摻Er 光纖飛秒激光器中電光晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響*

曹士英 林百科 袁小迪 丁永今 孟飛 方占軍

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 時(shí)間頻率計(jì)量科學(xué)研究所, 北京 100029)

由于受增益介質(zhì)上能級(jí)壽命的影響, 摻Er 光纖光梳的梳齒線寬一般在百kHz 量級(jí).為了實(shí)現(xiàn)光梳梳齒線寬的壓窄, 一種有效的方法是在激光器中增加快速響應(yīng)的電光晶體, 使光纖光梳的伺服鎖定帶寬提高到百kHz 以上, 為光纖光梳的快速伺服鎖定提供反饋機(jī)構(gòu).這其中, 高品質(zhì)的飛秒激光器是核心.基于此, 本文主要研究了摻Er 光纖飛秒激光器中電光晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響.通過(guò)計(jì)算電光晶體的折射率、色散、相位延遲等參數(shù), 分析了電光晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響, 并在實(shí)驗(yàn)上獲得了電光晶體電壓對(duì)激光器重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的影響, 進(jìn)而通過(guò)電光晶體實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖光梳重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的鎖定.通過(guò)鎖定光纖飛秒激光器與窄線寬激光器的拍頻信號(hào), 驗(yàn)證了電光晶體的引入使激光器的伺服鎖定帶寬提高到了236 kHz, 為窄線寬飛秒光學(xué)頻率梳的建立提供了技術(shù)基礎(chǔ).

1 引 言

近年來(lái), 得益于超快激光和光纖制造技術(shù)的發(fā)展, 光纖光學(xué)頻率梳(簡(jiǎn)稱“光纖光梳”)已成為新一代頻率梳的發(fā)展方向[1].以摻Er 光纖光梳為代表的頻率梳技術(shù)的飛速發(fā)展, 使光梳技術(shù)逐步突破激光頻率測(cè)量領(lǐng)域[2], 在時(shí)間頻率傳遞[3]、超穩(wěn)微波源[4]、絕對(duì)距離測(cè)量[5]、高精密光譜學(xué)[6]和天文觀測(cè)[7]等領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用.光纖光梳具有成本低、穩(wěn)定性高、易于集成和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn), 在需要高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)合具有巨大潛力.野外用光纖光梳[8]、太空用光纖光梳[9]都已有報(bào)道.

但從實(shí)際應(yīng)用角度考慮, 光學(xué)頻率梳目前還面臨著一些挑戰(zhàn).1) 國(guó)際單位制量子化變革帶來(lái)計(jì)量方法和量值傳遞技術(shù)的扁平化、嵌入式, 使得對(duì)光學(xué)頻率梳的微型化需求迫切, 從而催生和帶動(dòng)了芯片光梳技術(shù)的發(fā)展.但芯片光梳在技術(shù)指標(biāo)上與傳統(tǒng)飛秒光學(xué)頻率梳還存在一定差距.2) 光學(xué)頻率梳應(yīng)用于激光頻率測(cè)量時(shí), 光學(xué)頻率梳輸出激光與待測(cè)激光高信噪比的拍頻信號(hào)獲取一直是個(gè)瓶頸.這需要從物理機(jī)制和光纖設(shè)計(jì)上抑制激光頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的額外噪聲, 使光學(xué)頻率梳的光譜保持良好的相干性.3) 可見(jiàn)光到近紅外波段光學(xué)頻率梳的研究趨于成熟, 但位于分子特征譜線、大氣透明窗口的中紅外波段自參考飛秒光學(xué)頻率梳還面臨一系列挑戰(zhàn), 包括中紅外波段擴(kuò)譜光纖的制備與器件集成、光譜調(diào)控和相干性控制等.4) 在光鐘研究中, 為了實(shí)現(xiàn)光鐘的比對(duì)測(cè)量, 如何使覆蓋多種光鐘鐘激光波長(zhǎng)的寬光譜光學(xué)頻率梳的梳齒都具有超窄線寬特性也是當(dāng)前光學(xué)頻率梳研究中的重要方向之一.通常的摻Er 光纖光梳, 由于受增益介質(zhì)上能級(jí)壽命的影響, 其梳齒線寬一般在百kHz 量級(jí).在光鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中, 不可避免地會(huì)對(duì)高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的信號(hào)造成損失, 而通過(guò)對(duì)光梳梳齒線寬的壓窄則可以很好地解決這一問(wèn)題[10?13].

窄線寬光纖光梳的關(guān)鍵在于高品質(zhì)的飛秒激光器.在光纖光梳中飛秒激光器重復(fù)頻率(fr)通常由腔內(nèi)壓電陶瓷(piezoelectric transducer, PZT)控制, 載波包絡(luò)偏移頻率(f0)通常由飛秒激光器的驅(qū)動(dòng)電流源控制.受伺服機(jī)構(gòu)自身特性影響, PZT和電流源的伺服帶寬都在幾十kHz 或者更低.這導(dǎo)致在光纖光梳的鎖定過(guò)程中, 激光器中的高頻噪聲無(wú)法得到抑制.

