用于等效時(shí)間采樣應(yīng)用的空間多路單腔雙光梳激光器

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介紹

雙光學(xué)頻率梳(簡(jiǎn)稱(chēng)雙光梳)[1]的概念在光頻梳被提出后不久被引入[2-4]。在時(shí)域上，雙光梳可以理解為兩個(gè)相干光脈沖序列，它們的重復(fù)頻率有輕微的偏移。自問(wèn)世以來(lái)，雙光梳光源及其應(yīng)用一直一個(gè)重要研究課題[5]。雙光梳光源與早期用于泵浦探測(cè)測(cè)量的激光系統(tǒng)有許多相似之處。特別是，利用兩種不同重復(fù)頻率對(duì)超快現(xiàn)象進(jìn)行采樣的想法，早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)通過(guò)等效時(shí)間采樣概念的演示進(jìn)行了探索[6,7]。在這種情況下，通過(guò)frep/Dfrep的因子，超快動(dòng)態(tài)過(guò)程在時(shí)域中被縮小到更慢的等效時(shí)間。這里frep是采樣頻率，Dfrep是采樣頻率與激發(fā)重頻的差值。這個(gè)概念很快通過(guò)一對(duì)相互穩(wěn)定的鎖模激光器實(shí)現(xiàn)，通常被稱(chēng)為異步光采樣(ASOPS)[8]。雙光梳方法和ASOPS激光系統(tǒng)的一個(gè)顯著區(qū)別是兩個(gè)脈沖序列鎖在一起的相位和定時(shí)的精度。因?yàn)殡p光梳鎖模的發(fā)明，特別是在一個(gè)自由運(yùn)行的激光腔產(chǎn)生兩個(gè)光頻梳，這個(gè)邊界已經(jīng)變得模糊。這種激光器最初是在光纖[9]和固態(tài)[10,11]增益材料中實(shí)現(xiàn)的，隨后出現(xiàn)了大量的激光腔多路復(fù)用方法[12]。由于脈沖在同一腔內(nèi)循環(huán)，它們經(jīng)歷類(lèi)似的干擾，導(dǎo)致相關(guān)的噪聲特性，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用[13]來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。類(lèi)似地，與電子鎖定異步光采樣ASOPS系統(tǒng)相比，由于共腔結(jié)構(gòu)和鎖模激光器振蕩器的優(yōu)秀無(wú)源穩(wěn)定性，有降低時(shí)間抖動(dòng)的潛力[14,15]。此外，由于這些系統(tǒng)顯著降低了復(fù)雜性(一個(gè)振蕩器，沒(méi)有復(fù)雜的鎖定電子設(shè)備)，它們可以在雙光梳激光器通常無(wú)法達(dá)到的新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)際測(cè)量。另一方面，自由運(yùn)行的激光器容易受到相對(duì)光學(xué)相位漂移和兩個(gè)脈沖序列之間重復(fù)頻率差異的影響，這必須加以考慮。

迄今為止，單腔雙頻梳激光器的運(yùn)行通常是在激光設(shè)計(jì)或性能上的折衷。例如，將無(wú)源雙折射晶體插入腔中[10]，用雙折射增益元件對(duì)偏腔線[16]，分割激光增益帶寬[17]，或利用環(huán)形腔的雙向運(yùn)行[9,11]。最近，在高功率鎖模薄片激光器結(jié)構(gòu)中也研究了涉及獨(dú)立腔端鏡的空間分離模概念[18,19]。然而，在這些最新的實(shí)現(xiàn)中，并不是所有的內(nèi)腔組件都是共享的以便降低常規(guī)噪聲抑制。

