光頻測(cè)量用飛秒激光頻率梳光譜擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究

張大鵬，梁志國(guó)，葉蓬

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京100080)

0 引言

1983年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì) (CIPM)推薦將127I2飽和吸收穩(wěn)頻的633 nm He-Ne激光波長(zhǎng)作為復(fù)現(xiàn)米定義的標(biāo)準(zhǔn)［1］，中航工業(yè)計(jì)量所 (CIMM)建立的633 nm碘穩(wěn)頻激光裝置于1986年被國(guó)家計(jì)量局定為國(guó)家副基準(zhǔn) (編號(hào)NO.02)。作為現(xiàn)行有效的633 nm波長(zhǎng)國(guó)家副基準(zhǔn)裝置，至今一直擔(dān)負(fù)著為國(guó)防工業(yè)及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值傳遞及溯源的工作。

飛秒激光頻率梳的出現(xiàn)，建立了微波頻率與光波頻率的直接鏈接，在實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率直接絕對(duì)測(cè)量的同時(shí)又將光頻直接溯源至具有更高精確度的時(shí)間頻率基準(zhǔn) (原子鐘)，這給波長(zhǎng)計(jì)量及光頻標(biāo)的建立帶來了革命性的進(jìn)展，而有望成為下一代光頻基準(zhǔn)的組成部分［2～4］。中航工業(yè)計(jì)量所作為現(xiàn)行有效的633 nm波長(zhǎng)國(guó)家副基準(zhǔn)裝置的保有單位，能夠利用飛秒激光頻率梳實(shí)現(xiàn)對(duì)編號(hào)NO.02激光的各峰值頻率的絕對(duì)測(cè)量成為頗具意義的工作。鑒于此，為了利用本研究小組研制的350 MHz重復(fù)頻率、650～950 nm波段鈦寶石飛秒激光頻率梳來實(shí)現(xiàn)對(duì)編號(hào)NO.02激光頻率的絕對(duì)測(cè)量，本小組在飛秒激光頻率梳重復(fù)頻率frep和載波包絡(luò)相移頻率fceo同時(shí)鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標(biāo)準(zhǔn)的前提下，分別采用棱鏡對(duì)和啁啾鏡對(duì)對(duì)脈寬進(jìn)行了壓縮，然后注入光子晶體光纖進(jìn)行擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)以期得到適用于光頻測(cè)量的覆蓋633 nm波長(zhǎng)的飛秒激光頻率梳。

1 650 nm～950 nm波段鈦寶石飛秒激光頻率梳

本實(shí)驗(yàn)中鈦寶石飛秒激光頻率梳采用“單塊”結(jié)構(gòu)，圖1給出其結(jié)構(gòu)示意圖?！皢螇K”結(jié)構(gòu)是指在獲取載波包絡(luò)相移信號(hào)fceo時(shí)采用了單獨(dú)一塊MgO:PPLN晶體來取代傳統(tǒng)方案“f-2f”結(jié)構(gòu)中的光子晶體光纖PCF與非線性干涉系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的非線性效應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)。這避免了PCF耦合精度要求高、端面容易損壞、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等致命缺點(diǎn)，同時(shí)激光器結(jié)構(gòu)更加緊湊，易于維護(hù)［5］。

