張大鵬，梁志國(guó)，葉蓬

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京100080)

0 引言

1983年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì) (CIPM)推薦將127I2飽和吸收穩(wěn)頻的633 nm He-Ne激光波長(zhǎng)作為復(fù)現(xiàn)米定義的標(biāo)準(zhǔn)［1］，中航工業(yè)計(jì)量所 (CIMM)建立的633 nm碘穩(wěn)頻激光裝置于1986年被國(guó)家計(jì)量局定為國(guó)家副基準(zhǔn) (編號(hào)NO.02)。作為現(xiàn)行有效的633 nm波長(zhǎng)國(guó)家副基準(zhǔn)裝置，至今一直擔(dān)負(fù)著為國(guó)防工業(yè)及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值傳遞及溯源的工作。

飛秒激光頻率梳的出現(xiàn)，建立了微波頻率與光波頻率的直接鏈接，在實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率直接絕對(duì)測(cè)量的同時(shí)又將光頻直接溯源至具有更高精確度的時(shí)間頻率基準(zhǔn) (原子鐘)，這給波長(zhǎng)計(jì)量及光頻標(biāo)的建立帶來(lái)了革命性的進(jìn)展，而有望成為下一代光頻基準(zhǔn)的組成部分［2～4］。中航工業(yè)計(jì)量所作為現(xiàn)行有效的633 nm波長(zhǎng)國(guó)家副基準(zhǔn)裝置的保有單位，能夠利用飛秒激光頻率梳實(shí)現(xiàn)對(duì)編號(hào)NO.02激光的各峰值頻率的絕對(duì)測(cè)量成為頗具意義的工作。鑒于此，為了利用本研究小組研制的350 MHz重復(fù)頻率、650～950 nm波段鈦寶石飛秒激光頻率梳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)編號(hào)NO.02激光頻率的絕對(duì)測(cè)量，本小組在飛秒激光頻率梳重復(fù)頻率frep和載波包絡(luò)相移頻率fceo同時(shí)鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標(biāo)準(zhǔn)的前提下，分別采用棱鏡對(duì)和啁啾鏡對(duì)對(duì)脈寬進(jìn)行了壓縮，然后注入光子晶體光纖進(jìn)行擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)以期得到適用于光頻測(cè)量的覆蓋633 nm波長(zhǎng)的飛秒激光頻率梳。

1 650 nm～950 nm波段鈦寶石飛秒激光頻率梳

本實(shí)驗(yàn)中鈦寶石飛秒激光頻率梳采用“單塊”結(jié)構(gòu)，圖1給出其結(jié)構(gòu)示意圖?！皢螇K”結(jié)構(gòu)是指在獲取載波包絡(luò)相移信號(hào)fceo時(shí)采用了單獨(dú)一塊MgO:PPLN晶體來(lái)取代傳統(tǒng)方案“f-2f”結(jié)構(gòu)中的光子晶體光纖PCF與非線性干涉系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的非線性效應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)。這避免了PCF耦合精度要求高、端面容易損壞、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等致命缺點(diǎn)，同時(shí)激光器結(jié)構(gòu)更加緊湊，易于維護(hù)［5］。

圖1 650～950 nm飛秒激光頻率梳結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，飛秒激光振蕩器采用Z型折疊腔，泵浦源為半導(dǎo)體抽運(yùn)的Nd:YVO4倍頻532 nm固體激光器 (Coherent，Verdi-V8)，諧振腔內(nèi)利用啁啾鏡對(duì)(M1～M4)及光楔 (W1，W2)進(jìn)行色散補(bǔ)償，工作物質(zhì)為鈦寶石晶體Ti:s，抽運(yùn)功率在4.3 W時(shí)，鈦寶石振蕩器輸出飛秒激光脈沖的平均功率為520 mW，脈寬為7.5 fs，重復(fù)頻率為350 MHz。輸出的飛秒激光脈沖由銀鏡M5導(dǎo)入啁啾鏡對(duì) (M6，M7)及光楔 (W3，W4)進(jìn)行色散補(bǔ)償后再由銀鏡M8注入PPLN晶體，M9，M10為凹面鏡，在自相位調(diào)制 (SPM)和非線性頻率混合 (倍頻或差頻)效應(yīng)的作用下，在晶體中存在兩個(gè)有重疊光頻的飛秒激光頻率梳，重疊部分外差相干后便得到了載波包絡(luò)相移fceo;最后經(jīng)半反半透鏡M11透射的紅外波段飛秒脈沖由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)用于探測(cè)重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移fceo，圖中M12為半反半透鏡、M13為聚焦透鏡。重復(fù)頻率frep、載波包絡(luò)相移頻率fceo分別由頻率穩(wěn)定電路同時(shí)鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率上，圖2給出了重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移fceo同時(shí)鎖定后在PPLN晶體處觀察到的光譜曲線，此時(shí)該光譜未包含633 nm波段，若實(shí)現(xiàn)對(duì)633 nm光頻的絕對(duì)測(cè)量，須進(jìn)行光譜的擴(kuò)展。

