基于飛秒鎖模光纖激光脈沖基頻光的差頻產(chǎn)生紅外光梳?

馬金棟 吳浩煜 路橋 馬挺 時(shí)雷 孫青 毛慶和1)

1)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,合肥 230026)

2)(中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽省光子器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

3)(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所,北京 100029)

1 引 言

光學(xué)頻率梳(optical frequency comb,OFC)簡(jiǎn)稱光梳,是一種新型高品質(zhì)激光源,時(shí)域?yàn)榈乳g隔超短脈沖序列,頻域?yàn)榈乳g距梳齒線[1].基于飛秒鎖模鈦寶石激光器和摻鉺或摻鐿光纖激光器的光梳正趨于成熟,其光譜范圍處在可見和近紅外波段,并在光頻計(jì)量、光原子鐘、時(shí)頻傳遞、精密激光光譜等領(lǐng)域開始發(fā)揮重要作用[2?4].眾所周知,中遠(yuǎn)紅外波段集中了大量分子的基帶吸收線[5,6],為滿足物質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分分析的需要,近年來,人們正在大力發(fā)展中遠(yuǎn)紅外波段光梳,并提出了多種直接產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外光梳的技術(shù)方案[7?9],期望通過包括傅里葉光譜[10]、腔衰蕩光譜[11]和雙光梳光譜[12]等新型光譜技術(shù)來實(shí)現(xiàn)比近紅外波段更高靈敏度的光譜分析.例如,2010年,H?nsch研究組[13]構(gòu)建出了基于鎖模Cr2+:ZnSe激光器的2.5μm波段光梳;2012年,Hugi等[14]設(shè)計(jì)出基于量子級(jí)聯(lián)激光器的7μm波段光梳;2013年,Wang等[15]則采用連續(xù)光抽運(yùn)氟化鎂微腔獲得了2.5μm波段光梳.這些產(chǎn)生紅外光梳的方案簡(jiǎn)單直接,但是,受增益介質(zhì)等因素的限制,光梳光譜范圍相對(duì)較窄,難以滿足精密激光光譜探測(cè)等應(yīng)用需求.因此,人們?nèi)匀辉谥铝τ诓捎脗鹘y(tǒng)光參量振蕩(OPO)和差頻產(chǎn)生(DFG)技術(shù)來獲取中遠(yuǎn)紅外光梳.

采用近紅外光梳抽運(yùn),基于周期極化鈮酸鋰晶體的OPO技術(shù),已可獲取2.8—4.8μm的中紅外光梳[16].但是,在OPO紅外光梳方案中,以近紅外光梳為抽運(yùn)光時(shí),須嚴(yán)格調(diào)控OPO腔來鎖定紅外光梳重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率[16,17],導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與鎖定均極為復(fù)雜.另一方面,由于光整流技術(shù)可自動(dòng)消除來自同一激光源的基頻雙色脈沖所產(chǎn)生的差頻光載波包絡(luò)偏移頻率,使得由DFG技術(shù)產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外光梳所需的相位鎖定大為簡(jiǎn)化[18],從而更受人們重視.最初,人們利用重復(fù)頻率鎖定的飛秒鎖模鈦寶石激光器,通過雙波長(zhǎng)[19]或?qū)拵20]運(yùn)轉(zhuǎn)來獲取同步的基頻雙色脈沖,進(jìn)而由光整流產(chǎn)生出DFG紅外光梳.基于鈦寶石激光器的DFG紅外光梳噪聲性能優(yōu)越,但系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴.隨著飛秒鎖模光纖激光器的發(fā)展,人們已可構(gòu)建基于飛秒鎖模光纖激光器的緊湊型DFG紅外光梳.例如,2008年,Gambetta等[21]基于商用飛秒鎖模摻鉺光纖激光器,利用GaSe晶體的DFG過程,產(chǎn)生了5—12μm內(nèi)可調(diào)諧的紅外光梳;2012年,Keilmann研究組[22]將DFG紅外光梳的可調(diào)范圍擴(kuò)展至4—17μm.在國(guó)內(nèi),天津大學(xué)和浙江大學(xué)科研人員在基于固體和光纖激光基頻光的DFG中遠(yuǎn)紅外脈沖激光方面也做了許多工作[23,24],也有多家科研機(jī)構(gòu)研制出了基于飛秒鎖模光纖激光器的近紅外光梳[25?27],但是,迄今還未見有關(guān)利用飛秒鎖模光纖激光器產(chǎn)生光整流所需同步雙色脈沖,進(jìn)而獲得可調(diào)諧的寬帶DFG紅外光梳的研究報(bào)道,而中遠(yuǎn)紅外光梳在高靈敏度光譜分析領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值,亟待研究解決.

