基于光譜增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)532 nm波長激光頻率標(biāo)定*

趙瀚宇 曹士英 戴少陽 楊濤 左婭妮 胡明列

1) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,教育部光電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

2) (中國計(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)

3) (中國計(jì)量科學(xué)研究院,國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(時(shí)間頻率與重力計(jì)量基準(zhǔn)),北京 100029)

碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器在復(fù)現(xiàn)長度單位“米(m)”、絕對(duì)重力測量、引力波探測、精密光譜學(xué)、長度計(jì)量等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,對(duì)其進(jìn)行頻率測量和標(biāo)定對(duì)于激光器的性能評(píng)價(jià)具有重要意義.本文采用自行研制的摻Er 光纖光學(xué)頻率梳作為光源,對(duì)其擴(kuò)譜后的1 μm 波段進(jìn)行光譜增強(qiáng)并結(jié)合倍頻晶體將光學(xué)頻率梳輸出的1.5 μm 波段光脈沖擴(kuò)展到532 nm 波段.其中摻Er 光纖光學(xué)頻率梳輸出功率20 mW,首先經(jīng)過摻Er 光纖放大器將功率提到370 mW,經(jīng)過脈沖壓縮后脈沖寬度為45.7 fs,此后經(jīng)過高非線性光纖擴(kuò)譜實(shí)現(xiàn)光譜覆蓋至1 μm,輸出功率為180 mW.擴(kuò)譜后的1 μm 波段激光經(jīng)過摻Y(jié)b 光纖放大器放大至601 mW,經(jīng)過壓縮后脈沖寬度為84.6 fs,壓縮后功率為420 mW.采用MgO:PPLN 晶體對(duì)壓縮后激光進(jìn)行倍頻得到155 mW的532 nm 激光,倍頻效率為36%.利用該系統(tǒng)分別對(duì)碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出的基頻光1064 nm 和倍頻光532 nm 進(jìn)行拍頻,獲得了優(yōu)于40 dB 信噪比的拍頻信號(hào),后續(xù)進(jìn)行了超過10 h 的連續(xù)測量,測量結(jié)果與國際推薦值保持一致.

1 引言

高性能激光頻率標(biāo)準(zhǔn)在復(fù)現(xiàn)長度單位“米(m)”[1]、絕對(duì)重力測量[2-4]、引力波探測[5-8]、頻率計(jì)量[9,10]等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用.20 世紀(jì)80 年代,國際計(jì)量大會(huì)頒布了長度單位“m”的新的定義,并隨之推薦了若干條可以復(fù)現(xiàn)單位“m”的高精度激光頻率標(biāo)準(zhǔn)譜線.其中在長度計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是碘在633 nm 和532 nm 處的躍遷譜線參考.常用的碘穩(wěn)頻633 nm He-Ne 激光器國際推薦值的不確定度為2.1×10-11,同時(shí)輸出光中具有(6±0.3) MHz的調(diào)制頻率[11],秒級(jí)頻率穩(wěn)定度最高為1×10-11.碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器具有532 nm/1064 nm雙波長輸出的優(yōu)勢,國際推薦值的不確定度為8.9×10-12[12],采用調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜技術(shù)進(jìn)行頻率鎖定時(shí),輸出光中無調(diào)制[13].

近年來隨著光刻機(jī)、集成電路制造、引力波探測、冷原子物理等領(lǐng)域的需求牽引,對(duì)更高穩(wěn)定度指標(biāo)穩(wěn)頻激光的需求日益強(qiáng)烈.碘穩(wěn)頻633 nm 激光已無法滿足高端需求,急需進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)品換代.與碘穩(wěn)頻633 nm He-Ne 激光器相比,碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器具有的穩(wěn)定度高、功率高、無調(diào)制、光纖輸出等諸多優(yōu)點(diǎn)[13]而倍受關(guān)注.碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器在保持高性能指標(biāo)的同時(shí),開始向工程化、小型化、智能化的方向發(fā)展以適應(yīng)更多應(yīng)用場景.其中對(duì)碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出激光的頻率監(jiān)測,不僅可以直接反映激光器本身性能,還有助于對(duì)激光器鎖定過程中的參數(shù)優(yōu)化.