圖2 650～950 nm飛秒激光頻率梳光譜曲線圖

2 光子晶體光纖擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)

光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)具有較強(qiáng)的非線性效應(yīng)和可控的色散特性，當(dāng)具有一定能量的飛秒激光脈沖通過(guò)光子晶體光纖時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻譜的極大展寬——超連續(xù)譜 (Supercontinuum，SC)，這使得光子晶體光纖成為激光頻譜擴(kuò)展的有效手段［6-8］。本實(shí)驗(yàn)中選用的是Crystal Fiber公司Femtowhite800型非線性超連續(xù)譜發(fā)生器，其采用小的纖芯直徑及大的包層纖芯折射率差來(lái)保障高的非線性系數(shù)。纖芯為有效模面積2μm2的單模光纖，長(zhǎng)度為12 cm，其色散特性由圖3給出，其零色散波長(zhǎng)為750 nm。

圖3 Femtowhite800光子晶體光纖色散特性曲線

圖1所示鈦寶石飛秒激光頻率梳的平均輸出功率為P=450 mW，重復(fù)頻率為frep=350 MHz，單脈沖能量為ε=1.29 nJ，輸出窗口處脈沖寬度為100 ps。為了獲得覆蓋633 nm波長(zhǎng)的更寬的光譜，首先需要對(duì)注入光子晶體光纖的飛秒激光頻率梳脈沖進(jìn)行脈寬壓縮，以提高脈沖的峰值功率來(lái)產(chǎn)生更強(qiáng)的非線性效應(yīng)。

常規(guī)進(jìn)行脈寬壓縮的方法采用圖4所示光路進(jìn)行，P1，P2為壓縮脈寬用棱鏡對(duì)，M1，M2為導(dǎo)光銀鏡，激光脈沖注入光子晶體光纖前由消色差物鏡Lens進(jìn)行聚焦縮束。圖5給出棱鏡對(duì)色散原理示意圖，圖中l(wèi)為棱鏡對(duì)頂間距離，β是空間啁啾引起的色散角度。

圖4 棱鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光路示意圖

圖5 棱鏡對(duì)色散示意圖

為最大限度的減少插入損耗，需要設(shè)計(jì)棱鏡使得入射角和出射角正好是布儒斯特角，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)棱鏡對(duì)后，對(duì)色散有貢獻(xiàn)的光程為p=lcosβ，棱鏡對(duì)系統(tǒng)的二階、三階群速度色散量分別為

式中:λ為光在空氣中的波長(zhǎng)，對(duì)于圖1所示寬波段光脈沖波長(zhǎng)取λ=800 nm。飛秒脈沖經(jīng)過(guò)空氣及棱鏡等色散介質(zhì)產(chǎn)生的色散，可以根據(jù)Sellmeier方程得到。在棱鏡參數(shù)確定的情況下，色散主要依賴于棱鏡對(duì)P1，P2的間距l(xiāng)，經(jīng)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)中棱鏡間距設(shè)置為70 cm，其引入的色散量為-1400 fs2，可以很好地補(bǔ)償二階色散。經(jīng)過(guò)棱鏡對(duì)壓縮脈寬后的光脈沖由銀鏡M1，M2注入光子晶體光纖，圖6給出了擴(kuò)譜后飛秒激光頻率梳的光譜曲線。相比擴(kuò)譜前，光譜向短波方向發(fā)生了“藍(lán)移”，覆蓋633 nm波長(zhǎng)，最短波長(zhǎng)低于600 nm。