本文針對(duì)中遠(yuǎn)紅外分子光譜精密分析、大氣環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求,采用自主研制的重頻鎖定飛秒鎖模摻鉺光纖激光器,經(jīng)啁啾脈沖光纖放大與超連續(xù)(SC)譜產(chǎn)生鏈路,獲取了DFG所需的重復(fù)頻率相同的基頻雙色脈沖;通過采用光纖鏈路補(bǔ)償和可調(diào)光延時(shí)線,實(shí)現(xiàn)了基頻雙色脈沖之間的精確同步,基于GaSe晶體的DFG技術(shù),獲得了可在6—10μm光譜內(nèi)任意調(diào)諧的遠(yuǎn)紅外DFG光梳,光梳最大光譜寬度達(dá)到1.3μm.

2 DFG光梳結(jié)構(gòu)

圖1 光纖型DFG紅外光梳結(jié)構(gòu)圖(PZT,壓電陶瓷;PD,光電探測(cè)器;ISO,光隔離器;WDM,波分復(fù)用器;LD,激光二極管;OC,光纖耦合器;EDF,摻鉺光纖;HNLF,高非線性光纖;CO,準(zhǔn)直器;H,半波片;Q,四分之一波片;DM,雙色鏡;LPF,長(zhǎng)通濾光片;BC,光學(xué)斬波器;M,反射鏡;FM,折疊鏡;MCT,碲鎘汞探測(cè)器;BC,制動(dòng)斬波器;Lock-in,鎖相放大器;FTIR,傅里葉紅外光譜儀)Fig.1.Schematic diagram of the fiber-type far-infrared optical frequency comb with DFG technique(PZT,piezoelectric transducer;PD,photo-detector;ISO, fiber-optic isolator;WDM,wavelength-division-multiplexer;LD,laser diode;OC,optical fiber coupler;EDF,Er-doped fiber;HNLF,high nonlinear fiber;CO,collimator;H,half-wave plate;Q,quarter-wave plate;DM,dichroic mirror;M,mirror;FM,fold mirror;BC,beam-chopper;MCT,mercury cadmium telluride;BC,brake chopper;Lock-in,lock-in ampli fiers;FTIR,Fourier transform infrared spectrometer).

圖1為我們?cè)O(shè)計(jì)的基于鎖模摻鉺光纖激光器產(chǎn)生基頻雙色脈沖的DFG紅外光梳結(jié)構(gòu)示意圖.飛秒脈沖振蕩器為自主研制的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)鎖模的色散管理孤子光纖激光器,其輸出脈沖中心波長(zhǎng)約1550nm,3dB譜寬70 nm,重復(fù)頻率200 MHz,經(jīng)光纖壓縮后脈寬約67 fs,平均功率為107 mW.該激光器用來產(chǎn)生DFG的基頻雙色脈沖.當(dāng)該雙色脈沖同步時(shí),光整流效應(yīng)可自動(dòng)消除差頻脈沖的載波包絡(luò)相移,因此,我們只將光纖激光器的重復(fù)頻率鎖定.為此,將激光器輸出脈沖經(jīng)隔離器(ISO)和功率耦合比95:5的光纖耦合器(OC-1)分為兩路,在5%端口處探測(cè)出重復(fù)頻率,將其4次諧波鎖定到商用銣鐘(SRS MODEL FS725),鎖定后實(shí)測(cè)的重復(fù)頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差約0.7 mHz[28].