在這篇文章中，我們提出了一種激光腔多路復(fù)用的新方法，通過(guò)在表面插入一個(gè)具有兩個(gè)獨(dú)立角度的單片器件，例如雙棱鏡，使空間分離模式存在。因此，通過(guò)在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b雙棱鏡，可以將對(duì)單光頻梳操作最優(yōu)的空腔適應(yīng)為雙光頻梳空腔。利用這種方法，在80 MHz重復(fù)頻率，在脈沖小于140fs的情況下，我們從單個(gè)固體激光器腔中獲得了2.4 W的平均功率。兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率差可在[- 450Hz, 600Hz]范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。表征得到脈沖之間的相對(duì)時(shí)序噪聲為僅為光周期的一小部分：在[20 Hz至100 kHz]的綜合帶寬下為2.2 fs。這是迄今為止報(bào)告的在這個(gè)頻率范圍內(nèi)自由運(yùn)行的雙梳激光器中最低的相對(duì)時(shí)間噪聲。此外，我們?cè)诙嗦窂?fù)用元件上應(yīng)用壓電反饋來(lái)抵消低頻環(huán)境干擾和漂移，因此我們可以在超過(guò)5小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為70mHz的重復(fù)頻率差穩(wěn)定性。

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諧振腔設(shè)計(jì)與振蕩器性能

圖1所示。(a)激光腔布局。泵浦使用一個(gè)980nm多模二極管。DM:泵浦/激光二色性，OC:激光輸出耦合器， 5.5%的激光透過(guò)率，泵浦光高透過(guò)率。增益介質(zhì)是摻雜4.5%的Yb:CaF2晶體 [20]。該腔采用具有介電介質(zhì)頂部涂層的多量子阱SESAM，獲得高飽和通量Fsat=142?J/cm2，調(diào)制深度?R=1.1%。(b)激光輸出功率和脈沖持續(xù)時(shí)間隨總泵浦功率的變化。

圖1(a)顯示了我們的自由運(yùn)行雙光頻梳激光腔的布局。我們使用多模泵浦二極管和端泵浦腔結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于我們之前報(bào)道的偏振復(fù)用雙梳狀激光器的配置[20,21]。然而，與過(guò)去的報(bào)道相反，在有源元件，即增益晶體和半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)上的空間分離是通過(guò)插入一個(gè)具有高度反射涂層的雙棱鏡來(lái)獲得的。通過(guò)使用一個(gè)頂角179°的雙棱鏡，我們獲得了在增益介質(zhì)上模式分離1.6 mm和在SESAM上模式分離1 mm。圖1(b)顯示了掃描泵浦功率時(shí)單個(gè)光梳的性能。該孤子鎖模激光器的最大工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)2.4 W平均輸出功率，脈沖持續(xù)時(shí)間分別為138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，激光器的光對(duì)光效率為40%。

我們得到了兩個(gè)光頻梳的自啟動(dòng)鎖模。在最高輸出功率下的激光輸出診斷如圖2(a-b)所示，這表示基模鎖定是很干凈的。壓電致動(dòng)器可以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)雙棱鏡的橫向位置，把其安裝在一個(gè)平移臺(tái)上，該平移臺(tái)可通過(guò)壓電致動(dòng)器進(jìn)行大范圍的任意步進(jìn)調(diào)節(jié)。雙棱鏡的平移可以調(diào)整兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率差，從-450 Hz到600 Hz，對(duì)激光輸出性能的影響可以忽略不計(jì)(圖2(c))。在較大的行程時(shí)，雙棱鏡頂點(diǎn)上的模削效應(yīng)導(dǎo)致輸出功率的降低。

圖2所示。(a)用光譜分析儀(分辨率設(shè)置為0.08 nm)測(cè)量對(duì)數(shù)尺度下的激光輸出光譜。(b)用微波頻譜分析儀分析快速光電二極管產(chǎn)生的光電流的歸一化功率譜密度。插圖顯示放大的兩個(gè)射頻梳的一次諧波。(c)雙棱鏡側(cè)面不同位置的重復(fù)頻率差異。

