利用模式濾波器產(chǎn)生4.77GHz重復(fù)頻率飛秒脈沖激光的實驗研究

陳茂強(qiáng)，邰朝陽，閆露露，張顏艷， 郭文閣，張首剛,4，姜海峰,4

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利用模式濾波器產(chǎn)生4.77GHz重復(fù)頻率飛秒脈沖激光的實驗研究

陳茂強(qiáng)1,2,3，邰朝陽1,2,3，閆露露1,2,3，張顏艷1,2,3， 郭文閣1,2，張首剛1,2,4，姜海峰1,2,4

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101408）

在自制摻鉺光纖飛秒鎖模激光器的基礎(chǔ)上，通過將自由光譜寬度為4.77 GHz的法布里-珀羅腔(F-P腔)模式濾波器的諧振頻率點鎖定到飛秒激光的一組模式上，實驗實現(xiàn)了4.77 GHz高重頻飛秒脈沖激光的產(chǎn)生。該實驗采用Tilt-Lock方法實現(xiàn)了F-P腔鎖定，并獲得0.246 mW的模式濾波輸出，重復(fù)頻率與原有飛秒脈沖激光相比提升23倍。

重復(fù)頻率；法布里-珀羅腔；模式濾波；摻鉺光纖激光器

0 引言

高重復(fù)頻率（>10 GHz）的光學(xué)頻率梳應(yīng)用于天文光譜學(xué)，可將天文光譜儀視向速度的測量精度提高兩個量級[7-9]。然而，目前光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率一般在100 MHz至1GHz之間，高分辨率的天文光譜儀所能分辨的頻率間隔為10～30 GHz[10]249。因此，將光學(xué)頻率梳應(yīng)用于天文光譜學(xué)的首要問題是要提高光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率。近年來，利用現(xiàn)有的鈦寶石激光器、光纖激光器等，通過F-P腔模式濾波方法，科學(xué)家已經(jīng)成功研制出重復(fù)頻率大于10 GHz的光學(xué)頻率梳，稱之為天文光梳[10]250。2008年Chih-Hao Li利用一臺重復(fù)頻率為1 GHz的鈦寶石激光器，研制了具有40 GHz梳齒間隔的光學(xué)頻率梳[11]；2015年中國科學(xué)院物理所魏志義研究員課題組基于250 MHz摻鐿光纖激光器研制了重復(fù)頻率23.75 GHz的光學(xué)頻率梳[12]202。

為實現(xiàn)天文光梳的研制，中國科學(xué)院國家授時中心飛秒光梳及應(yīng)用小組進(jìn)行了高重復(fù)頻率飛秒脈沖激光產(chǎn)生的實驗研究。實驗利用自制的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（NPR）的摻鉺光纖飛秒鎖模激光器作為激光源[13]，為模式濾波系統(tǒng)提供20 mW的輸入光，通過F-P腔模式濾波方法成功地將飛秒脈沖激光的重復(fù)頻率提升至4.77 GHz。自制摻鉺光纖鎖模激光器重復(fù)頻率207 MHz，脈寬52 fs，中心波長1 565 nm，鎖模狀態(tài)穩(wěn)定（連續(xù)鎖模時間超過3個月）。F-P腔鎖定采用了Tilt-Lock方法[14]1499。與通用的pound-drever-hall（PDH）方法相比，Tilt-Lock方法有同樣的反應(yīng)速度和相近的敏感度[14]1499，優(yōu)點是在光路中不需要加入調(diào)制器件，也不會由調(diào)制而引入額外的噪聲[15]255[16]，同時電路鎖定部分結(jié)構(gòu)更緊湊、簡單[15]1501。最終得到了重復(fù)頻率4.77 GHz，光功率0.246 mW的飛秒激光輸出。

1 實驗原理

1.1 F-P腔模式濾波原理

F-P腔模式濾波原理如圖1[15]254所示。

圖1 F-P腔模式濾波器的原理示意圖

利用穩(wěn)頻電路將F-P腔閉環(huán)鎖定后，透射脈沖幅度和相位分別表示為[18]98：

式（1）和（2）中，為腔鏡透射率，為腔鏡反射率，為空氣折射率，為腔長，為入射F-P腔角度，為入射波長。

經(jīng)模式濾波后理論邊模抑制比表示為[12]203

1.2 Tilt-Lock原理

實驗采用Tilt-Lock穩(wěn)頻[19]。該方法通過將腔反射光入射到四象限探測器中心，左側(cè)兩象限與右側(cè)兩象限（或上側(cè)兩象限與下側(cè)兩象限）干涉產(chǎn)生誤差信號。在此過程中，非共振的高階模式（如TEM01和TEM10）作為TEM00載波的相位參考。Tilt-Lock原理示意于圖2[14]1499。

