研究背景

       飛秒光頻梳在時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，可以實現(xiàn)原子鐘精度的絕對頻率測量，是天然的時頻基準。飛秒光頻梳在精密測量、光譜學、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)和動力學的透徹理解通常涉及到寬頻率范圍內(nèi)的詳細光譜分析。借助中紅外光頻梳，也可以在大動態(tài)范圍內(nèi)精確研究分子樣品的組成變化。

創(chuàng)新工作

       天津大學超快激光研究室胡明列教授團隊基于光纖結(jié)構(gòu)，設(shè)計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行頻率擴譜，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驗裝置圖

       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度噪聲和脈沖序列的相位噪聲，其相對強度噪聲和時間抖動的積分值分別為1.16%和472 fs(積分范圍10 Hz~1 MHz)。

       同時為了驗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激光器輸出激光進行拍頻，獲得信噪比為40 dB的拍頻信號，滿足頻率計數(shù)器的計數(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)和動力學的光譜分析提供了強大的工具，有助于光頻梳進一步向分子指紋譜范圍(3~20 μm)擴展。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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