圖1 650～950 nm飛秒激光頻率梳結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，飛秒激光振蕩器采用Z型折疊腔，泵浦源為半導(dǎo)體抽運(yùn)的Nd:YVO4倍頻532 nm固體激光器 (Coherent，Verdi-V8)，諧振腔內(nèi)利用啁啾鏡對(duì)(M1～M4)及光楔 (W1，W2)進(jìn)行色散補(bǔ)償，工作物質(zhì)為鈦寶石晶體Ti:s，抽運(yùn)功率在4.3 W時(shí)，鈦寶石振蕩器輸出飛秒激光脈沖的平均功率為520 mW，脈寬為7.5 fs，重復(fù)頻率為350 MHz。輸出的飛秒激光脈沖由銀鏡M5導(dǎo)入啁啾鏡對(duì) (M6，M7)及光楔 (W3，W4)進(jìn)行色散補(bǔ)償后再由銀鏡M8注入PPLN晶體，M9，M10為凹面鏡，在自相位調(diào)制 (SPM)和非線性頻率混合 (倍頻或差頻)效應(yīng)的作用下，在晶體中存在兩個(gè)有重疊光頻的飛秒激光頻率梳，重疊部分外差相干后便得到了載波包絡(luò)相移fceo;最后經(jīng)半反半透鏡M11透射的紅外波段飛秒脈沖由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)用于探測(cè)重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移fceo，圖中M12為半反半透鏡、M13為聚焦透鏡。重復(fù)頻率frep、載波包絡(luò)相移頻率fceo分別由頻率穩(wěn)定電路同時(shí)鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率上，圖2給出了重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移fceo同時(shí)鎖定后在PPLN晶體處觀察到的光譜曲線，此時(shí)該光譜未包含633 nm波段，若實(shí)現(xiàn)對(duì)633 nm光頻的絕對(duì)測(cè)量，須進(jìn)行光譜的擴(kuò)展。

圖2 650～950 nm飛秒激光頻率梳光譜曲線圖

2 光子晶體光纖擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)

光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)具有較強(qiáng)的非線性效應(yīng)和可控的色散特性，當(dāng)具有一定能量的飛秒激光脈沖通過光子晶體光纖時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻譜的極大展寬——超連續(xù)譜 (Supercontinuum，SC)，這使得光子晶體光纖成為激光頻譜擴(kuò)展的有效手段［6-8］。本實(shí)驗(yàn)中選用的是Crystal Fiber公司Femtowhite800型非線性超連續(xù)譜發(fā)生器，其采用小的纖芯直徑及大的包層纖芯折射率差來保障高的非線性系數(shù)。纖芯為有效模面積2μm2的單模光纖，長(zhǎng)度為12 cm，其色散特性由圖3給出，其零色散波長(zhǎng)為750 nm。

圖3 Femtowhite800光子晶體光纖色散特性曲線

圖1所示鈦寶石飛秒激光頻率梳的平均輸出功率為P=450 mW，重復(fù)頻率為frep=350 MHz，單脈沖能量為ε=1.29 nJ，輸出窗口處脈沖寬度為100 ps。為了獲得覆蓋633 nm波長(zhǎng)的更寬的光譜，首先需要對(duì)注入光子晶體光纖的飛秒激光頻率梳脈沖進(jìn)行脈寬壓縮，以提高脈沖的峰值功率來產(chǎn)生更強(qiáng)的非線性效應(yīng)。

常規(guī)進(jìn)行脈寬壓縮的方法采用圖4所示光路進(jìn)行，P1，P2為壓縮脈寬用棱鏡對(duì)，M1，M2為導(dǎo)光銀鏡，激光脈沖注入光子晶體光纖前由消色差物鏡Lens進(jìn)行聚焦縮束。圖5給出棱鏡對(duì)色散原理示意圖，圖中l(wèi)為棱鏡對(duì)頂間距離，β是空間啁啾引起的色散角度。

圖4 棱鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光路示意圖

圖5 棱鏡對(duì)色散示意圖

為最大限度的減少插入損耗，需要設(shè)計(jì)棱鏡使得入射角和出射角正好是布儒斯特角，當(dāng)光線經(jīng)過棱鏡對(duì)后，對(duì)色散有貢獻(xiàn)的光程為p=lcosβ，棱鏡對(duì)系統(tǒng)的二階、三階群速度色散量分別為