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噪聲特性

接下來(lái)，我們?cè)u(píng)估了共腔方法獲得兩個(gè)脈沖序列與低相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)有效性。首先，我們進(jìn)行相位噪聲特性，試圖獲得每個(gè)單獨(dú)的脈沖序列的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)。我們?cè)谝粋€(gè)快速光電二極管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上檢測(cè)每個(gè)脈沖序列，并選擇帶有可調(diào)諧帶通濾波器的第6個(gè)重復(fù)頻率諧波。該信號(hào)通過(guò)信號(hào)源分析儀(SSA) (E5052B, Keysight)進(jìn)行分析。得到的相位噪聲功率譜密度(PSD)和綜合時(shí)間抖動(dòng)如圖3所示。從測(cè)量中我們看到，每一個(gè)單獨(dú)的脈沖序列的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)非常小，相位噪聲PSD看起來(lái)幾乎相同。為了測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖序列之間的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的相關(guān)性，我們開(kāi)發(fā)了一種基于梳齒跳動(dòng)的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)使用了兩個(gè)單頻連續(xù)激光器[22]。這種相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)可以揭示任意重復(fù)頻率差下自由運(yùn)行的雙梳激光的不相關(guān)噪聲。得到的不相關(guān)的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)在圖3中用黑線表示。我們發(fā)現(xiàn)相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)平均比絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)低25dB，這表明由于單腔結(jié)構(gòu)，有很好的共相位噪聲抑制。集成的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)為2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。這表明，即使在較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)，也可以從自由運(yùn)行的激光腔獲得亞周期相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)。

圖3所示。(a)使用信號(hào)分析儀測(cè)量每個(gè)脈沖序列的絕對(duì)(紅色和藍(lán)色)時(shí)序噪聲。使用[22]中描述的方法測(cè)量的兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)(黑色)。(b)時(shí)序噪聲曲線積分得到的時(shí)序抖動(dòng)。

我們開(kāi)發(fā)了這種激光器用于等效時(shí)間采樣應(yīng)用，如泵浦探測(cè)光譜和皮秒超聲[20]。因此，我們還沒(méi)有詳細(xì)研究該光源如何適用于需要長(zhǎng)期相對(duì)光學(xué)相位穩(wěn)定性的高分辨率雙梳光譜。在50毫秒的采集周期內(nèi)，可以觀測(cè)到一些射頻梳齒結(jié)構(gòu)。然而，精確的雙光梳光譜學(xué)應(yīng)用仍然依賴(lài)于用一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波激光器跟蹤光學(xué)相位波動(dòng)，例如通過(guò)自適應(yīng)采樣方法，如[23]中的展示。從圖3可以觀察到，在700 Hz和1600 Hz附近有幾個(gè)噪聲峰值，這可能是由機(jī)械共振引起的，因此可以通過(guò)仔細(xì)的光學(xué)機(jī)械優(yōu)化來(lái)消除。然而，這些共振降低了兩個(gè)脈沖序列之間的相位相干性。由于較大的光帶寬和相對(duì)較低的80 MHz的重頻，混疊條件要求在500 Hz以下的重頻差范圍內(nèi)使用。在這樣的低頻率下，機(jī)械噪聲比如來(lái)自上述諧振，將影響相互相位相干性。更適合自由運(yùn)轉(zhuǎn)雙光梳光譜的結(jié)構(gòu)包括更高的重頻和重頻差異，如[13,22]，在此機(jī)制中提出的技術(shù)探索將是未來(lái)工作的主題。在這篇文章中，我們著重于將這種新光源應(yīng)用于泵浦探測(cè)光譜的應(yīng)用，在這里，激光的峰值功率可以用來(lái)直接激發(fā)非線性過(guò)程。80MHz的重頻可以實(shí)現(xiàn)12.5 ns的大延遲掃描范圍，超低的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)可以用于精確的時(shí)間軸校準(zhǔn)。

激光相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)是任何快速采樣應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)之一。我們?cè)谝韵赂邉?dòng)態(tài)范圍測(cè)量配置中分析了我們的激光器的RIN。我們使用一個(gè)光電二極管，每個(gè)光頻梳的平均梳齒功率同時(shí)設(shè)定為10mW。為了獲得RIN光譜，我們使用SSA進(jìn)行基帶測(cè)量。首先，我們用一個(gè)低噪聲跨阻抗放大器(DLPCA-200, Femto)測(cè)量低頻分量(<200 kHz)。為了測(cè)量更高頻率的分量，我們用一個(gè)偏置TEE (BT45R, SHF通信技術(shù)AG)分割信號(hào)的交流和直流部分。交流部分用低噪聲電壓放大器(DUPVA-1-70, Femto)放大。將兩個(gè)測(cè)量值拼接在一起，得到每個(gè)光頻梳的完整RIN譜，如圖4所示。我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)光梳的綜合RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。

