脉冲光纤激光器及超稳光纤光学频率梳的实验研究

发布时间：2017-12-20 12:15

  本文关键词：脉冲光纤激光器及超稳光纤光学频率梳的实验研究　出处：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：现代科学技术的发展紧密依赖精密计量科学的推进。光学频率梳的出现,实现了光学频率和微波频率之间的精密链接。同时,光学频率梳作为光学精密测量领域革命性的重大突破,将精密计量科学推至新的极致。宽光谱、高稳定性等特性使其成为精密光谱学研究的强大工具,并且在时间频率标准传递、基本物理定律验证、阿秒脉冲产生、系外行星探测等方面具有开拓性的应用前景。其中,光纤光学频率梳因具有体积小、稳定性、操作简单等优点,已经成为了当前光学频率梳发展的主流技术之一。另外,低相噪的光纤光学频率梳因为具有更窄的梳齿线宽和更高的频率稳定性必将进一步革新精密测量技术,已成为超快光学领域的前沿研究热点之一。鉴于光纤光学频率的重要应用前景,本论文在光纤光学频率梳的种子源及稳定性等方面开展了实验研究,其主要研究内容和获得的结果如下:1.研制了最窄脉宽和最低相噪的光纤光学频率梳种子源。针对光纤光学频率梳的核心光源—种子源,研究了掺铒光纤激光器(Er-doped fiber laser,EDFL)特性,实现了几种不同机制的超短脉冲激光输出。首先,基于非线性偏振旋转锁模技术(Nonlinear Polarization Rotation,NPR)研制了一套掺铒光纤振荡器,腔内置有电光调制晶体用于实现重复频率的控制;采用光纤输出用于提高后续放大过程中的功率稳定性。其次,利用二维纳米材料制备了新型可饱和吸收体(Saturable absorber,SA),并基于脉冲激光混合调制技术,实现了纳秒量级调Q和锁模脉冲输出。与其他同类型的光纤激光器相比,本文所研制的光纤激光器的脉宽最窄、光谱最宽、定时抖动最低。2.初步实现掺镱光纤光学频率梳梳齿和偏移频率的整体控制,参考源为射频参考源。自行搭建?-2?系统实现载波包络相移(ceof)的测量,获得信噪比为40dB(100kHz分辨率)的ceof信号,通过负反馈调节泵浦电流和腔内尖劈插入量实现ceof信号的精密锁定,获得1.2×10-17/s的频率稳定性。对于重复频率(repf)的锁定,提取repf的4次谐波即1GHz的微波信号送入锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)电路,通过调节腔内压电陶瓷上的驱动电压改变腔长,获得2×10-12/s的频率稳定性,受限于参考源的稳定度为10-12/s量级。锁定前,自由运转下repf的时间抖动(Time jitter)为320ps(积分范围为1Hz到1MHz),锁定之后的Time jitter为52ps。证明PLL电路对repf的噪声产生了一定的抑制作用。要想进一步提高repf信号的频率稳定性,只有将参考源提升为光频参考源。3.实现了掺镱光纤光学频率梳的光谱展宽,以增强光谱中972nm成分,用于与实验室的972nm连续光(Continous Wave,CW)拍频得到高信噪比的稳定拍频信号,为实现掺镱光纤光学频率梳直接锁定至超稳激光奠定基础。在实验过程中,将振荡器输出种子光输入两级光纤放大系统,经光栅对压缩,种子光的脉宽为6.7ps,功率约30mW,放大压缩到110fs的脉冲宽度和2W的平均输出功率。然后空间耦合至光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF),产生350nm-1650nm的马鞍形超连续光谱(Supercontinuum,SC),增强了972nm成分。4.实现了环内稳定度达10-18量级的超稳掺镱光纤光学频率梳。我们首先采用Pound-drever-hall(PDH)锁定技术将972nm连续激光器锁定至超高精细度和稳定度的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)腔,得到超稳窄线宽激光器;其次,实现掺镱光梳和光频参考源的锁定。拍频信号在自由运转下的线宽约200kHz。锁定之后,线宽被压窄至毫赫兹量级,频率稳定性达到2×10-18/s。Time jitter为278as(积分范围为1Hz到1MHz)。据我们所知,该结果是迄今掺镱光纤光学频率梳中最高的频率稳定性报道。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248

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