作為測量激光絕對(duì)頻率和穩(wěn)定度的有效工具[14],飛秒光學(xué)頻率梳,簡稱“飛秒光梳”,是一種由眾多頻率穩(wěn)定并且間隔嚴(yán)格相等的光頻梳齒組成的寬帶光譜,在時(shí)域上表現(xiàn)為一系列等間距的超短脈沖輸出,其本質(zhì)上是脈沖重復(fù)頻率(fr)和載波包絡(luò)偏移頻率被(f0)精確鎖定的飛秒激光器.飛秒光梳有兩個(gè)基本參數(shù): 重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率.只需獲得fr和f0兩個(gè)參數(shù)并將其通過相位鎖定的方式溯源到微波頻率,則頻域上第N個(gè)梳齒的頻率fN可以通過表示為fN=Nfr±f0.此時(shí),對(duì)于任何頻率的連續(xù)激光,只要其頻率位于飛秒光梳的光譜覆蓋范圍之內(nèi),就可通過(1)式得到激光頻率:

其中fcw是被測激光頻率.通過鎖相環(huán)將fr和f0鎖定到微波參考頻率上,兩者均為微波參考頻率設(shè)定值.fb為待測激光與飛秒光梳臨近梳齒的拍頻頻率,采用頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行測量.N為飛秒光梳中與待測激光頻率最接近梳齒的序數(shù),可以采用波長計(jì)、光譜儀、用吸收譜線參考頻率進(jìn)行確定,也可以通過大范圍調(diào)節(jié)重復(fù)頻率來獲取[15].

20 世紀(jì)末,Udem等[16]首次使用超短脈沖測量了銫原子D1譜線的絕對(duì)光學(xué)頻率.2000 年Jones等[17]基于譜線展寬技術(shù)研制出了飛秒光梳裝置.早期的飛秒光梳主要是基于鈦寶石飛秒激光器,其中心波長在780 nm 附近,具有輸出功率高、脈沖寬度窄等特點(diǎn),經(jīng)過光子晶體光纖(PCF)耦合后可以很容易地實(shí)現(xiàn)一個(gè)倍頻程(500—1000 nm)的光譜輸出[18].2002 年Rovera等[19]利用PCF 將鈦寶石光學(xué)頻率梳擴(kuò)譜獲得了530—1064 nm 范圍的光譜輸出,耦合效率為50%,此后將擴(kuò)譜后的脈沖分為兩路,一路與碘穩(wěn)頻Nd:YAG 激光器的基頻光1064 nm 拍頻,另一路與倍頻光532 nm 光進(jìn)行拍頻,在1064 nm 處的拍頻信號(hào)信噪比為30 dB,用于對(duì)碘穩(wěn)頻激光進(jìn)行頻率測量.2007 年,方占軍等[20]利用鈦寶石光學(xué)頻率梳對(duì)碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器進(jìn)行頻率測定,利用PCF 將光學(xué)頻率梳光譜擴(kuò)展至532 nm 波段,并且得到了30 dB的拍頻信號(hào)信噪比.2015 年,Kobayashi等[21]采用摻Er 光纖光梳,對(duì)硬幣大小的碘穩(wěn)頻激光器輸出的基頻光1062 nm 進(jìn)行拍頻測量,從而獲得鎖定后倍頻光531 nm 的絕對(duì)頻率.其中,基頻光1062 nm與光梳拍頻信號(hào)信噪比約為30 dB.

近年來,隨著光纖制造技術(shù)以及光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展,光纖飛秒激光器逐漸取代了鈦寶石飛秒激光器成為光學(xué)頻率梳的主力光源.在眾多摻雜稀土元素的光纖中,摻Er 光纖成本低且增益帶寬為1.5 μm 波段,在單模光纖中損耗最小.1.5 μm的各種光學(xué)器件成本也較低,使其相較于摻Y(jié)b 和摻Tm 光纖應(yīng)用更加廣泛.摻Er 光纖飛秒激光器不僅具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性高、穩(wěn)定性高、易于集成化等顯著優(yōu)勢,而且輸出的光脈沖可以很容易地?cái)U(kuò)譜至一個(gè)倍頻程(1100—2200 nm)[22-24].2014 年,劉歡等[24]使用摻Er 光纖飛秒激光器為光源,經(jīng)過雙向抽運(yùn)摻Er 光纖放大器之后進(jìn)入周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN)倍頻獲得中心波長在780 nm、功率為170 mW 的脈沖,將倍頻后光脈沖耦合進(jìn)PCF 擴(kuò)譜至532 nm 波段與碘穩(wěn)頻532 nm激光器進(jìn)行拍頻,獲得了30 dB 的信噪比輸出.

采用鈦寶石飛秒光學(xué)頻率梳或經(jīng)過放大-倍頻后的摻Er 光纖光梳結(jié)合PCF 光譜展寬,可以獲得500—1000 nm 的寬帶光譜,并實(shí)現(xiàn)對(duì)于碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器的頻率測量.但由于PCF纖芯較細(xì),加之空間耦合方案[20,24],會(huì)導(dǎo)致長時(shí)間測量時(shí)輸出光譜不穩(wěn)定,引起拍頻信號(hào)信噪比下降,從而導(dǎo)致大量錯(cuò)誤計(jì)數(shù).

碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器具有1064 nm基頻光輸出,因此長時(shí)間的測量通常采取測量基頻光1064 nm 的方式,通過級(jí)聯(lián)光譜技術(shù)可以提升摻Er 光纖光梳擴(kuò)譜后1 μm 處的功率,以保證基頻光1064 nm 的拍頻信噪比[25].但對(duì)于缺少基頻光的其他類型532 nm 激光器的測量則無法適用,還需要在技術(shù)上解決飛秒光梳對(duì)532 nm 激光的直接頻率測量問題.摻Er 光纖光梳直接擴(kuò)譜形成的1 μm 波長點(diǎn)處功率較低,直接提取此波長點(diǎn)功率進(jìn)行倍頻,理論上可以實(shí)現(xiàn)532 nm 激光輸出,但由于峰值功率低加之倍頻效率低,直接將擴(kuò)譜后的1064 nm 倍頻到532 nm 與激光拍頻難度較大.與其他基頻光缺少合適的增益光纖不同,1 μm 波段可以級(jí)聯(lián)接入摻Y(jié)b 光纖放大器,通過對(duì)擴(kuò)譜后的1 μm 波段光譜進(jìn)行放大后再倍頻,從而提高光學(xué)頻率梳在532 nm 波長點(diǎn)的輸出功率,為后續(xù)拍頻信噪比的改善提供條件.

基于此,本文在摻Er 光纖光梳的基礎(chǔ)上,通過對(duì)其中一路進(jìn)行放大和光譜展寬實(shí)現(xiàn)光譜覆蓋到1 μm,此后級(jí)聯(lián)摻Y(jié)b 光纖放大器,提升1 μm波段輸出功率,經(jīng)過光柵對(duì)壓縮后實(shí)現(xiàn)平均功率420 mW、脈沖寬度84.6 fs 的激光輸出,進(jìn)一步經(jīng)過PPLN 晶體倍頻實(shí)現(xiàn)平均功率為155 mW 的532 nm 激光輸出.利用該裝置分別對(duì)碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出的基頻光1064 nm 和倍頻光532 nm 進(jìn)行拍頻,得到了信噪比優(yōu)于40 dB 的拍頻信號(hào),后續(xù)進(jìn)行了超過10 h 的連續(xù)測量,測量結(jié)果與國際推薦值保持一致.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 摻Er 光纖光梳

基于光譜增強(qiáng)技術(shù)輸出532 nm 激光的摻Er光纖光梳測量裝置主要包括3 個(gè)部分,如圖1 所示.第1 部分(圖1 中A 部分)為摻Er 光纖光梳的基本結(jié)構(gòu),包括作為飛秒光梳種子光的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPE)鎖模的摻Er 光纖飛秒激光器;第2 部分(圖1 中B 部分)為1.5 μm 種子光的功率放大、脈沖壓縮、1 μm 波段的光譜展寬及1 μm波段放大;第3 部分(圖1 中C 部分)為1 μm 波段脈沖壓縮、非線性倍頻以及激光拍頻.

圖1 基于光譜增強(qiáng)技術(shù)輸出532 nm 激光的摻Er 光纖光梳測量裝置圖(其中,A 部分為摻Er 光纖飛秒激光器,B 部分為摻Er 光纖放大器、光譜展寬、摻Y(jié)b 光纖放大器,C 部分為脈沖壓縮器、非線性倍頻及與激光拍頻.LD1—5為980 nm 激光二極管,WDM 為波分復(fù)用器,1∶3 為分束器,EDF 為摻Er 光纖,Col1—8 為準(zhǔn)直器,M1—3 為反射鏡,ISO 為隔離器,λ/2為半波片,λ/4 為1/4波片,FR 為法拉第旋光器,PZT 為壓電陶瓷促動(dòng)器,FM 為折疊鏡,G1,G2 為光柵,PPLN 為周期極化鈮酸鋰晶體,FL 為聚焦透鏡,HRM 為中空屋脊棱鏡,Beat module 為拍頻模塊,fr -servo 為重復(fù)頻率伺服鎖定系統(tǒng),f0-servo 為載波包絡(luò)偏移頻率伺服鎖定系統(tǒng))Fig.1.Diagram of the frequency measurement of I2-stabilized Nd:YAG laser based on an Er-FOFC with the spectral enhancement technique.Part A is Er-doped fiber femtosecond laser.Part B is EDFA,supercontinuum fiber,YDFA.Part C is pulse compressor,SHG module and beat frequency module.LD1-5 is a 980 nm laser diode.WDM is a wavelength division multiplexer.1∶3 is an 1∶3 beam splitter.EDF is an erbium-doped fiber.Col1-8 is a fiber collimator.M1-3 is a mirror,and ISO is an isolator.λ/ 2 is a half wave plate,λ/ 4 is a 1/4 wave plate.FR is a Faraday rotator.PZT is a piezoelectric transducer.G1,G2 are gratings.PPLN is periodically polarized lithium niobate crystal.FL are spherical lenses.HRM is a hollow ridge prism,and beat module is a beat frequency module.fr -servo is repetition frequency servo locking-loop.f0 -servo is carrier envelope offset frequency servo locking-loop.