OC-1的95%輸出端口的飛秒脈沖經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA-1)后,用于產(chǎn)生基頻雙色脈沖.EDFA-1增益光纖為46 cm長(zhǎng)的摻鉺光纖(EDF80,OFS),由500 mW,980 nm的LD反向抽運(yùn),將脈沖序列平均功率提升至160 mW,再經(jīng)70:30的OC-2分為兩路,分別由EDFA-2和EDFA-3來提升功率.為抑制光纖放大器中非線性積累,在ISO前接入了一段1.8 m的色散補(bǔ)償光纖(DCF38,Thorlasbs),該DCF光纖色散為0.046 ps2/m@1550 nm,以將脈寬展寬至1.7 ps.EDFA-1中摻鉺光纖也為正色散(β2=0.058 ps2/m@1550 nm),使得脈沖可在該光纖放大器中進(jìn)一步展寬脈寬,抑制光纖中的非線性.

OC-2的70%輸出端脈沖平均功率約106 mW,由EDFA-2放大后為340 mW,EDFA-2的摻鉺光纖(Er80-8/125,Liekki)長(zhǎng)70 cm,由1 W,980 nm的LD反向抽運(yùn),放大后的脈沖經(jīng)92 cm單模光纖(SMF-28)壓縮,脈寬降至約65 fs.以該65 fs脈沖抽運(yùn)30 cm長(zhǎng)保偏高非線性光纖(HNLF-PM,OFS),產(chǎn)生SC譜,用來提取DFG所需基頻信號(hào)脈沖.為提高SC的相干性,在該HNLF之前安插了四分之一波片和半波片以調(diào)控SC抽運(yùn)脈沖的偏振態(tài);為補(bǔ)償?shù)鬑NLF可能引起的退偏,在其后端再安插了另一組四分之一波片和半波片,以調(diào)節(jié)DFG基頻信號(hào)脈沖的偏振態(tài)[28].

OC-2的30%輸出端平均功率約46 mW,由EDFA-3放大后為150 mW,EDFA-3使用的器件與EDFA-2相同,僅增益光纖長(zhǎng)度改為45 cm,反向抽運(yùn)所用980 nm LD的功率為500 mW,經(jīng)單模光纖壓縮后的脈寬約73 fs.該脈沖序列由安插在延遲線和雙色鏡之間的四分之一波片和半波片調(diào)節(jié)偏振態(tài),用作DFG的基頻抽運(yùn)脈沖.

產(chǎn)生的基頻信號(hào)和抽運(yùn)脈沖經(jīng)雙色鏡合束,該雙色鏡的直通截止波長(zhǎng)為1800 nm,再由焦距40 mm的消色差透鏡聚焦后,入射至GaSe非線性晶體.該晶體沿(001)平面(z向)切割,尺寸為Φ7×1 mm3,膠合在鋁環(huán)內(nèi),鋁環(huán)整體安裝在多維調(diào)整裝置上,以便于對(duì)晶體相位匹配角和方位角的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)相位匹配.為實(shí)現(xiàn)基頻抽運(yùn)和信號(hào)脈沖之間的同步,在EDFA-3前接入了一段色散位移光纖(OFS-980-20,簡(jiǎn)稱OFS光纖),以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙色脈沖相對(duì)時(shí)間延遲的粗調(diào),在EDFA-3之前接入OFS是基于該光纖在1550 nm附近具有近零色散(β2=?0.0013 ps2/m@1550 nm),且EDFA-3輸入端處功率低因而引入的光纖非線性弱的考慮.在此基礎(chǔ)上,再由可調(diào)光延時(shí)線精細(xì)調(diào)控雙色脈沖之間的同步.