一種有效方法是在激光器中增加快速響應(yīng)的電光調(diào)制器(electro-optic modulator, EOM).電光調(diào)制器在激光器系統(tǒng)中主要作為寬帶伺服的反饋器件具有伺服帶寬寬的優(yōu)點(diǎn), 但伺服范圍較小,因此通常要與伺服范圍大的器件配合使用.2005 年,美國(guó)Hudson 等[14]采用在摻Er 光纖飛秒激光器中加入空間EOM 的方法, 實(shí)現(xiàn)了大于230 kHz 的伺服帶寬.2010 年, 日本Nakajima 等[10]采用在激光器腔內(nèi)加入空間EOM 的方法也獲得了大于200 kHz 的伺服帶寬, 后來(lái)該研究組改用波導(dǎo)型帶尾纖的EOM, 伺服帶寬可以達(dá)到1.3 MHz[15].波導(dǎo)型EOM 需要的驅(qū)動(dòng)電壓較低并且可以靈活插入腔內(nèi), 但波導(dǎo)型EOM 輸入和輸出尾纖需要與激光器腔內(nèi)光纖連接, 因此插入損耗較大, 不利于在高重復(fù)頻率激光器中使用.2017 年Torcheboeuf等[16]在Er/Yb 玻璃作為增益介質(zhì)的固體激光器中采用EOM 實(shí)現(xiàn)了激光器向參考激光的鎖定, 鎖定帶寬為700 kHz, 其中EOM 的引入對(duì)激光器中心波長(zhǎng)、功率和脈沖寬度都帶來(lái)很大的影響.2018 年德國(guó)Schweyer 等[17]采用在半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的光纖激光器中加入了EOM, 通過(guò)EOM 結(jié)合激光器溫度控制, 實(shí)現(xiàn)了光梳向633 nm 氦氖激光器超過(guò)46 小時(shí)的連續(xù)鎖定, 鎖定帶寬610 kHz.

我國(guó)光學(xué)頻率梳技術(shù)已經(jīng)取得了快速發(fā)展, 國(guó)內(nèi)許多單位都已開(kāi)展了光學(xué)頻率梳的研究, 如鈦寶石光梳、摻Er 光纖光梳、摻Y(jié)b 光纖光梳和摻Tm光纖光梳等等.在光譜范圍、重復(fù)頻率、輸出功率、穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)上都有了顯著的提升.在基于EOM 的光纖光梳方面, Ning 等[18]在全保偏多路輸出的光纖光梳中增加了EOM, 并可以采用EOM 結(jié)合PZT 的方式進(jìn)行重復(fù)頻率鎖定.Ma 等[19]在摻Y(jié)b 光纖光梳中增加了EOM, 實(shí)現(xiàn)了0.95 GHz的高重復(fù)頻率輸出以及和6 束不同波長(zhǎng)激光的拍頻信號(hào)探測(cè), 但EOM 在該光梳中快速鎖定效果沒(méi)有驗(yàn)證.Wang 等[20]在摻Y(jié)b 光纖光梳中增加了EOM, 利用EOM 將光纖光梳鎖定在972 nm 窄線寬激光上, 驗(yàn)證了EOM 鎖定帶寬320 kHz.但在窄線寬光學(xué)頻率梳, 特別是基于目前常用的摻Er光纖光梳的窄線寬光學(xué)頻率梳的研究還有進(jìn)一步提升的空間.

基于此, 本文主要研究了摻Er 光纖飛秒激光器中鈮酸鋰(LiNbO3, LN)電光晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響.通過(guò)計(jì)算LN 晶體的折射率、色散和相位延遲等參數(shù), 分析了LN 晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響, 并在實(shí)驗(yàn)上獲得了LN 晶體電壓對(duì)激光器重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的影響, 進(jìn)而通過(guò)LN 晶體實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖光梳重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的鎖定.通過(guò)鎖定光纖飛秒激光器與窄線寬激光器的拍頻信號(hào), 驗(yàn)證了LN 晶體的引入使激光器的伺服鎖定帶寬提高到了236 kHz, 為窄線寬飛秒光學(xué)頻率梳的建立提供了技術(shù)基礎(chǔ).