摻Er 光纖光梳的光源為σ 腔結(jié)構(gòu)的基于NPE鎖模的摻Er 光纖飛秒激光器,采用980 nm 半導(dǎo)體抽運(yùn)光經(jīng)過波分復(fù)用器件(WDM)耦合進(jìn)光纖激光腔抽運(yùn)摻Er 增益光纖產(chǎn)生1.5 μm 激光.在σ 腔結(jié)構(gòu)的激光器中,將σ 腔的一個(gè)端鏡黏接在PZT 上實(shí)現(xiàn)對(duì)重復(fù)頻率的控制.與通過PZT 拉伸光纖的方式實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率控制的方式相比[26],此種方法避免了黏結(jié)在PZT 的光纖可能出現(xiàn)塑性形變導(dǎo)致重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍變小的風(fēng)險(xiǎn),而且PZT損壞后易于更換,更有利于光梳的長期穩(wěn)定運(yùn)行和后期維護(hù).偏振分光片(PBS1)以及法拉第旋鏡(FR)使從準(zhǔn)直器Col1 的光經(jīng)反射鏡M1 反射后偏折耦合進(jìn)準(zhǔn)直Col2 形成閉合回路.通過調(diào)節(jié)三個(gè)波片改變腔內(nèi)激光偏振狀態(tài)實(shí)現(xiàn)NPE 鎖模后從PBS2 輸出,經(jīng)反射鏡M2 后耦合進(jìn)Col3 中.從摻Er 光纖飛秒激光器輸出的激光經(jīng)過1∶3 分束器分成多路,分別滿足不同的需要.其中兩路用于探測飛秒光梳兩個(gè)信號(hào),其他路可分別進(jìn)行不同波長擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)不同覆蓋范圍的光譜輸出.

2.2 532 nm 激光的獲取

從摻Er 光纖光梳中分束后的一路激光進(jìn)入后續(xù)放大和頻率變換模塊,用于實(shí)現(xiàn)532 nm 的激光輸出.首先采用980 nm 半導(dǎo)體激光器(LD2,LD3)抽運(yùn)摻Er 光纖,對(duì)飛秒激光器的種子光進(jìn)行放大.由于放大級(jí)的回光會(huì)影響振蕩級(jí)的鎖模穩(wěn)定性,所以在振蕩級(jí)和放大級(jí)之間加入了隔離器(ISO).經(jīng)過兩級(jí)放大后通過單模光纖(SMF-28)以及調(diào)節(jié)1/2 波片和1/4 波片進(jìn)行脈寬壓縮.壓縮后的光耦合進(jìn)高線性光纖(HNLF)進(jìn)行擴(kuò)譜至1 μm.經(jīng)過可翻轉(zhuǎn)折疊鏡(FM),可選擇實(shí)現(xiàn)1 μm 波長輸出,用于與1064 nm 激光拍頻,或者進(jìn)入后續(xù)1 μm 放大-倍頻部分實(shí)現(xiàn)532 nm 波長輸出,用于與532 nm 激光拍頻.

選擇進(jìn)入后續(xù)1 μm 放大-倍頻部分的激光,首先進(jìn)入摻Y(jié)b 光纖放大器對(duì)擴(kuò)譜后的種子光進(jìn)行1 μm 波段的放大,其抽運(yùn)源仍采用980 nm 半導(dǎo)體抽運(yùn)光(LD4,LD5).經(jīng)兩級(jí)放大后從Col8 輸出.由于1 μm 波段無法用光纖補(bǔ)償放大器引入的正色散,故在光脈沖從Col8 輸出經(jīng)過1 μm 波長的1/2 波片后采用光柵對(duì)進(jìn)行脈寬壓縮,1/2 波片的設(shè)置是為了調(diào)整光束偏振以達(dá)到最佳的衍射效率.光柵對(duì)(G1,G2)選用刻痕為1000/mm,閃耀波長在1 μm 的透射式閃耀光柵,兩個(gè)閃耀光柵厚度均為1 mm.光從Col8 輸出后經(jīng)過光柵對(duì)后被中空屋脊棱鏡(HRM)反射,從略低于原來的位置反射,按原光路再次經(jīng)過光柵對(duì),完成脈沖壓縮的過程.壓縮后的脈沖經(jīng)反射鏡(M3)反射經(jīng)過焦距為30 mm 的聚焦透鏡(FL)聚焦到PPLN 晶體倍頻產(chǎn)生中心波長為532 nm 的脈沖,再經(jīng)過焦距為30 mm 的準(zhǔn)直透鏡(FL)后進(jìn)入拍頻模塊.