經(jīng)非線性晶體DFG后的輸出由長(zhǎng)通濾光片(Edmund Optics)濾除剩余基頻光,再由Ge透鏡準(zhǔn)直耦合至傅里葉紅外光譜儀(FTIR,Nicolet iS50)檢測(cè).為便于DFG的相位匹配狀態(tài)調(diào)節(jié)與優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)中還采用了液氮冷卻的碲鎘汞(MCT)探測(cè)器(Infrared Assoicates Inc.)結(jié)合鎖相放大器(Stanford SR830)來捕捉初始微弱DFG光,以降低DFG相位匹配調(diào)節(jié)的難度.兩種探測(cè)機(jī)構(gòu)由折疊鏡切換.

3 結(jié)果與討論

在圖1所示的DFG系統(tǒng)中,基頻脈沖重復(fù)頻率已鎖定,但是,只有當(dāng)參與DFG過程的基頻雙色脈沖同步時(shí),經(jīng)光整流才可使差頻光自動(dòng)消除基頻脈沖的載波包絡(luò)偏移頻率的影響,獲得DFG中遠(yuǎn)紅外光梳.因此,必須嚴(yán)格確保雙色基頻脈沖之間的同步,并且為實(shí)現(xiàn)高效DFG過程,還必須確保抽運(yùn)和信號(hào)脈沖在非線性晶體處橫向光斑小、重疊度高.

實(shí)驗(yàn)中,首先對(duì)基頻雙色脈沖之間的同步特性進(jìn)行測(cè)試與調(diào)整,通過在EDFA-3之前加入適當(dāng)長(zhǎng)度的OFS光纖,實(shí)現(xiàn)OC-2與雙色鏡之間抽運(yùn)和信號(hào)脈沖光程近似相等,這可通過PD并結(jié)合寬帶示波器探測(cè)進(jìn)行判斷.以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步借助于強(qiáng)度自相關(guān)裝置精確測(cè)量,并采用可調(diào)光延時(shí)器精細(xì)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)雙色脈沖之間的同步.由于雙色鏡直通截止波長(zhǎng)為1800 nm,故經(jīng)該雙色鏡后的抽運(yùn)和信號(hào)脈沖的光譜并不重疊.為此,實(shí)驗(yàn)中先暫以寬帶半透半反鏡替代雙色鏡,再以強(qiáng)度自相關(guān)裝置(光譜響應(yīng)上限為1800 nm)進(jìn)行測(cè)試與光路調(diào)整.通過測(cè)量分析基頻抽運(yùn)脈沖與SC(基頻信號(hào)脈沖)之間的強(qiáng)度自相關(guān)特性,調(diào)整與優(yōu)化OFS光纖長(zhǎng)度.該測(cè)試調(diào)整方案可由圖2解釋[29],事實(shí)上,強(qiáng)度自相關(guān)裝置的主要部件是邁克耳孫干涉儀,假設(shè)雙色脈沖對(duì)經(jīng)參考臂和掃描臂產(chǎn)生的時(shí)延為τ,而雙色脈沖對(duì)之間的時(shí)間間隔為τ0,當(dāng)τ?τ0時(shí),探測(cè)到的強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)低,即所謂背景;當(dāng)|τ|=τ0時(shí),來自不同臂之間的具有時(shí)延的雙色脈沖對(duì)交叉重疊,將探測(cè)到強(qiáng)度自相關(guān)“副峰”;只有當(dāng)τ=0時(shí),來自不同臂之間的具有時(shí)延的雙色脈沖才能完全重合,這時(shí)將只探測(cè)到自相關(guān)“主峰”信號(hào).

圖2 由強(qiáng)度自相關(guān)裝置測(cè)試雙色脈沖同步性的原理示意圖(BS,分束鏡;PMT,光電倍增管;DAQ,數(shù)據(jù)采集裝置)Fig.2.Schematic diagram for describing the measuring principle to evaluate the synchronization of the two-color fundamental pulses with an autocorrelator(BS,beam splitter;PMT,photomultiplier tubes;DAQ,data acquisition module).