圖4所示各光梳的相對(duì)強(qiáng)度噪聲譜。根據(jù)光電二極管的規(guī)格和測(cè)量的輸入功率計(jì)算散粒噪聲極限

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等效時(shí)間采樣應(yīng)用

為了使激光器應(yīng)用于泵浦探測(cè)光譜應(yīng)用，我們將它與一個(gè)光參量振蕩器(OPO)的一個(gè)輸出光束耦合。OPO能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)的多色泵浦探測(cè)測(cè)量。此外，由于OPO是同步泵浦，兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)間保持不變。我們用PPLN晶體(HC Photonics)設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)諧振在1600nm的OPO。用2 W輸出的comb1泵浦可獲得876 mW的信號(hào)光。同時(shí)，我們還產(chǎn)生了OPO信號(hào)的二次諧波，以獲得800 nm的光，測(cè)量脈沖周期為151 fs，平均功率為390 mW。從振蕩器輸出的comb2可輕松倍頻獲得526 nm的光，使該激光源成為各種波長(zhǎng)下理想的光譜學(xué)工具。

為了在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)也能獲得重頻差的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)慢反饋閉環(huán)。comb1和comb2的部分功率發(fā)送到基于BBO的光學(xué)互相關(guān)器。我們使用一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)算互相關(guān)信號(hào)之間的時(shí)間來(lái)跟蹤重頻差的波動(dòng)，類(lèi)似于[20,21]中使用的方法。為此，我們使用了一個(gè)定制的FPGA模塊，該模塊能以100Hz或更高的采集速率下獲取comb1和comb2的重頻差，精度優(yōu)于10-6。記錄的重頻差信號(hào)在計(jì)算機(jī)上處理，通過(guò)調(diào)節(jié)施加到壓電致動(dòng)器上的電壓來(lái)對(duì)復(fù)用元件進(jìn)行校正。電壓信號(hào)以大約Dfrep的速率更新。

為了驗(yàn)證兩組多色脈沖序列的相對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們用另一種光學(xué)互相關(guān)裝置測(cè)量重頻差，如圖5(a)所示。我們將OPO倍頻輸出(800 nm，comb1)與直接激光輸出(1052 nm，comb2)相互關(guān)聯(lián)。在超過(guò)5小時(shí)的時(shí)間窗口中，我們發(fā)現(xiàn)重頻差波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為70mHz，如圖5(b)所示。

圖5所示。(a)帶兩個(gè)光學(xué)交叉相關(guān)器(XCORR)的多色等效時(shí)間采樣裝置。XCORR 1用于向激光提供慢反饋，XCORR 2用于執(zhí)行環(huán)外測(cè)量。(b)使用XCORR 2的長(zhǎng)期重頻差Dfrep穩(wěn)定性。Dfrep設(shè)置為300Hz。

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結(jié)論

我們展示了一種新穎的激光腔復(fù)用方法，該方法允許在同一振蕩器中存在兩個(gè)空間分離的準(zhǔn)共徑腔模式。我們可以實(shí)現(xiàn)同步的模式鎖定，每路輸出脈寬少于140 fs，平均功率超過(guò)2.4 W。我們還描述了綜合帶寬20 Hz到100 kHz范圍內(nèi)的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)在亞周期范圍內(nèi)。我們進(jìn)一步將這種強(qiáng)大的固態(tài)激光器與OPO耦合，以獲得泵浦探測(cè)采樣應(yīng)用的多色光輸出配置。為了消除任何可能改變重復(fù)頻率差的緩慢環(huán)境漂移，我們?cè)陔p棱鏡位置上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于緩慢交叉校正的反饋環(huán)路，使我們獲得了長(zhǎng)期性能良好的雙光梳。因此，我們的系統(tǒng)結(jié)合了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)：共腔雙光梳激光器的高被動(dòng)穩(wěn)定性和簡(jiǎn)單性，以及對(duì)鎖定激光系統(tǒng)漂移的免疫性。我們的結(jié)果證明了新的激光腔多路復(fù)用方法的實(shí)用性，并顯示其在泵浦探測(cè)和等效時(shí)間采樣應(yīng)用中的巨大潛力。