2 理論計(jì)算

2.1 LN 晶體的線性電光效應(yīng)

系統(tǒng)中選擇LN 晶體作為EOM 中的電光晶體.LN 晶體屬于單軸晶體, 晶體的光軸為z軸, 垂直光軸的兩個(gè)軸分別為x軸和y軸.no和ne是尋常光和非尋常光的主折射率.在不加電場(chǎng)時(shí)LN 晶體的折射率橢球可以表示為

其中

在外加電場(chǎng)作用下, LN 晶體的折射率橢球表示為

其中

考慮LN 晶體的一次電光系數(shù)γ13=γ23=11 pm/V,γ33= 32 pm/V,γ22= –γ12= –γ61=6.8 pm/V 中,γ33分量明顯大于γ13分量, 因此晶體施加電場(chǎng)時(shí), 對(duì)沿主軸z軸方向偏振光的折射率影響最大.實(shí)驗(yàn)中選取沿x(y)軸切割、沿z軸加電場(chǎng)的LN 晶體, 同時(shí)利用晶體的橫向電光效應(yīng).當(dāng)外加電場(chǎng)平行于光軸z軸時(shí), LN 晶體x,y,z三個(gè)軸方向的電場(chǎng)Ex,Ey,Ez分別為:Ex=Ey= 0,Ez=E.在電場(chǎng)作用下折射率橢球方程演變?yōu)?/p>

從(3)式可知, 沿z方向施加電場(chǎng)后, LN 晶體三個(gè)折射率主軸方向不變, 仍然是z軸方向的單軸晶體, 只是各主折射率發(fā)生變化, 施加電場(chǎng)后三個(gè)新主折射率分別表示為

2.2 LN 晶體對(duì)摻Er 光纖飛秒激光器的影響

2.2.1 LN 晶體對(duì)重復(fù)頻率的影響

在摻Er 光纖飛秒激光器中LN 晶體對(duì)重復(fù)頻率的調(diào)節(jié), 主要通過(guò)晶體加電壓后對(duì)折射率產(chǎn)生影響來(lái)實(shí)現(xiàn).其對(duì)重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)范圍直接受晶體的折射率變化率的影響, 即LN 晶體加電壓后的折射率n′與未加電壓時(shí)的折射率n之間的相對(duì)變化量.

首先需要知道LN 晶體中o 光和e 光的折射率曲線.LN 晶體的折射率曲線可通過(guò)Sellmeier 色散方程進(jìn)行計(jì)算, 其中o 光和e 光在波長(zhǎng)λ處折射率表示為

圖1 給出了LN 晶體的折射率曲線.LN 晶體在1550 nm 處o 光和e 光的折射率分別為2.2111和2.1376.

圖1 LN 晶體的折射率曲線Fig.1.Refractive index curves of LiNbO3 crystal.

加電壓后, LN 晶體折射率的相對(duì)變化量為

其中V為L(zhǎng)N 晶體所加電壓值;d為電極之間距離.

2.2.2 LN 晶體對(duì)腔內(nèi)色散的影響

LN 晶體作為色散介質(zhì)放于激光器腔內(nèi), 由于晶體入射面和出射面鍍?cè)鐾改? 因此插入損耗可以忽略不計(jì), 但晶體色散對(duì)激光器影響很大.根據(jù)晶體折射率公式, 可以得出LN 晶體的群速度色散曲線, 如圖2 所示.

實(shí)驗(yàn)中采用的LN 晶體在1550 nm 處的群速度色散(group velocity dispersion, GVD)為112 fs2/mm.為了平衡LN 晶體在腔內(nèi)引入的正色散,需要利用五倍晶體長(zhǎng)的SMF-28 單模光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償(SMF-28 單模光纖在1550 nm 處的群速度色散為–22 fs2/mm).在線性電光效應(yīng)下, 晶體加電場(chǎng)后產(chǎn)生的折射率是隨電場(chǎng)強(qiáng)度的線性變化, 因此加電場(chǎng)前后, 可以忽略電場(chǎng)對(duì)LN 晶體色散帶來(lái)的影響.

圖2 LN 晶體的群速度色散曲線Fig.2.Group velocity dispersion curves of LiNbO3 crystal.

2.2.3 LN 晶體引入的相位延遲

LN 晶體在外加電場(chǎng)作用下, 入射到晶體的光的偏振方向會(huì)沿著晶體感應(yīng)折射率主軸分解成兩個(gè)相互垂直的偏振分量傳輸.兩個(gè)偏振方向的光所經(jīng)歷的折射率分別發(fā)生不同的改變, 從而產(chǎn)生不同的相位延遲, 從晶體出射后合成新的偏振態(tài).而非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的原理是通過(guò)控制腔內(nèi)激光不同分量的偏振狀態(tài)實(shí)現(xiàn)鎖模, 所以LN 晶體在外加電場(chǎng)作用下引入的相位延遲會(huì)對(duì)激光器鎖模帶來(lái)影響.

