研究背景

       飛秒光頻梳在時(shí)域上由相同間距的超短脈沖串構(gòu)成，頻域上由一系列離散、等間距且具有穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成，可以實(shí)現(xiàn)原子鐘精度的絕對頻率測量，是天然的時(shí)頻基準(zhǔn)。飛秒光頻梳在精密測量、光譜學(xué)、冷原子等相關(guān)領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用意義。

       目前，在中紅外波段，飛秒光頻梳為精密光譜學(xué)帶來一套新的工具，可用于二氧化碳、氨氣等特殊氣體檢測。此外，對分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的透徹理解通常涉及到寬頻率范圍內(nèi)的詳細(xì)光譜分析。借助中紅外光頻梳，也可以在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精確研究分子樣品的組成變化。

創(chuàng)新工作

       天津大學(xué)超快激光研究室胡明列教授團(tuán)隊(duì)基于光纖結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并搭建了高功率中紅外飛秒光頻梳。如圖1所示，該系統(tǒng)利用正色散高非線性光纖進(jìn)行頻率擴(kuò)譜，消除光譜展寬過程中反常色散帶來的噪聲敏感性；再利用一段摻銩光纖構(gòu)成的自泵浦預(yù)放大器，產(chǎn)生中心波長為1925 nm、平均功率為50 mW的飛秒激光；然后將該飛秒激光注入摻銩光纖放大器中，通過啁啾脈沖放大壓縮技術(shù)輸出中心波長2000 nm、脈沖寬度240 fs及平均功率22.72 W的飛秒脈沖。

圖1 高功率中紅外飛秒光頻梳實(shí)驗(yàn)裝置圖

       圖2(a)展示了基于摻鉺光纖飛秒光頻梳產(chǎn)生的種子光和摻銩光纖放大器輸出的光譜，圖2(b)是摻銩光纖放大器放大壓縮輸出脈沖的自相關(guān)軌跡及其雙曲正割擬合，脈沖寬度為240 fs。

圖2 摻銩光纖放大器輸出特性。(a)種子光和放大器輸出光譜；(b)壓縮脈沖的自相關(guān)軌跡

       為了分析高功率中紅外飛秒光頻梳的噪聲特性，采用信號源分析儀分別測試了輸出脈沖的相對強(qiáng)度噪聲和脈沖序列的相位噪聲，其相對強(qiáng)度噪聲和時(shí)間抖動(dòng)的積分值分別為1.16%和472 fs(積分范圍10 Hz~1 MHz)。

       同時(shí)為了驗(yàn)證高功率中紅外飛秒光頻梳是否滿足頻率測量的需求，搭建了如圖3所示的拍頻信號探測光路。高功率中紅外飛秒光頻梳注入到氟碲酸鹽高非線性光纖產(chǎn)生覆蓋1000-4000 nm的超連續(xù)光譜[圖4(a)]，和1064 nm碘穩(wěn)頻Nd：YAG激光器輸出激光進(jìn)行拍頻，獲得信噪比為40 dB的拍頻信號，滿足頻率計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)要求。

圖3 拍頻信號探測系統(tǒng)光路圖

圖4 (a) 利用氟碲酸鹽光纖獲得的超連續(xù)光譜；(b) 高功率中紅外光頻梳與 Nd∶YAG 激光器的拍頻信號

結(jié)論

       報(bào)道了一種光纖結(jié)構(gòu)的高功率中紅外飛秒光頻梳，測試了其噪聲特性，并通過拍頻信號探測系統(tǒng)驗(yàn)證了其滿足頻率測量的要求。高功率中紅外飛秒光頻梳的發(fā)展為分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的光譜分析提供了強(qiáng)大的工具，有助于光頻梳進(jìn)一步向分子指紋譜范圍(3~20 μm)擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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