圖3 實(shí)測(cè)的基頻雙色脈沖強(qiáng)度自相關(guān)曲線 (a)和(b)分別為可調(diào)光延遲線調(diào)節(jié)1 cm前后的結(jié)果Fig.3.Measured intensity autocorrelation curves for the fundamental two-color pulses:(a)and(b)correspond to the results measured before and after the tunable delay line has been adjusted by 1 cm.

根據(jù)上述方法,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)OFS光纖長(zhǎng)度為35 cm時(shí),由強(qiáng)度自相關(guān)裝置測(cè)得的如圖3(a)自相關(guān)曲線出現(xiàn)了對(duì)稱的三個(gè)強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)峰,主峰和副峰之間相差80 ps,表明雙色脈沖不同步,且時(shí)間間隔為80 ps,圖中基線背景不平坦主要由測(cè)量光路的微小偏差造成,對(duì)測(cè)量結(jié)果無影響.然后,通過將可調(diào)光延遲線縮短1 cm(對(duì)應(yīng)于減小67 ps的時(shí)間延時(shí)),測(cè)得如圖3(b)自相關(guān)曲線,這時(shí),基頻抽運(yùn)脈沖落后于信號(hào)脈沖約12 ps(理論值應(yīng)為13 ps,該誤差可能是延遲線調(diào)整精度所致).利用SC譜產(chǎn)生理論,可以評(píng)估自相關(guān)測(cè)量所用1550 nm波段與實(shí)際DFG所用1900 nm波段脈沖的傳輸光纖鏈路長(zhǎng)度[30],結(jié)合光纖色散參量,最終可計(jì)算出兩者存在約1.5 ps的延遲[31],因此,在本實(shí)驗(yàn)中,通過精細(xì)調(diào)節(jié)可調(diào)光延時(shí)線,最終將抽運(yùn)脈沖調(diào)節(jié)到比信號(hào)脈沖超前約1.5 ps.

在基頻抽運(yùn)與信號(hào)脈沖之間的同步性調(diào)整完畢后,安裝消色差聚焦透鏡,并在其束腰處測(cè)量抽運(yùn)和信號(hào)脈沖的橫向重疊度,進(jìn)而微調(diào)光路.實(shí)驗(yàn)中,將光束質(zhì)量分析儀(Beam Master BM-7)固定在光束束腰處,經(jīng)反復(fù)微調(diào)聚焦光路,最后在透鏡束腰處分別測(cè)得的抽運(yùn)和信號(hào)脈沖光斑與位置,結(jié)果如圖4所示,其中圖4(a)為實(shí)測(cè)的抽運(yùn)光束(上)和信號(hào)光束(下)光斑,圖4(b)則為雙色脈沖在圖4(a)中W和V正交方向上的高斯曲線擬合情況.由圖4可見,抽運(yùn)和信號(hào)脈沖光斑之間的重疊度高,1/e2處的光斑直徑分別為65μm和63μm.

圖4 (a)實(shí)測(cè)的基頻抽運(yùn)(上)和信號(hào)(下)脈沖在消色差聚焦透鏡束腰處的光斑;(b)基頻雙色脈沖在(a)圖W和V方向上的高斯擬合結(jié)果Fig.4.(a)Measured beam spots for the fundamental pump(up)and signal(down)pulses at the position of the beam waist of the achromatic aberration lens;(b)the Gaussian fitting results in the directions of W and V shown in figure(a)for the fundamental two-color pulses,respectively.