由于LN 晶體z軸加電壓時(shí)具有高于其他軸加電壓的一次電光效應(yīng), 因此實(shí)驗(yàn)中采用激光沿x軸通過(guò)晶體.此時(shí), 沿y軸和z軸兩個(gè)偏振方向上的折射率變化由之前的公式給出.激光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體后, 產(chǎn)生的相位差δ為

在1550 nm 處,ne= 2.1375,no= 2.2111, 晶體長(zhǎng)度為3 mm.當(dāng)在晶體兩端加200 V 電壓時(shí),如果光在沿y軸和z軸上都有分量, 那么得到相位差為0.08π.較短長(zhǎng)度LN 晶體加電壓后帶來(lái)的相位差不大, 但是需要重新調(diào)整腔內(nèi)波片的角度實(shí)現(xiàn)鎖模.在系統(tǒng)中, 為了保證晶體出射激光的偏振態(tài)不受電壓的影響, 調(diào)節(jié)晶體入射光的偏振方向使其與晶體的一個(gè)感應(yīng)主軸重合.對(duì)于沿著z軸加電場(chǎng)的情況下, LN 晶體的折射率橢球不發(fā)生旋轉(zhuǎn), 因此只需保證晶體入射光的偏振沿水平或者垂直方向即可.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

腔內(nèi)加入EOM 的摻Er 光纖光梳結(jié)構(gòu)如圖3所示, 總體結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[21]基本相似.主要區(qū)別在于:

1)飛秒激光器中增加了LN 晶體構(gòu)成的EOM.在激光器的四分之一波片和PBS 之間增加一個(gè)LN 晶體.LN 晶體的通光截面(yz)為3 mm ×5 mm, 通光長(zhǎng)度(x)為3 mm,xz表面鍍金用于施加電壓.采用最大200 V 的EOM 驅(qū)動(dòng)器(Thorlabs,HVA200)對(duì)LN 晶體施加電壓;

2)f0探測(cè)模塊進(jìn)行了改進(jìn).f-2f干涉儀中晶體前后兩端的透鏡進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)和封裝, 形成了一體化模塊.其中輸入端為FC/PAC 接口, 輸出端為平行光輸出.采用該模塊, HNLF 后單模光纖的FC/PAC 接口可以直接與f0探測(cè)模塊連接,避免了優(yōu)化HNLF 后單模光纖長(zhǎng)度時(shí), 每次都需要對(duì)f0探測(cè)模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)的弊端;

3)四個(gè)伺服鎖定環(huán)路.伺服鎖定環(huán)路PPL1由伺服模塊(Vescent, D2-135)控制飛秒激光器的抽運(yùn)電流源(Thorlabs, LDC8020)構(gòu)成, 伺服鎖定環(huán)路PPL2 由伺服模塊(Vescent, D2-135)控制EOM 的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成.伺服鎖定環(huán)路PPL1 和伺服鎖定環(huán)路PPL2 可分別控制激光器的載波包絡(luò)偏移頻率f0.伺服鎖定環(huán)路PPL3 由伺服模塊(Vescent, D2-125)控制EOM 的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成, 伺服鎖定環(huán)路PPL4 由伺服系統(tǒng)(Vescent, D2-125)控制PZT 驅(qū)動(dòng)器(Thorlabs, MDT694B)構(gòu)成.伺服鎖定環(huán)路PPL3 和伺服鎖定環(huán)路PPL4 可分別控制激光器的重復(fù)頻率fr.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 激光器狀態(tài)

激光器腔內(nèi)不加EOM 時(shí), 激光器的整體結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[21]類似.激光器中增益光纖長(zhǎng)度為35 cm,WDM 兩端尾纖長(zhǎng)度分別為15 和12 cm, 兩個(gè)準(zhǔn)直器的尾纖長(zhǎng)度分別為20 和37 cm.兩個(gè)準(zhǔn)直器之間的空間距離為5.5 cm.在650 mW 抽運(yùn)功率下, 激光器在連續(xù)光狀態(tài)下可以輸出150 mW, 鎖模后平均功率為85 mW.此時(shí)加入EOM, 調(diào)節(jié)LN 晶體放置角度, 使腔內(nèi)激光垂直入射到LN 晶體表面, 激光器輸出功率保持不變.在最佳鎖模狀態(tài)下, EOM 的放入或者取出對(duì)激光器的自動(dòng)啟動(dòng)鎖模沒(méi)有影響.圖4 給出了激光器腔內(nèi)有無(wú)EOM時(shí)的鎖模光譜.從圖中可以看出, EOM 的引入對(duì)激光器鎖模影響不大.這主要源于EOM 中LN 晶體通光長(zhǎng)度較短, 對(duì)激光器的色散影響可以忽略不計(jì).