2.3 激光拍頻模塊

激光拍頻模塊主要是將光學(xué)頻率梳輸出的激光和被測連續(xù)激光合束到光電探測器,并利用頻譜分析儀記錄拍頻信號(hào)的信噪比,利用頻率計(jì)數(shù)器記錄拍頻信號(hào)的頻率.摻Er 光纖光梳與碘穩(wěn)頻激光器輸出激光的拍頻模塊如圖2 所示.

圖2 激光拍頻模塊圖 (其中,Comb 為光學(xué)頻率梳,CW 為待測連續(xù)光,λ/2 為半波片,PBS 為偏振分光棱鏡,G 為光柵,PD 為光電探測器,LPF 為低通濾波器,AMP 為信號(hào)放大器,Frequency counter 為微波頻率計(jì)數(shù)器)Fig.2.Beat mote module.Comb is an optical frequency comb,and CW is the continuous wavelength laser to be measured.λ/ 2 is a half wave plate.PBS is a polarizing beam splitter prism.PD is a photodetector.G is a grating.LPF is a low-pass filter.AMP is an optical amplifier.Frequency counter is a microwave frequency counter.

對(duì)于1064 nm 和532 nm 激光的測量,拍頻模塊除了器件對(duì)應(yīng)波段不同之外其余完全相同.兩路激光在PBS 合束之前,分別經(jīng)過各自1/2 波片調(diào)整偏振狀態(tài)后,在經(jīng)過偏振分光鏡實(shí)現(xiàn)光路的空間重合.為了降低光電探測過程的散粒噪聲,使用衍射光柵將不同頻率成分的激光在空間上分離,選擇待測激光的波長濾波后進(jìn)入光電探測器進(jìn)行拍頻信號(hào)測量.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

摻Er 光纖飛秒光梳的核心部分——飛秒激光器,采用980 nm 激光二極管抽運(yùn).激光二極管LD1輸出980 nm 激光通過WDM 進(jìn)入光纖激光器腔內(nèi)抽運(yùn)增益光纖(Er110-4-125,LEIKKI),其增益系數(shù)110 dB/m,群速度色散約為+0.012 ps2/m.在1 W 的功率抽運(yùn)下,摻Er 光纖激光器在未鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下PBS2 直接輸出功率130 mW.WDM兩端尾纖各保留5.5 cm 和8.5 cm,兩準(zhǔn)直器尾纖分別為17 cm 和19 cm,增益光纖為37 cm,兩準(zhǔn)直器間的光程為17.5 cm.鎖模后激光器的重復(fù)頻率為200 MHz,PBS2 直接輸出功率70 mW,經(jīng)準(zhǔn)直器Col3 耦合后輸出功率為67 mW.鎖模后的光譜如圖3 所示,其3 dB 帶寬為79.5 nm.

圖3 摻Er 光纖飛秒激光器輸出光譜Fig.3.Spectrum of the Er-doped fiber femtosecond laser.

在重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率探測的基礎(chǔ)上,通過頻率鎖定技術(shù)[26],可實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率超過30 天的長時(shí)間連續(xù)鎖定[27].重復(fù)頻率的鎖定通過控制摻Er 光纖飛秒激光器中的PZT 實(shí)現(xiàn),PZT 在100 V 電壓驅(qū)動(dòng)下,調(diào)節(jié)范圍為1.8 kHz;載波包絡(luò)偏移頻率的鎖定通過控制摻Er 光纖飛秒激光器的抽運(yùn)源——激光二極管LD1 的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn),其伺服帶寬30 kHz,對(duì)載波包絡(luò)偏移頻率的調(diào)諧曲線為1 MHz/mA,調(diào)諧范圍約為60 MHz.過大的調(diào)諧范圍會(huì)由于抽運(yùn)電流變化引起激光器狀態(tài)改變,進(jìn)而導(dǎo)致f0信噪比下降.鎖定后重復(fù)頻率的平均值為200 MHz,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.356 mHz.鎖定后載波包絡(luò)偏移頻率的平均值為20 MHz,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.923 mHz.

從摻Er 光纖光梳中飛秒激光器分束后的其中一路進(jìn)入后續(xù)放大模塊,用于實(shí)現(xiàn)532 nm 的激光輸出.飛秒激光脈沖通過一分三耦合器,耦合進(jìn)1550 nm 放大器的種子光約20 mW.摻Er 光纖放大器共兩級(jí)放大,均采用后向抽運(yùn)方式,980 nm激光二極管LD2 與LD3 最大輸出功率分別為978 mW 與961 mW.第一級(jí)放大器中增益光纖長度為70 cm,在978 mW 抽運(yùn)下種子光功率可以放大到200 mW.第二級(jí)放大中增益光纖長度為60 cm,在961 mW 抽運(yùn)下種子光功率可以放大到370 mW.