圖2 Tilt-Lock原理示意圖

如圖2（a）為模式濾波系統(tǒng)的控制環(huán)路。腔反射光準(zhǔn)直入射到四象限探測器中心，通過調(diào)節(jié)F-P腔在PDQ30C中產(chǎn)生誤差信號。探測到的誤差信號接入比例積分（PI）控制器，在控制器的作用下，壓電陶瓷的位移隨誤差信號的變化而變化，從而使得誤差信號迅速減小直至為0，實現(xiàn)系統(tǒng)鎖定。圖2（b）為Tilt-Lock誤差信號示意圖。圖2（c）和圖2（d）為Tilt-Lock產(chǎn)生誤差信號原理。實驗中相位參考為TEM10，誤差信號通過探測器左右兩側(cè)做減法運(yùn)算得到并表示為

2 實驗裝置

基于摻鉺光纖飛秒鎖模激光器的模式濾波系統(tǒng)示意于圖3。

注：λ/2：2/1波片；λ/4：4/1波片；WDM：波分復(fù)用器；PBS：偏振分束晶體；CO：準(zhǔn)直器；EOM：電光調(diào)制器；PZT：壓電陶瓷；HR：高反鏡；RF：頻譜儀；QD：四象限探測器；PD：光電探測器；UPD：超快光電探測器；Scope：示波器

如圖3所示，實驗系統(tǒng)包括3部分：自制摻鉺光纖飛秒鎖模激光器、模式濾波光路和Tilt-Lock穩(wěn)頻電路。光纖激光器采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，由大約11 cm自由空間和77.5 cm光纖構(gòu)成。諧振腔光纖光路部分由36 cm索雷博（Thorlabs）公司的Er-110-4/25增益光纖，36 cm單模光纖，5.5 cm HI1060 Flex光纖和一個內(nèi)有隔離器（Isolator）的波分復(fù)用器組成。自由空間光路部分包括兩個定制準(zhǔn)直器、5個零級波片、一個偏振分束晶體（PBS）和一個定制的電光調(diào)制器（EOM）。光纖激光器的抽運(yùn)源采用的是奧蘭若（Oclaro）公司的兩個光纖光柵反饋的二極管激光器。最大功率1.06 W，功率可調(diào)，中心波長976 nm。

實驗中先在1.06W泵浦抽運(yùn)功率下，通過旋轉(zhuǎn)各零級波片使光纖激光器進(jìn)入鎖模狀態(tài)。然后調(diào)低泵浦功率至0.881 W，此時光纖激光器可以保持穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)。同時將光纖激光器密閉放置在內(nèi)層為有機(jī)玻璃箱，外層為鋁合金金屬箱的箱體內(nèi)，有效地降低了噪聲和機(jī)械振動對光纖激光器影響。通過以上措施，自制摻鉺光纖飛秒鎖模激光器可以長期穩(wěn)定地保持鎖模狀態(tài)。光纖激光器的輸出光經(jīng)準(zhǔn)直器CO3和分束器后功率一分為三，我們選取了一路輸出光（20 mW）用作后續(xù)模式濾波實驗的輸入光源。

模式濾波光路由模式匹配透鏡（Lens1和Lens2），F(xiàn)-P腔，反射光路（HR2，HR3和pick-off mirror）組成。其中，模式匹配透鏡焦距分別為150 mm和25.4 mm；定制的F-P腔鏡反射率為97.6%，精細(xì)度131，腔長約31.4 mm，對應(yīng)的自由光譜區(qū)4.77 GHz。Tilt-Lock穩(wěn)頻電路由四象限探測器，自制PI控制器和環(huán)形壓電陶瓷組成。壓電陶瓷采用的是Noliac公司的NAC2124，最大位移3μm（200 V電壓）；四象限探測器采用Thorlabs公司的PDQ30C。

光纖激光器輸出光經(jīng)過準(zhǔn)直器CO4后為平行光，為將輸入光匹配進(jìn)F-P腔，我們使用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行模式匹配。入射光經(jīng)過準(zhǔn)直和模式匹配，水平入射進(jìn)F-P腔。F-P腔由半英寸平鏡和一英寸凹鏡組成。平鏡與PZT被固定在可調(diào)透鏡套筒上，并可通過轉(zhuǎn)動可調(diào)透鏡套筒實現(xiàn)對腔長的精密匹配。同時，在PZT上加載幅度200 V，頻率30 Hz的三角波掃描電壓。當(dāng)PZT線性掃描F-P腔時，示波器上會出現(xiàn)多個共振峰。此時降低掃描幅度，通過調(diào)節(jié)透鏡套筒精密匹配腔長，得到最高共振峰。