圖3 腔內(nèi)加入EOM 的摻Er 光纖光梳結(jié)構(gòu)圖.其中, LD 為激光二極管, WDM 為980 nm/1550 nm 波分復(fù)用器件, EDF 為增益光纖, Col為光纖準(zhǔn)直器, PBS為偏振分光片, ISO為隔離器, λ/4 為四分之一波片, λ/2 為二分之一波片, M 為平面反射鏡,PZT 為壓電陶瓷, EOM 為電光晶體調(diào)制器, HNLF 為高非線性光纖, F 為透鏡, PD 為光電探測(cè)器, PPL 為伺服鎖定環(huán)路,PPLN 為周期極化LN 晶體, SW 為微波線切換模塊Fig.3.Schematic diagram of the Er-fiber comb with an intra-cavity EOM.LD, laser diode; WDM, 980 nm/1550 nm wavelength division multiplexing; EDF, Er-doped gain fiber; Col, fiber collimator; PBS, polarization beam splitter; ISO, isolator; λ/4, quarter wave plate; λ/2, half wave plate; M, plane mirror; PZT, piezoelectric transducer; EOM, electro-optic modulator; HNLF, highly nonlinear fiber; F, optical lens; PD, photoelectric diode; PPL, phase lock loop; PPLN, Periodically Poled Lithium Niobate; SW, signal switch module.

圖4 激光器腔內(nèi)有無(wú)EOM 時(shí)的鎖模光譜Fig.4.Spectra of the Er-fiber femtosecond laser with and without an intra-cavity EOM.

激光器輸出激光經(jīng)過(guò)1∶3 的光纖分束器分成三路, 第一路直接進(jìn)入探測(cè)器PD(EOT, 3000 A)用于探測(cè)激光器重復(fù)頻率fr.圖5 為激光器中加入EOM 鎖模后的射頻曲線.從圖5 中可以看出激光器重復(fù)頻率為163 MHz.第二路通過(guò)后續(xù)放大、擴(kuò)譜、f-2f干涉儀, 實(shí)現(xiàn)40 dB 信噪比的f0信號(hào)輸出,如圖6 所示.圖6 插圖為HNLF 擴(kuò)譜后的倍頻程光譜, 光譜覆蓋1100 到2200 nm.第三路在本系統(tǒng)中用于與1542 nm 窄線寬激光器拍頻獲取拍頻信號(hào)fb.

圖5 激光器中加入EOM 鎖模后的射頻曲線, 其中插圖為163 MHz 處的頻譜Fig.5.Radio frequency of the Er-fiber femtosecond laser with an intra-cavity EOM.The insert is the radio frequency at 163 MHz.

圖6 激光器載波包絡(luò)偏移頻率, 插圖為擴(kuò)譜后的倍頻程光譜圖Fig.6.Signal-to-noise ratio of carrier-envelop offset frequency in 100 kHz resolution bandwidth (RBW).The insert is octave spanning spectrum after HNLF.

EOM 中LN 晶體施加電壓后, 對(duì)激光器重復(fù)頻率和f0信號(hào)會(huì)產(chǎn)生影響, 因此EOM 可以作為伺服器件用于對(duì)激光器重復(fù)頻率和f0的鎖定.當(dāng)EOM晶體上的電壓在–200 到200 V 之間變化時(shí), 激光器重復(fù)頻率的變化量約為30 Hz, 如圖7(a)所示.激光器重復(fù)頻率變化主要是由于EOM 中晶體施加電壓后引起折射率變化所致.在激光器重復(fù)頻率漂移量較小的條件下, 可以利用EOM 對(duì)激光器重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定.當(dāng)EOM 晶體上的電壓從–200到200 V 逐漸增大時(shí), 激光器f0信號(hào)的變化量約為25 MHz, 如圖7(b)所示.在電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中f0信噪比保持不變.

EOM 中晶體施加電壓后, 在對(duì)激光器重復(fù)頻率和f0信號(hào)產(chǎn)生影響的同時(shí), 要避免對(duì)激光的鎖模狀態(tài)產(chǎn)生影響.在系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)微調(diào)LN晶體, 使晶體電壓在–200 到200 V 之間變化時(shí), 激光器保持相同的鎖模狀態(tài).圖8 給出了激光器腔內(nèi)EOM 晶體電壓改變時(shí), 激光器輸出光譜的變化.從圖8 中可以看出, 本系統(tǒng)中EOM 在不同驅(qū)動(dòng)電壓下, 激光器鎖模光譜未發(fā)生明顯變化.

圖7 EOM 晶體電壓對(duì)激光器參數(shù)的影響 (a) EOM 晶體電壓對(duì)激光器重復(fù)頻率的影響; (b) EOM 晶體電壓對(duì)激光器載波包絡(luò)偏移頻率的影響Fig.7.Diagram showing the change in laser parameters at different voltage on EOM: (a) The change in repetition rate; (b) the change in carrier envelope offset frequency.

圖8 EOM 晶體電壓改變時(shí), 激光器輸出光譜變化Fig.8.Evolution of the spectra of the Er-fiber femtosecond laser with the changing of the voltage on EOM.