為了滿足后續(xù)1 μm 放大要求,需要盡可能地拓寬超連續(xù)光譜,而超連續(xù)光譜的拓展的關(guān)鍵在于脈沖的功率以及脈沖寬度.由于在兩級(jí)摻Er 光纖放大器中所用的增益光纖和WDM 尾纖均為正色散,因此利用負(fù)色散的單模光纖SMF-28 來補(bǔ)償正色散所帶來的光譜展寬.通過不斷調(diào)整WDM 尾纖以及Col4 的尾纖長度,調(diào)節(jié)1/2 波片和1/4 波片組,最終把脈寬可以壓縮到了45.7 fs.壓縮后的強(qiáng)度自相關(guān)曲線如圖4 所示,脈沖形狀符合雙曲正割曲線.

圖4 種子光放大壓縮后脈沖的自相關(guān)曲線Fig.4.Autocorrelation trace of the dechirped pulse after the Er-fiber amplifier.

壓縮后的光脈沖通過Col5 耦合進(jìn)HNLF 中,耦合后準(zhǔn)直器Col5 輸出359 mW,耦合效率約為97%,選用的HNLF 零色散點(diǎn)在1550 nm 附近.HNLF 的擴(kuò)譜效果不僅僅與脈寬有關(guān),光束的偏振狀態(tài)和長度也會(huì)影響擴(kuò)譜的效果.通過調(diào)整Col5 的尾纖長度以及HNLF 長度以及旋轉(zhuǎn)1/2 波片和1/4 波片組合達(dá)到最佳擴(kuò)譜效果.經(jīng)過優(yōu)化后Col5 的尾纖長度為20 cm,HNLF 長度為46 cm.展寬后的超連續(xù)光譜覆蓋到了1000 nm,如圖5 所示.擴(kuò)譜后輸出脈沖平均功率為180 mW.

圖5 經(jīng)高非線性光纖擴(kuò)譜后超連續(xù)光譜Fig.5.Supercontinuum spectrum after high nonlinear optical fiber.

擴(kuò)譜后的光進(jìn)入到摻Y(jié)b 光纖放大器對(duì)其中的1 μm 波段激光進(jìn)行放大.摻Y(jié)b 光纖放大器采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu),均采用后向抽運(yùn)方式.為了保護(hù)兩級(jí)放大器抽運(yùn)源(LD4,LD5)抽運(yùn),在WDM 和抽運(yùn)源之間加入了980 nm 光隔離器.LD4 和LD5經(jīng)過光隔離器后的最大輸出功率分別為900 mW和865 mW.兩級(jí)放大器采用的摻Y(jié)b 增益光纖(SCF-Yb550/125-19)長度分別為27 cm 和23 cm.經(jīng)過第一級(jí)放大后,脈沖的平均功率提到了390 mW,此后在經(jīng)過第二級(jí)放大器后,平均功率達(dá)到601 mW.經(jīng)過兩級(jí)摻Y(jié)b 放大器后所獲得的光譜如圖6(a)所示,從光譜圖可以看出被放大的波段覆蓋至1064 nm,達(dá)成了倍頻至532 nm 所需要的條件.采用透射式閃耀光柵對(duì)進(jìn)行1 μm 的脈沖進(jìn)行壓縮,閃耀光柵對(duì)光柵常數(shù)為1000 線/mm,入射角度約為32°,光柵對(duì)距離為1.2 cm.壓縮后光脈沖平均功率為420 mW,壓縮后脈寬84.6 fs,其強(qiáng)度自相關(guān)曲線如圖6(b)所示,脈沖形狀符合雙曲正割擬合.

圖6 1 μm 波段激光放大及壓縮后曲線(a) 經(jīng)摻Y(jié)b 光纖放大后的光譜圖;(b) 光柵對(duì)壓縮后脈沖自相關(guān)曲線Fig.6.Spectra and autocorrelation traces the dechirped pulse after the Yb-fiber amplifier: (a) Spectra;(b) autocorrelation trace.