式中:λ為光在空氣中的波長(zhǎng)，對(duì)于圖1所示寬波段光脈沖波長(zhǎng)取λ=800 nm。飛秒脈沖經(jīng)過空氣及棱鏡等色散介質(zhì)產(chǎn)生的色散，可以根據(jù)Sellmeier方程得到。在棱鏡參數(shù)確定的情況下，色散主要依賴于棱鏡對(duì)P1，P2的間距l(xiāng)，經(jīng)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)中棱鏡間距設(shè)置為70 cm，其引入的色散量為-1400 fs2，可以很好地補(bǔ)償二階色散。經(jīng)過棱鏡對(duì)壓縮脈寬后的光脈沖由銀鏡M1，M2注入光子晶體光纖，圖6給出了擴(kuò)譜后飛秒激光頻率梳的光譜曲線。相比擴(kuò)譜前，光譜向短波方向發(fā)生了“藍(lán)移”，覆蓋633 nm波長(zhǎng)，最短波長(zhǎng)低于600 nm。

在利用光譜儀持續(xù)觀測(cè)該擴(kuò)展后光譜時(shí)出現(xiàn)了整個(gè)光譜忽強(qiáng)忽弱的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致擴(kuò)展出的633 nm波長(zhǎng)成分無法用于頻率測(cè)量，這種現(xiàn)象可以從兩方面給出解釋:①實(shí)驗(yàn)中整個(gè)光路裸露于空氣中，空氣環(huán)境擾動(dòng)導(dǎo)致經(jīng)消色差物鏡聚集后的光束偏離纖芯的模場(chǎng)空間而使得光纖耦合不穩(wěn)定;②由圖1所示飛秒激光頻率梳輸出的激光脈沖，經(jīng)各器件到達(dá)光子晶體光纖PCF前的“光程臂長(zhǎng)”過大 (約1 m)，在“光程臂長(zhǎng)”中某一器件引起的光路偏離在到達(dá)PCF時(shí)均被放大，使其偏離纖芯模場(chǎng)空間。

圖6 棱鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光頻曲線圖

綜上兩點(diǎn)，“光程臂長(zhǎng)”過大是采用棱鏡對(duì)壓縮脈寬所導(dǎo)致的必然結(jié)果，并且這將導(dǎo)致該擴(kuò)譜結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)極其敏感而無法得到穩(wěn)定可用的光譜。對(duì)此，本研究小組采用啁啾鏡對(duì)代替棱鏡對(duì)進(jìn)行脈寬壓縮，光路如圖7所示。啁啾鏡對(duì)CM1，CM2采用Layertec公司產(chǎn)品，在640～1000 nm波段鍍有高反膜，反射率高于99.8%，在680～940 nm波段群速色散量為-50 fs2，在啁啾鏡對(duì)上反射22次后，引入色散量-1100 fs2，脈寬壓縮后的光脈沖由導(dǎo)光反射鏡M3反射，經(jīng)40倍消色差物鏡Lens注入光子晶體光纖 PCF獲得“藍(lán)移”后的600～950 nm寬帶光譜，通過微調(diào)光子晶體光纖空間角度時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光譜譜峰的可調(diào)，圖8給出了633 nm處于譜峰時(shí)的光譜曲線，利用光譜儀經(jīng)過對(duì)其5 h的實(shí)時(shí)觀測(cè)，該光譜曲線沒有出現(xiàn)幅值抖動(dòng)，滿足測(cè)量633 nm波長(zhǎng)激光頻率的光譜范圍需求。

圖7 啁啾鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光路示意圖

圖8 啁啾鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光頻曲線圖

3 600～950 nm飛秒激光頻率梳穩(wěn)定度分析

以上擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)均在重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移fceo同時(shí)鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上的前提下進(jìn)行，為了驗(yàn)證擴(kuò)譜后的600～950 nm寬帶飛秒激光頻率梳的穩(wěn)定情況，采用兩臺(tái)Agilent53132A型頻率計(jì)數(shù)器同時(shí)采集頻率值frep，fceo，圖9、圖10分別給出了16000 s時(shí)間內(nèi)頻率frep，fceo隨時(shí)間變化的曲線。

圖9 擴(kuò)譜后frep隨時(shí)間變化曲線圖

圖10 擴(kuò)譜后fceo隨時(shí)間變化曲線圖

表1給出了在16000 s時(shí)間內(nèi)，頻率frep，fceo及633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn) (2012年由633 nm波長(zhǎng)國(guó)家基準(zhǔn)檢定結(jié)果)不同門時(shí)間對(duì)應(yīng)的阿倫偏差值。