經(jīng)上述光路調(diào)整后,再將半透半反鏡替換回實(shí)際所用的雙色鏡,在光束質(zhì)量分析儀對(duì)抽運(yùn)脈沖測(cè)量結(jié)果不變的情況下,調(diào)整并固定該雙色鏡.必須指出,以寬帶半透半反鏡替代了雙色鏡進(jìn)行上述時(shí)域同步與橫向重疊實(shí)驗(yàn),盡管未對(duì)實(shí)際參與DFG過程的1900 nm附近信號(hào)脈沖進(jìn)行測(cè)量,但考慮到所用聚焦透鏡為消色差透鏡,且雙色鏡引入的色散量極為有限,因而可認(rèn)為,上述光路調(diào)整方法能保證抽運(yùn)脈沖與1900 nm附近信號(hào)脈沖在透鏡束腰處的時(shí)域同步與橫向重疊.圖5為經(jīng)雙色鏡合束、消色差透鏡聚焦后由光譜分析儀(AQ6375,Yokogawa)測(cè)得的抽運(yùn)和信號(hào)雙色脈沖光譜.由圖5可見,抽運(yùn)脈沖光譜覆蓋范圍為1.5—1.6μm,而由HNLF產(chǎn)生的SC經(jīng)雙色鏡后濾出的長(zhǎng)波長(zhǎng)成分處于1.9—2.1μm波段,該信號(hào)脈沖與抽運(yùn)脈沖經(jīng)DFG過程,理論上能夠產(chǎn)生6—10μm波段的DFG脈沖.

在此基礎(chǔ)上,將GaSe晶體安裝在聚焦透鏡的束腰位置處,調(diào)整入射光方位角和相位匹配角,并輔以可調(diào)光延時(shí)線的精細(xì)調(diào)節(jié),當(dāng)方位角和相位匹配角分別為30?和36?時(shí),由FTIR測(cè)得了如圖6所示的紅外DFG光譜,可見帶寬約500 nm,中心波長(zhǎng)為7.8μm.由于該差頻光的基頻雙色脈沖來自于重復(fù)頻率已鎖定的同一飛秒脈沖振蕩器,且基頻雙色脈沖嚴(yán)格同步,因此,該中遠(yuǎn)紅外差頻光中的載波包絡(luò)相移已由光整流效應(yīng)自動(dòng)消除[32],即已產(chǎn)生了DFG中遠(yuǎn)紅外光梳.利用熱釋電探測(cè)器(SPI-D-50)測(cè)得該紅外光梳的平均功率約80μW,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率約0.8%.該轉(zhuǎn)換效率與理論轉(zhuǎn)化效率1.5%之間存在一定偏差,主要原因是產(chǎn)生同步雙色脈沖的光纖鏈路因環(huán)境波動(dòng)造成的偏振態(tài)穩(wěn)定度不足,導(dǎo)致經(jīng)波片組后依然難以獲取穩(wěn)定的高度線偏振態(tài)(實(shí)測(cè)線偏振度約70%).未來擬采用保偏光纖鏈路產(chǎn)生同步雙色脈沖,可望大幅提高轉(zhuǎn)換效率;此外,盡管已對(duì)基頻雙色脈沖之間同步性進(jìn)行了嚴(yán)格控制,但任何fs級(jí)同步偏差都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的滾降,因此,對(duì)于未來實(shí)用化光源研制,必須同時(shí)提高基頻雙色脈沖線偏振度和基頻脈沖間的同步性.

圖5 實(shí)測(cè)的基頻抽運(yùn)和信號(hào)脈沖的光譜Fig.5.Measured spectra of pump and signal pulses.

圖6 由FTIR實(shí)測(cè)的DFG紅外光梳光譜Fig.6.Measured spectrum of the DFG infrared optical comb with an FTIR.

圖7(a)為其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)不同相位匹配角下由FTIR測(cè)得的光梳光譜,可見,當(dāng)相位匹配角由36?減小到35.7?和35.4?時(shí),紅外光梳的中心波長(zhǎng)由7.8μm變化到7.87μm和8.25μm,而相應(yīng)的帶寬則由500 nm逐漸增大至750 nm和1.3μm(該帶寬已接近于晶體的理論接受帶寬),平均功率則由80μW逐漸下降為40μW和25μW.其原因是:不同相位匹配角下,參與DFG過程的基頻脈沖有效光譜成分及其對(duì)應(yīng)的相位匹配接受帶寬有所不同所致.