壓縮后脈沖經(jīng)反射鏡進(jìn)入PPLN 晶體進(jìn)行倍頻.系統(tǒng)中采用的PPLN 晶體為多通道結(jié)構(gòu),晶體周期6.97 μm,晶體通光截面尺寸為0.5 mm×1 mm.為了提升倍頻效率以獲得盡可能高的532 nm脈沖功率,PPLN 通光長度為10 mm,晶體前后表面分別鍍有對(duì)1064 nm 和532 nm 中心波長的寬帶減反膜,反射率小于1%.在PPLN 上加裝了溫控裝置,以調(diào)節(jié)倍頻光的中心波長,溫控裝置調(diào)節(jié)范圍20—95 ℃,調(diào)節(jié)精度0.01 ℃,最終在溫控裝置設(shè)置溫度61.25 ℃時(shí)倍頻光輸出波長覆蓋532 nm,如圖7 所示.倍頻脈沖平均功率155 mW,倍頻效率約為36%.

將摻Er 光纖光梳獲得的532 nm 激光與碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器的532 nm 倍頻光耦合進(jìn)入拍頻模塊進(jìn)行拍頻,經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化在分辨率帶寬(RBW)為100 kHz 的條件下,可以很容易實(shí)現(xiàn)40 dB 信噪比的拍頻信號(hào),如圖8(a)所示.與采用將放大后種子光經(jīng)PPLN 倍頻后耦合進(jìn)PCF 直接擴(kuò)譜覆蓋到532 nm 波段進(jìn)行拍頻的結(jié)果相比[24],信噪比提升了13 dB,并且在幾天的連續(xù)監(jiān)測過程中未發(fā)現(xiàn)有信噪比下降的風(fēng)險(xiǎn).這說明采用本方案不僅可以獲得高信噪比的拍頻信號(hào),更重要的是可以形成信噪比非常穩(wěn)定的拍頻信號(hào),有利于后續(xù)對(duì)穩(wěn)頻激光器的長期的頻率監(jiān)測.

圖8 摻Er 光纖光梳與碘穩(wěn)頻532 nm 激光器拍頻信號(hào)(a)與倍頻光532 nm 激光拍頻信號(hào);(b)與基頻光1064 nm激光拍頻信號(hào)Fig.8.Beat note signal between the Er-FOFC and an I2-stabilized Nd:YAG laser: (a) Beat note signal at 532 nm;(b) beat note signal at 1064 nm.

為了更有效地對(duì)比532 nm 波段的頻率測量結(jié)果,在光梳光經(jīng)HNLF 后使用折疊鏡分出一路脈沖,與小型化碘穩(wěn)頻532 nm 激光器的基頻光1064 nm 波段耦合進(jìn)拍頻裝置進(jìn)行拍頻,拍頻信號(hào)如圖8(b)所示,在RBW 為100 kHz 條件下,信噪比優(yōu)于40 dB.

4 激光測量結(jié)果

考慮到光學(xué)頻率梳測量結(jié)果的可溯源性,本系統(tǒng)以國家時(shí)間頻率基準(zhǔn)——激光冷卻銫原子噴泉鐘(NIM5)為信號(hào),通過其定期校準(zhǔn)的10 MHz 氫鐘信號(hào)作為光學(xué)頻率梳的參考信號(hào),也可以通過溯源到國際單位制(SI)秒定義的氫鐘提供的10 MHz信號(hào)作為光學(xué)頻率梳的參考信號(hào).前者形成獨(dú)立自主的激光波長向國家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的溯源,后者實(shí)現(xiàn)激光波長向SI 秒定義的溯源,均形成了激光波長與時(shí)間頻率基準(zhǔn)的連接.氫鐘輸出10 MHz 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào),1 s 頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-13,氫鐘到SI秒定義鏈路不確定度優(yōu)于5×10-16.

碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的國際推薦頻率值為(563260223513±5) kHz,不確定度為8.9×10-12.被測碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器是中國計(jì)量科學(xué)研究院自行研制的穩(wěn)頻激光標(biāo)準(zhǔn).激光器為半導(dǎo)體抽運(yùn)Nd:YAG 半非平面單塊環(huán)形激光器,倍頻晶體為單次通過PPKTP,可輸出2 W的1064 nm 基頻光和100 mW 的532 nm 倍頻光.為了驗(yàn)證測量結(jié)果,采用分別測量基頻光1064 nm和倍頻光532 nm 絕對(duì)頻率的方式獲得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值.

