于系统频率稳定，系统提供了30fs脉冲和60W的平均功率，与单独测量掺铒光纤放大器类似，大多数相位噪声都是在100kHz到30MHz之间累积，可以得到结论，频率小于100kHz时的相对滞后的相位偏移，是由掺铒光纤放大器后方的元件引入的，这部分偏差可由锁模装置在进行有效改善。对于掺铒光纤放大器中的大于100kHz的较高频率噪声，虽然微弱存在，但是会被ErFO后方的部分系统增强噪声。为了探究高频噪声的来源，设置了测量高功率非线性压缩输出的振幅噪声的实验，结果如图所示。

图a是振荡器载波包络的相位噪声，图b中，上图是整个系统中的相位噪声，下图是相对强度噪声。在小于100Hz对应的相对强度噪声是低于0.5%，可能是由掺铥光纤啁啾脉冲放大器中的慢波束振荡造成的。有趣的是，探测到的主要的噪声贡献都是频率大于10MHz。高频振幅噪声显著影响了f-2f干涉仪的相位噪声测量。科研团队用两种方式验证了这个观点。第一种事固定住干涉仪两条臂中的任何一个，发现高频噪声虽然比之前变弱了，但还是会被检测到。第二种，重新调整干涉仪的相位延迟，直到差频信号完全消失，这种差频信号会产生一个宽带的噪声极限。从上述现象可以知道，全部的振幅噪声都贡献了320mrad的相位噪声，占20%到30%的量级。证实了宽带高频噪声同时存在于相位和振幅的振荡中。尽管很难总结类似白噪声的相位和振幅不稳定的原因，但可能推测出几种。非线性展宽过程中的量子噪声会导致上述噪声。事实上，在掺铥光纤啁啾脉冲放大器之前的掺铒光纤放大器，减少高功率非线性光纤的长度可以改善白噪声，相当于在非线性展宽过程中降低相干性损失，另一种可能性是直接尽可能避免非线性过程，直接用锁相的掺铥光纤振荡器输出。总之提升系统稳定性，可以进一步改善相位稳定性。