圖7 (a)實(shí)驗(yàn)條件與圖6相同但相位匹配角改變時(shí)實(shí)測(cè)的DFG紅外光梳光譜;(b)當(dāng)基頻信號(hào)脈沖光譜變化時(shí)測(cè)得的DFG紅外光梳光譜Fig.7.(a)Measured spectra of the DFG infrared optical comb when the phase-matching angle changes while other experimental conditions are the same as those for Fig.6;(b)measured spectra of the DFG comb for different signal pulse spectra.

為此,實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)HNLF前的半波片來改變SC的光譜形狀及其峰位[30],以獲取不同中心波長(zhǎng)的基頻信號(hào)脈沖,再輔以相位匹配角調(diào)節(jié)和可調(diào)光延時(shí)線精細(xì)調(diào)控,發(fā)現(xiàn)DFG光梳的光譜調(diào)諧范圍可大幅增大.圖7(b)為實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可見,通過上述調(diào)諧方案,DFG紅外光梳可在6—10μm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了寬帶調(diào)諧,表明通過調(diào)控SC的光譜形狀及其峰位,輔以相位匹配角調(diào)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DFG光梳光譜位置的調(diào)諧.此外,當(dāng)將SC光譜中1.9μm處譜峰的功率調(diào)節(jié)到相對(duì)較高時(shí),產(chǎn)生的中心波長(zhǎng)8.3μm的差頻光功率最大,約100μW,帶寬約0.5μm,可見,獲得高功率差頻光的關(guān)鍵是獲取高功率同步雙色基頻脈沖.值得指出的是,當(dāng)DFG光梳中心波長(zhǎng)調(diào)向短波長(zhǎng)時(shí),在圖7(b)所示的實(shí)測(cè)光譜中,可清晰地呈現(xiàn)出因水汽分子吸收導(dǎo)致的毛刺,這間接地表明這種DFG光梳在遠(yuǎn)紅外分子光譜分析上的重要性;同時(shí),因遠(yuǎn)紅外波段分子吸收強(qiáng)度高,導(dǎo)致在這類激光光譜分析應(yīng)用時(shí)所需激光功率可大幅降低,進(jìn)而使得利用DFG技術(shù)產(chǎn)生紅外光梳功率不高的缺陷并不影響這類應(yīng)用[20].

4 結(jié) 論

基于自主研制的重頻鎖定飛秒鎖模摻鉺光纖激光振蕩器,采用啁啾脈沖光纖放大技術(shù)和全光纖SC譜產(chǎn)生技術(shù),分別提取出中心波長(zhǎng)處于1.5和2.0μm附近的基頻雙色脈沖;通過采用OFS光纖和可調(diào)光延時(shí)線補(bǔ)償技術(shù),并設(shè)計(jì)出強(qiáng)度自相關(guān)時(shí)域同步檢測(cè)方案,成功獲取了精確同步的基頻雙色脈沖;通過合理設(shè)計(jì)光路,由GaSe非線性晶體,采用光整流技術(shù)成功產(chǎn)生出中遠(yuǎn)紅外DFG光梳.實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,通過調(diào)控產(chǎn)生的SC光譜形狀及其峰位,輔以相位匹配角調(diào)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)DFG光梳光譜范圍的調(diào)諧,實(shí)測(cè)中遠(yuǎn)紅外DFG光梳的調(diào)諧范圍為6—10μm,光梳最大光譜寬度達(dá)到1.3μm.這種光纖型DFG光梳可望進(jìn)一步發(fā)展成小型化分析檢測(cè)儀器,在中遠(yuǎn)紅外分子光譜精密分析、大氣環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用.

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