在利用單次測量倍頻光532 nm 絕對(duì)頻率的方式獲得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值時(shí),摻Er 光纖光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率fr的鎖定值為199969.97 kHz,載波包絡(luò)偏移頻率f0的鎖定值為20000 kHz.由于在測量倍頻光532 nm 絕對(duì)頻率時(shí),采用的是光學(xué)頻率梳基頻光倍頻的方式獲取532 nm 波段輸出,所以在計(jì)算頻率時(shí)載波包絡(luò)偏移頻率f0的前面要乘以系數(shù)2.頻率計(jì)數(shù)器記錄拍頻頻率fb的頻率值,采樣時(shí)間為1 s,總測量時(shí)間約為10 h,有效點(diǎn)數(shù)38067,如圖9(a)所示.拍頻頻率fb的平均值為70265.271 kHz.碘穩(wěn)頻532 nm激光中聲光調(diào)制器移頻fAOM為-40000 kHz.由碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的國際推薦頻率值估算的梳齒序數(shù)為N=2816724.在判斷f0和fb前符號(hào)的基礎(chǔ)上,通過記錄fb值,利用(1)式可以得到待測激光的絕對(duì)頻率.此后,去除待測激光中聲光調(diào)制器移頻后,可以得到碘127I2的a10峰R(56)32-0 吸收線的頻率值為563260223513 kHz,測量相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.4×10-15.

圖9 摻Er 光纖光梳與碘穩(wěn)頻532 nm 激光器拍頻信號(hào)計(jì)數(shù)結(jié)果(a) 與倍頻光532 nm 激光拍頻信號(hào)計(jì)數(shù)結(jié)果;(b) 與基頻光1064 nm 激光拍頻信號(hào)計(jì)數(shù)結(jié)果Fig.9.Beat note signal counting results between the Er-FOFC and an I2-stabilized Nd:YAG laser: (a) Beat note signal counting result at 532 nm;(b) beat note signal counting result at 1064 nm.

在利用單次測量基頻光1064 nm 絕對(duì)頻率的方式獲得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值時(shí),摻Er 光纖光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率fr的鎖定值為199969.9593 kHz,載波包絡(luò)偏移頻率f0的鎖定值為20000 kHz.頻率計(jì)數(shù)器記錄拍頻頻率fb的頻率值,采樣時(shí)間為1 s,總測量時(shí)間約為16 h,有效點(diǎn)數(shù)59239,如圖9(b)所示.拍頻頻率fb的平均值為20063.161 kHz.碘穩(wěn)頻532 nm 激光中聲光調(diào)制器移頻-40000 kHz,折合到基頻光1064 nm移頻為-20000 kHz.由碘127I2的a10峰R(56) 32-0吸收線的國際推薦頻率值估算的梳齒序數(shù)為N=1408362.在判斷f0和fb前符號(hào)的基礎(chǔ)上,通過記錄fb值,利用(1)式可以得到待測激光的絕對(duì)頻率.此后,去除待測激光中聲光調(diào)制器移頻后,可以得到碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值為563260223513 kHz,測量相對(duì)擴(kuò)展不確定度為1.9×10-15.

從測量結(jié)果可以看出,無論是采用對(duì)碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器的基頻光1064 nm 還是倍頻光532 nm 的頻率測量,所得到的碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值均在國際推薦值的不確定度范圍之內(nèi).兩次測量結(jié)果的微小差異由于采用的是非同時(shí)測量引入,從國際推薦值的不確定度范圍考慮,可以予以忽略.

5 總結(jié)

本文主要介紹了摻Er 光纖光學(xué)頻率梳向532 nm波段的擴(kuò)展的研究工作,在自行搭建的摻Er 光纖NPE 鎖模飛秒激光器引出一路做放大-壓縮-擴(kuò)譜-放大-壓縮-倍頻的光譜擴(kuò)展方案,完成了1550 nm波段的光梳光譜向532 nm 波段的擴(kuò)展,1550 nm波段放大后輸出平均功率370 mW,擴(kuò)譜后平均功率180 mW,再次經(jīng)過1 μm 波段放大后輸出功率601 mW,經(jīng)過光柵對(duì)壓縮后功率420 mW,再經(jīng)過PPLN:MgO 光譜成功覆蓋532 nm 波段,功率為155 mW.利用該系統(tǒng)分別對(duì)碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出的基頻光1064 nm 和倍頻光532 nm進(jìn)行拍頻,均獲得了優(yōu)于40 dB 信噪比的拍頻信號(hào),后續(xù)進(jìn)行了超過10 h 的連續(xù)測量,測量結(jié)果與國際推薦值保持一致.

對(duì)碘穩(wěn)頻532 nmNd:YAG 激光器進(jìn)行頻率標(biāo)定,不僅有助于對(duì)復(fù)現(xiàn)“m”的定義,將長度單位“m”溯源至“s”,也可以滿足在自由落體型絕對(duì)重力儀系統(tǒng)中,重力基準(zhǔn)溯源體系下面的頻率/長度標(biāo)準(zhǔn)溯源系統(tǒng)長度標(biāo)準(zhǔn)溯源裝置的建設(shè)需求.對(duì)于其他波段激光器如515 nm,也可用類似本文提出的方法獲得高信噪比且穩(wěn)定的拍頻信號(hào),推進(jìn)我國在光鐘以及絕對(duì)重力探測領(lǐng)域的研究發(fā)展.