為探測誤差信號，在TEM00共振前提下，取用約8%腔反射光經(jīng)反射光路準(zhǔn)直入射到PDQ30C中心，象限探測器左右兩側(cè)做減法運(yùn)算誤差信號值為0；適當(dāng)調(diào)節(jié)F-P腔偏離最佳共振位置，TEM00載波產(chǎn)生相位偏移，象限探測器給出一個與TEM00載波相位偏移成比例的誤差信號。實驗中獲得了峰峰值為30 mV的誤差信號。為提高誤差信號穩(wěn)定性，在現(xiàn)有實驗條件下，盡量壓縮反射光路長度。

將得到的誤差信號分為兩路，一路接到示波器上用于監(jiān)視，一路接到實驗室自制PI控制器。然后關(guān)閉掃描電壓，并通過調(diào)節(jié)比例參數(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)鎖定。最后將經(jīng)過模式濾波后的空間透射光耦合進(jìn)空間準(zhǔn)直器CO5中，實現(xiàn)了高重頻飛秒激光輸出。

3 實驗結(jié)果及分析

摻鉺光纖飛秒鎖模激光器搭建完畢后，我們利用儀器測量了光纖激光器的性能。如圖4（a）所示，使用光電探測器（EOT-3000A）和高帶寬射頻譜儀（Anritsu MS2692A）探測到光纖激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下重復(fù)頻率約為207 MHz；圖4（b）為使用高速光電探測器（UPD-15-IR2-FC）及高速示波器（Tektronix DPO71604C）探測到的光纖激光器輸出光時域信號。使用自相關(guān)儀（Femtochrome Research-103WS）探測到光纖激光器輸出光脈寬為52 fs（按雙曲正割型脈沖形狀計算）。利用光譜分析儀（YOKOGAWAAQ 6370C）探測到光纖激光器鎖模光譜，波長覆蓋范圍1425～1700 nm，中心波長1565 nm。鎖模狀態(tài)穩(wěn)定、自啟鎖等優(yōu)點滿足了F-P腔模式濾波系統(tǒng)對輸入光源穩(wěn)定性和可靠性的要求。

圖4 自制飛秒激光器頻譜圖和自制飛秒激光器時域圖

如圖5（a）所示，經(jīng)過模式濾波作用后的光纖激光入射到高速光電探測器中，通過頻譜分析儀探測到透射光重復(fù)頻率為4.77 GHz，這說明經(jīng)過模式濾波后飛秒激光的重復(fù)頻率提升23倍（=23）。相比于4.77 GHz頻率主峰，邊模抑制比在10 dB左右。圖5（b）實線所示為使用超快高速光電探測器及高速示波器探測到的經(jīng)模式濾波作用后透射光的時域信號。相比于圖4（b），同樣的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生了23個脈沖，這說明經(jīng)模式濾波作用后在時域上相鄰脈沖的時間間隔變?yōu)橹暗?/23，對應(yīng)到頻域上重復(fù)頻率提升23倍。F-P腔鎖定后，透射功率約為0.35 mW；經(jīng)光纖準(zhǔn)直器耦合到光纖的功率為0.246 mW。

如圖5（b）所示，由F-P腔透射出的脈沖序列有較大幅度變化。大致變化表現(xiàn)為：先透射出的脈沖幅度大，后透射出的脈沖幅度小。原因是腔鏡反射率為97.6%，當(dāng)飛秒脈沖在F-P腔內(nèi)振蕩時，每經(jīng)過一次平鏡或凹鏡理論上會有2.4%的脈沖幅度損失。當(dāng)?shù)?個脈沖從腔內(nèi)透射出，由于在腔內(nèi)震蕩的次數(shù)最少，因此對應(yīng)最大的脈沖幅度；后續(xù)透射出的脈沖由于在F-P腔中經(jīng)過更多次振蕩（更多幅度損失），對應(yīng)越來越小的脈沖幅度。如圖5（b）虛線所示，理論上當(dāng)?shù)?3個飛秒脈沖從F-P腔內(nèi)透射出，脈沖幅度變?yōu)榈?個透射出脈沖幅度的34.3%（0.97644）。由圖5（b）可知，第2個至第23個脈沖的實際透射幅度離理論透射幅度均有一定差距。

