[01345646]高重复频率环形腔光纤激光器及频率梳

光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器,例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、精细结构常数测量、引力波的测量、微重力的测量、系外行星探测、高精度绝对距离测量、高精度快速傅里叶变换光谱学、光频与射频之间的转换装置、导航定位、时间频率标准传递等。20世纪90年代飞秒激光器的发展以及光子晶体光纤的发明,为频率梳的研究带来了契机。国外频率梳的研究以Max-Plank研究所和Colorado大学、美国国家标准局NIST的研究最为著名。Max-Plank研究所的T. Hansch 和Colorado大学的J. Hall因为在频率梳方面的杰出贡献而被授予2005年诺贝尔物理学奖。 光学频率梳中的任意梳齿频率由f（n）=fceo+N frep表示。其中frep（脉冲重复频率）为频率间隔,fceo为初始频率。而测量和稳定fceo需要将激光脉冲飞光谱展宽成倍频程带宽。早期的频率梳都基于钛宝石激光器。但是由于其体积大、功耗高、长期稳定性差和价格高,钛宝石激光器逐渐让位于小体积、低功耗及低成本的光纤激光器。但飞秒光纤激光器也有一些缺点,脉冲重复频率低,脉冲宽。在做成激光频率梳时,脉冲能量低和脉冲宽已经成为直接产生倍频程带宽进而获得初始频率信号的障碍。 本项目致力于解决光纤激光频率梳中的以上关键问题,发展高重复频率、低脉冲能量频率梳。本项目的研究目标是,通过独立研制的重复频率250MHz以上的掺镱光纤激光器发出的激光脉冲,不经放大直接通过独立研制的拉锥光子晶体光纤扩谱至倍频程带宽,通过拍频法获得高信噪比的fceo信号。最后通过电子系统锁定frep和fceo信号,形成频率梳。 本项目在激光器在理论和实验上获得了新的突破：在理论上,发展出了色散控制锁模和放大自相似锁模等新理论和新机制;在实验上,应用这些理论已经在光纤激光器上实现了750MHz、小于50 fs的直接脉冲输出。高重复频率、nJ能量、小于50fs的脉冲,并在自行研制的拉锥光子晶体光纤上直接获得了超倍频程带宽。利用这个带宽,获得了40dB信噪比的fceo信号,并将其锁定在原子钟上,至此完成新型光纤激光频率梳。 本项目研制的新型光纤激光频率梳与国外的频率梳相比有如下突出优点： 1.新技术和新器件光纤激光器的重复频率最高可达750MHz,因此做成频率梳测量光学频率时,不需要非常高精度的波长计,降低了辅助设备的成本; 2.直接输出最短光脉冲,使不需要很高脉冲能量就能在光子晶体光纤中获得倍频程带宽; 3.不需要光放大和压缩,因此减少了放大器带来的放大的自发辐射的噪声,提高了初始频率信号的信噪比。同时简化了频率梳系统,使其更加稳定。 从应用角度讲,可见光域的频率梳正在发现越来越多的应用,特别是锶光钟和钙原子光钟的频率都在可见光域,锶光钟和钙原子光钟的锁定以及由光频到射频的转换需要稳定的频率梳。另外,类地行星探测则要求覆盖整个可见光域。因此,研制覆盖整个可见光波段的频率梳成为必要。基于工作在1030nm波长的掺Yb飞秒光纤激光器的频率梳的初步实验表明,其扩谱后的光频可直接覆盖500nm至1700nm。 无论从科学应用价值和市场推广价值来看,此项目将创造很大的经济效益和社会效益。