4.2 激光器向微波頻率的鎖定

在鎖定系統(tǒng)中增加EOM 驅(qū)動(dòng)器(Thorlabs,HVA200), 其輸出電壓直接作用于EOM 中的LN晶體.伺服鎖定環(huán)路PPL2 由伺服模塊(Vescent,D2-135)控制EOM 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成.f0信號(hào)與參考信號(hào)鑒相輸出信號(hào)通過(guò)微波線切換模塊, 可選取進(jìn)入PPL1 或者PPL2 環(huán)路, 控制激光器的載波包絡(luò)偏移頻率f0信號(hào).

伺服鎖定環(huán)路PPL3 由伺服模塊(Vescent,D2-125)控制EOM 驅(qū)動(dòng)器(Thorlabs, HVA200)構(gòu)成.fr信號(hào)與參考信號(hào)混頻輸出信號(hào)通過(guò)微波線切換模塊, 可選取進(jìn)入PPL3 環(huán)路或者PPL4 環(huán)路, 控制激光器的重復(fù)頻率fr信號(hào).由于激光器腔內(nèi)只有一個(gè)EOM 并且EOM 驅(qū)動(dòng)器的輸入端為單通道輸入, 所以工作時(shí)伺服鎖定環(huán)路PPL2 和伺服鎖定環(huán)路PPL3 只有一路接入EOM 的輸入端.

本系統(tǒng)可以分別通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器f0和fr信號(hào)的鎖定:

1)伺服鎖定環(huán)路PPL1 和伺服鎖定環(huán)路PPL4同時(shí)使用, 即伺服鎖定環(huán)路PPL1 通過(guò)控制抽運(yùn)激光器電流源實(shí)現(xiàn)對(duì)f0的鎖定, 伺服鎖定環(huán)路PPL4通過(guò)控制PZT 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)fr的鎖定;

2)伺服鎖定環(huán)路PPL1 和伺服鎖定環(huán)路PPL3同時(shí)使用, 即伺服鎖定環(huán)路PPL1 通過(guò)控制抽運(yùn)激光器電流源實(shí)現(xiàn)對(duì)f0的鎖定, 伺服鎖定環(huán)路PPL3通過(guò)控制EOM 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)fr的鎖定;

3)伺服鎖定環(huán)路PPL2 和伺服鎖定環(huán)路PPL4同時(shí)使用, 即伺服鎖定環(huán)路PPL2 通過(guò)控制EOM驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)f0的鎖定, 伺服鎖定環(huán)路PPL4 通過(guò)控制PZT 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)fr的鎖定.

伺服鎖定環(huán)路PPL1 和伺服鎖定環(huán)路PPL4的鎖定方法在許多文獻(xiàn)中都有介紹[22?24].本文主要關(guān)注通過(guò)伺服鎖定環(huán)路PPL2 和伺服鎖定環(huán)路PPL3 實(shí)現(xiàn)向微波頻率的鎖定.

重復(fù)頻率fr的鎖定主要通過(guò)控制激光器的腔長(zhǎng)實(shí)現(xiàn).在本系統(tǒng)中, 一種方式是可以通過(guò)PZT實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的鎖定.該方法的特點(diǎn)是控制范圍較大(kHz 量級(jí)), 可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)鎖定.另一種方式是通過(guò)EOM 實(shí)現(xiàn)對(duì)重復(fù)頻率的鎖定.該方法的特點(diǎn)是控制范圍較小(Hz 量級(jí)), 但可以實(shí)現(xiàn)光梳高頻噪聲的抑制.特別是以光學(xué)頻率作為參考時(shí), 采用EOM 可以實(shí)現(xiàn)飛秒激光器梳齒線寬的壓窄.

以微波頻率作為參考進(jìn)行光梳重復(fù)頻率鎖定時(shí), 重復(fù)頻率與參考頻率混頻輸出的誤差信號(hào)進(jìn)入伺服鎖定環(huán)路PPL3.PPL3 環(huán)路中的伺服模塊控制EOM 驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓直接作用到EOM, 通過(guò)改變EOM 中LN 晶體的折射率實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率的鎖定.系統(tǒng)中采用光電探測(cè)器PD 獲得激光重復(fù)頻率的一次諧波.調(diào)節(jié)頻率綜合器使其輸出頻率位于重復(fù)頻率一次諧波附近, 即163623966.432 Hz.在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下, 激光器在50 h 間內(nèi)重復(fù)頻率漂移量在600 Hz 左右, 如圖9 所示.而EOM中LN 晶體在 ± 200 V 的條件下, 對(duì)重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)量只有60 Hz.因此采用EOM 實(shí)現(xiàn)對(duì)重復(fù)頻率的鎖定時(shí)間較短.圖10(a)給出了3 h 的鎖定時(shí)間內(nèi)激光器重復(fù)頻率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.重復(fù)頻率鎖定后的平均值為163623966.43216 Hz, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.474 mHz.

圖9 激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 重復(fù)頻率漂移Fig.9.Frequency drift of the repetition rate.