圖5 模式濾波后頻譜圖和模式濾波后時域圖

由式（1）和式（2）中入射光波長（）確定，影響實際透射幅度的變量有入射角度（）、高反腔鏡反射率（）和腔長（）。因此，造成實際透射幅度低于理論幅度的原因主要有這兩方面：首先，F(xiàn)-P腔耦合還存在問題，影響因素是入射光準(zhǔn)直度不好，影響了入射角度（）、腔長（）；在探測誤差信號時，F(xiàn)-P腔調(diào)節(jié)幅度過大影響了F-P腔的平行度和腔長（）；其次，F(xiàn)-P腔鏡損耗較大。式（1）是假設(shè)+=1給出的，而腔鏡反射率是在未考慮腔鏡損耗的前提下由透射率推出。

理想狀態(tài)下，飛秒脈沖激光重復(fù)頻提升23倍的同時，模式濾波系統(tǒng)輸出光功率應(yīng)變?yōu)檩斎牍夤β实?/23。因此，光功率20 mW的飛秒脈沖激光入射，理論上對應(yīng)著0.87 mW光功率輸出。最終，實驗得到0.246 mW光功率輸出。造成實際值低于理論值的原因主要有如下3方面。

首先是系統(tǒng)采用Tilt-Lock，高質(zhì)量的誤差信號（誤差信號有更高斜率）使控制環(huán)路有更高的信噪比，但同時也對應(yīng)著有更多的能量被耦合進(jìn)高階模式中。為使系統(tǒng)性能不受限于控制環(huán)路信噪比，并使誤差信號有更高的敏感性，實驗中盡量調(diào)高了誤差信號的斜率，但是同時更多的功率耦合到了其他模式，導(dǎo)致輸出光功率變小。其次，由于入射角度、腔平行度等問題引起的F-P腔耦合問題影響了腔內(nèi)共振，降低了輸出功率[18]101。最后，模式濾波系統(tǒng)透射光通過空間準(zhǔn)直器耦合到光纖中時，耦合效率還有待提高。而針對透射輸出光功率不高的問題，可以在后續(xù)光路中加入光纖放大光路，在提高光功率的同時不會影響探測精度。

由式（3）可知，系統(tǒng)理論邊模抑制比為27 dB[12]203。造成實際值低于理論值的原因有如下3方面可能：

① 高階F-P腔諧振模式不可忽略。為提升探測誤差信號幅度，使可觀的能量耦合到高階模式，降低了光學(xué)諧振腔基模的耦合效率；同時，探測的透射激光包含顯著的高階模式，其相位與基帶模式不同，會產(chǎn)生一定的干涉，從而導(dǎo)致透射光不是單調(diào)指數(shù)下降，這與觀察到的實驗現(xiàn)象相符。②F-P腔可能沒有匹配到最佳，光束輪廓的調(diào)節(jié)與理想的光學(xué)腔耦合有一定差距。③F-P腔透射激光到光纖的耦合損耗。如前所述透射激光約有30%耦合損耗，一定程度上可能會導(dǎo)致激光邊模抑制比降低。

4 結(jié)語

本實驗在自制重復(fù)頻率207MHz摻鉺光纖飛秒鎖模激光器的基礎(chǔ)上，利用Tilt-Lock穩(wěn)頻技術(shù)實現(xiàn)了F-P腔模式濾波。實驗得到了0.246 mW模式濾波信號，重復(fù)頻率與輸入激光相比提升23倍。針對模式濾波系統(tǒng)性能低于理論值的問題，下一步我們會展開相關(guān)的優(yōu)化工作。

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Experiment on the generation of 4.77 GHz repetition-rate femtosecond pulses with a mode filter

CHEN Mao-qiang1,2,3, TAI Zhao-yang1,2,3, YAN Lu-lu1,2,3, ZHANG Yan-yan1,2,3, GUO Wen-ge1,2, ZHANG Shou-gang1,2,4, JIANG Hai-feng1,2,4

(1.National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Science, Beijing 101408, China)

A high repetition-rate femtosecond pulse laser source, based on a Fabry-Perot (F-P) mode- filtered cavity with a free spectral range (FSR) of 4.77 GHz and a home-made femtosecond erbium-doped fiber mode-locked laser, is designed by applying the Tilt-Lock technique. The F-P cavity is locked so that only the laser modes with a frequency being multiples of the cavity FSR can be transmitted. Through such implementation, a 4.77 GHz repetition-rate femtosecond laser pulses is realized with a transmission power of 0.246 mW. Compared with the input pulse source, the repetition rate is 23 times higher than that of the original femtosecond laser.

repetition-rate; Fabry-Perot cavity; mode-filtered; erbium-doped fiber laser

TN24

A

1674-0637(2018)02-0080-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2018-02-0080-08

2017-11-09；

2017-12-28

國家自然科學(xué)基金資助項目（91536217）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃資助項目（2013ZD02）

陳茂強(qiáng)，男，碩士，主要從事?lián)姐s光纖飛秒頻率梳及其應(yīng)用的研究。