經(jīng)頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)中16000 s時(shí)間內(nèi)重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相移頻率的均值分別為frep=351.67634904446 MHz，fceo=20.60242937 MHz。飛秒激光頻率梳在頻域內(nèi)表現(xiàn)為孤立的光頻齒序列，第N條梳齒的頻率值表達(dá)式為fN=Nfrep+fceo，其中頻率值fceo為107Hz量級(jí)，在上式中直接參與加減，其頻率變化量為10-4Hz/s或10-3Hz/s量級(jí);而頻率值frep為108Hz量級(jí)，Nfrep為1014Hz量級(jí)，其頻率變化量為102Hz/s量級(jí)，故本實(shí)驗(yàn)中飛秒激光頻率梳的光頻齒頻率穩(wěn)定度完全取決于frep鎖定后的穩(wěn)定度，由表1及氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度可以判斷，此600～950 nm波段飛秒激光頻率梳的頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘。實(shí)驗(yàn)中633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)e吸收峰參考頻率值為f=473612366.961 MHz，對(duì)應(yīng)飛秒激光頻率梳光頻齒的序列號(hào)為N633-e=1346728，這意味著在測(cè)量e峰光頻時(shí)為飛秒激光頻率梳中第1346728條光頻齒與e峰進(jìn)行拍頻，只需測(cè)量出二者頻率差值便可得到e峰光頻絕對(duì)值。綜上，經(jīng)光譜擴(kuò)展后光譜范圍覆蓋600～950 nm波段，擴(kuò)展后的飛秒激光頻率梳頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘，滿足633 nm激光器光頻絕對(duì)測(cè)量的需求。

表1 frep，fceo及633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)阿倫偏差

4 結(jié)論

為了利用650～950 nm波段“單塊”結(jié)構(gòu)鈦寶石飛秒激光頻率梳實(shí)現(xiàn)對(duì)633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)光頻絕對(duì)測(cè)量，本課題組利用光子晶體光纖進(jìn)行了擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用啁啾鏡對(duì)壓縮脈寬可以避免棱鏡對(duì)結(jié)構(gòu)所固有的“光程臂長(zhǎng)”過大而導(dǎo)致的光譜不穩(wěn)定而無法實(shí)際用于光頻測(cè)量的缺點(diǎn)，最終獲取了光譜范圍覆蓋600～950 nm波段、頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘、滿足NO.02激光器633 nm光頻絕對(duì)測(cè)量需求的飛秒激光頻率梳。

［1］沈乃瀓，魏志義，聶玉昕.光頻標(biāo)和光頻測(cè)量研究的歷史、現(xiàn)狀和未來 ［J］.量子電子學(xué)報(bào)，2004，21(2):139-145.

［2］Udem T，Holzwarth R ，H?nsch T W.Optical frequency metrology［J］.Nature，2002，416，233-237.

［3］Udem T，Reichert J，Holzwarth R，et al.Accurate measurement of large optical frequency differences with a mode-locked laser［J］.Opt.Lett，1999，24(13):881-883.

［4］錢進(jìn)，劉秀英，黃曉榮，等.633nm激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)副基準(zhǔn)比對(duì) ［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(4A):127-130.

［5］Fortier T M，Bartels A，Diddams S A.Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate-1 GHz for optical frequency Measurements and comparisons ［J］ .Opt.Lett，2006，31(2):1011-1013.

［6］ Russell P S J.Photonic crystal fibers ［J］ .Lightwave Technol，2006，24(12):4729-4749.

［7］ Alfano R R，Shapiro S L.Emission in the Region 4000 to 7000 A Via Four-PhotonCoupling in Glass［J］ .Phys.Rev.Lett，1970，24(11):584-587.

［8］Alfano R R ，Shapiro S L.Observation of Self-Phase Modulation and Small-ScaleFilaments in Crystals and Glasses［J］ .Phys.Rev.Lett.，1970，24(11):592-594.