為了對(duì)比, 重復(fù)頻率與參考頻率混頻輸出的誤差信號(hào)通過(guò)微波線切換模塊切換進(jìn)入伺服鎖定環(huán)路PPL4.由于激光器重復(fù)頻率漂移, 因此調(diào)節(jié)頻率綜合器使其輸出頻率位于163623411.431 Hz 附近, 以匹配此時(shí)的重復(fù)頻率.其中PPL4 中伺服模塊控制PZT 驅(qū)動(dòng)器輸出電壓直接作用到PZT 上,通過(guò)改變PZT 伸縮量實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率的鎖定.圖10(b)給出了7.5 h 的鎖定時(shí)間內(nèi)激光器重復(fù)頻率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.重復(fù)頻率鎖定后的平均值為163623411.43121 Hz, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.473 mHz.

圖11 給出了為分別采用EOM 和PZT 鎖定重復(fù)頻率時(shí)所獲得的相對(duì)Allan 偏差曲線.在平均時(shí)間0—1000 s 內(nèi), 兩種鎖定方法得到的相對(duì)Allan 偏差基本一致.因此, 當(dāng)重復(fù)頻率不需要長(zhǎng)時(shí)間鎖定時(shí), 可以在飛秒激光器中直接加入EOM以簡(jiǎn)化重復(fù)頻率鎖定時(shí)飛秒激光的復(fù)雜性.而先前無(wú)論是PZT 控制端鏡還是PZT 拉伸光纖[14,21,25],都需要在激光器建立過(guò)程中把伺服器件加入激光腔內(nèi).后續(xù)采用EOM 結(jié)合與對(duì)激光器底板溫度控制相結(jié)合的方式有望實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)鎖定.

圖10 重復(fù)頻率鎖定后的頻率變化 (a) 采用EOM 鎖定重復(fù)頻率; (b) 采用PZT 鎖定重復(fù)頻率Fig.10.Residual fluctuations of the repetition rate when it is phase-locked: (a) Phase-locked by EOM; (b) phase-locked by PZT.

圖11 采 用EOM 和PZT 鎖定重復(fù)頻率后, 所獲得的重復(fù)頻率的相對(duì)Allan 偏差曲線Fig.11.Calculated Allan deviations when the repetition rate was phase-locked by EOM and PZT respectively.

以微波頻率作參考進(jìn)行光梳的f0信號(hào)鎖定時(shí),f0信號(hào)與參考頻率鑒相輸出的誤差信號(hào)進(jìn)入伺服鎖定環(huán)路PPL2.其中伺服模塊的輸出控制EOM驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓直接作用到EOM, 通過(guò)改變EOM 中LN 晶體的折射率實(shí)現(xiàn)f0信號(hào)的鎖定.激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下, 載波包絡(luò)偏移頻率f0信號(hào)在16 h 內(nèi)的漂移量在20 MHz 左右, 如圖12所示.而EOM 在 ± 200 V 的條件下, 對(duì)載波包絡(luò)偏移頻率的調(diào)節(jié)量可以達(dá)到25 MHz, 足以滿足對(duì)載波包絡(luò)偏移頻率的控制.圖13 給出了18 h 的鎖定時(shí)間內(nèi)激光器f0信號(hào)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.f0信號(hào)鎖定后平均值為20 MHz, 標(biāo)準(zhǔn)差為1.03 mHz.

圖12 自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)f0 信號(hào)漂移曲線Fig.12.Frequency drift of the carrier envelope offset frequency.

圖13 采用EOM 鎖定f0 信號(hào)后的頻率變化Fig.13.Residual fluctuations of the carrier envelope offset frequency when it is phase-locked by EOM.

4.3 EOM 中LN 晶體伺服帶寬的測(cè)量

激光器中增加快速響應(yīng)的LN 晶體, 主要為了提高光梳的伺服帶寬、抑制光纖光梳中高頻噪聲,為光纖光梳向窄線寬激光器的鎖定提供伺服器件.在光梳fr和f0兩個(gè)參數(shù)向微波鎖定的過(guò)程中, LN晶體的快環(huán)特性不是必須的.但當(dāng)光梳梳齒線寬壓窄時(shí), 光梳的鎖定帶寬必須得到提高才能抑制高頻噪聲.為了驗(yàn)證EOM 引入對(duì)激光器的伺服鎖定帶寬的改善, 采用將飛秒激光器鎖定于一臺(tái)超窄線寬激光器, 通過(guò)測(cè)量鎖相環(huán)內(nèi)拍頻信號(hào)邊帶寬度來(lái)判斷伺服鎖定帶寬.

采用鎖定到高Q 腔的波長(zhǎng)為1542 nm 的窄線寬激光器作為參考光源, 激光器秒穩(wěn)定度1.5 ×10–15, 線寬小于2 Hz, 輸出功率大于10 mW.采用20 m 單模保偏光纖將激光傳輸至飛秒激光器所在的光學(xué)臺(tái)面進(jìn)行拍頻.飛秒激光器輸出激光經(jīng)過(guò)1:3 的光纖分束器分成三路后的第三路光約5 mW 進(jìn)入拍頻模塊.經(jīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)兩路光空間耦合、偏振、聚焦、光斑等參數(shù), 在100 kHz 分辨率帶寬和40 MHz 頻帶范圍內(nèi), 可以獲得大于40 dB 信噪比的拍頻信號(hào)fb.

拍頻信號(hào)fb與20 MHz 微波參考信號(hào)混頻,誤差信號(hào)進(jìn)入鎖定模塊(Vescent, D2-125), 其輸出信號(hào)通過(guò)PZT 驅(qū)動(dòng)器反饋控制PZT.D2-125附加輸出信號(hào)進(jìn)入鎖定模塊(New Focus, LB1005),通過(guò)EOM 驅(qū)動(dòng)器反饋控制LN 晶體實(shí)現(xiàn)fb的快環(huán)鎖定.當(dāng)只有PZT 鎖定時(shí), 環(huán)內(nèi)拍頻信號(hào)如圖14(a)所示.從圖14(a)中可以看出, 由于fb信號(hào)線寬太寬, 鎖定邊帶淹沒(méi)在fb信號(hào)之中.當(dāng)快環(huán)鎖定起作用時(shí),fb信號(hào)在鎖定頻率中心處出現(xiàn)相干峰, 相干峰信噪比為45 dB, 在距離中心頻率一定位置出現(xiàn)鎖定邊帶如圖14(b)所示.從圖14(b)中可以看出EOM 的鎖定帶寬約為236 kHz.該信號(hào)在10 h 連續(xù)鎖定時(shí)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.09 mHz, 如圖15 所示.

圖14 飛秒激光器與1542 nm 的單頻激光的拍頻信號(hào)(a) 采用PZT 鎖定后的拍頻信號(hào), 其中分辨率帶寬為100 kHz; (b) 采用EOM 鎖定后的拍頻信號(hào), 其中分辨率帶寬為1 kHzFig.14.Beat note between the Er-fiber comb and a 1542 nm laser: (a) Spectrum of the in-loop fb after phaselocking with PZT in 100 kHz RBW; (b) spectrum of the inloop fb after phase-locking with EOM in 1 kHz RBW.

圖15 光梳與1542 nm 激光拍頻信號(hào)fb 鎖定后的頻率變化Fig.15.Residual fluctuations of the beat note when the Erfiber comb was phase-locked to a 1542 nm laser.

5 結(jié) 論

窄線寬光學(xué)頻率梳在光鐘頻率比對(duì)、雙光梳和超穩(wěn)微波等領(lǐng)域都具有十分重要的作用.本文以光梳梳齒線寬壓窄的關(guān)鍵技術(shù)為研究?jī)?nèi)容, 重點(diǎn)研究了摻Er 光纖飛秒激光器中LN 晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響.通過(guò)計(jì)算LN 晶體的折射率、色散、相位延遲等參數(shù), 分析了LN 晶體對(duì)激光器參數(shù)的影響, 并在實(shí)驗(yàn)上獲得了LN 晶體電壓對(duì)激光器重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的影響, 進(jìn)而通過(guò)LN 晶體實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光梳重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的鎖定.

本系統(tǒng)選取了3 mm 長(zhǎng)度的x切割的LN 晶體作為快速伺服器件加入摻Er 光纖飛秒激光器腔內(nèi).較短的通光長(zhǎng)度對(duì)激光器的色散和鎖模性能影響可以忽略, 在 ± 200 V 電壓的驅(qū)動(dòng)下, LN 晶體對(duì)重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)量為60 Hz, 對(duì)載波包絡(luò)偏移頻率的調(diào)節(jié)量為25 MHz.對(duì)于數(shù)小時(shí)的頻率鎖定,完全可以采用EOM 作為控制器件.在EOM 有效工作的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步通過(guò)鎖定光纖飛秒激光器與窄線寬激光器的拍頻信號(hào), 驗(yàn)證了電光晶體的引入使激光器的伺服鎖定帶寬提高到了236 kHz, 為窄線寬飛秒光學(xué)頻率梳的建立提供了技術(shù)基礎(chǔ).

后續(xù)工作將在光纖飛秒激光器向窄線寬激光器鎖定的基礎(chǔ)上, 驗(yàn)證光梳梳齒線寬的傳遞性能,即當(dāng)光梳鎖定到一個(gè)頻率的窄線寬激光器(如1542 nm)時(shí), 距離較遠(yuǎn)的波長(zhǎng)處(如698, 729 nm等)梳齒線寬性能, 以進(jìn)一步驗(yàn)證EOM 中LN 晶體的鎖定效果.