在利用光譜儀持續(xù)觀測(cè)該擴(kuò)展后光譜時(shí)出現(xiàn)了整個(gè)光譜忽強(qiáng)忽弱的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致擴(kuò)展出的633 nm波長(zhǎng)成分無(wú)法用于頻率測(cè)量，這種現(xiàn)象可以從兩方面給出解釋:①實(shí)驗(yàn)中整個(gè)光路裸露于空氣中，空氣環(huán)境擾動(dòng)導(dǎo)致經(jīng)消色差物鏡聚集后的光束偏離纖芯的模場(chǎng)空間而使得光纖耦合不穩(wěn)定;②由圖1所示飛秒激光頻率梳輸出的激光脈沖，經(jīng)各器件到達(dá)光子晶體光纖PCF前的“光程臂長(zhǎng)”過(guò)大 (約1 m)，在“光程臂長(zhǎng)”中某一器件引起的光路偏離在到達(dá)PCF時(shí)均被放大，使其偏離纖芯模場(chǎng)空間。

圖6 棱鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光頻曲線圖

綜上兩點(diǎn)，“光程臂長(zhǎng)”過(guò)大是采用棱鏡對(duì)壓縮脈寬所導(dǎo)致的必然結(jié)果，并且這將導(dǎo)致該擴(kuò)譜結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)極其敏感而無(wú)法得到穩(wěn)定可用的光譜。對(duì)此，本研究小組采用啁啾鏡對(duì)代替棱鏡對(duì)進(jìn)行脈寬壓縮，光路如圖7所示。啁啾鏡對(duì)CM1，CM2采用Layertec公司產(chǎn)品，在640～1000 nm波段鍍有高反膜，反射率高于99.8%，在680～940 nm波段群速色散量為-50 fs2，在啁啾鏡對(duì)上反射22次后，引入色散量-1100 fs2，脈寬壓縮后的光脈沖由導(dǎo)光反射鏡M3反射，經(jīng)40倍消色差物鏡Lens注入光子晶體光纖 PCF獲得“藍(lán)移”后的600～950 nm寬帶光譜，通過(guò)微調(diào)光子晶體光纖空間角度時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光譜譜峰的可調(diào)，圖8給出了633 nm處于譜峰時(shí)的光譜曲線，利用光譜儀經(jīng)過(guò)對(duì)其5 h的實(shí)時(shí)觀測(cè)，該光譜曲線沒(méi)有出現(xiàn)幅值抖動(dòng)，滿足測(cè)量633 nm波長(zhǎng)激光頻率的光譜范圍需求。

圖7 啁啾鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光路示意圖

圖8 啁啾鏡對(duì)壓縮脈寬擴(kuò)譜光頻曲線圖

3 600～950 nm飛秒激光頻率梳穩(wěn)定度分析

以上擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)均在重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移fceo同時(shí)鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上的前提下進(jìn)行，為了驗(yàn)證擴(kuò)譜后的600～950 nm寬帶飛秒激光頻率梳的穩(wěn)定情況，采用兩臺(tái)Agilent53132A型頻率計(jì)數(shù)器同時(shí)采集頻率值frep，fceo，圖9、圖10分別給出了16000 s時(shí)間內(nèi)頻率frep，fceo隨時(shí)間變化的曲線。

圖9 擴(kuò)譜后frep隨時(shí)間變化曲線圖

圖10 擴(kuò)譜后fceo隨時(shí)間變化曲線圖

表1給出了在16000 s時(shí)間內(nèi)，頻率frep，fceo及633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn) (2012年由633 nm波長(zhǎng)國(guó)家基準(zhǔn)檢定結(jié)果)不同門(mén)時(shí)間對(duì)應(yīng)的阿倫偏差值。

經(jīng)頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)中16000 s時(shí)間內(nèi)重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相移頻率的均值分別為frep=351.67634904446 MHz，fceo=20.60242937 MHz。飛秒激光頻率梳在頻域內(nèi)表現(xiàn)為孤立的光頻齒序列，第N條梳齒的頻率值表達(dá)式為fN=Nfrep+fceo，其中頻率值fceo為107Hz量級(jí)，在上式中直接參與加減，其頻率變化量為10-4Hz/s或10-3Hz/s量級(jí);而頻率值frep為108Hz量級(jí)，Nfrep為1014Hz量級(jí)，其頻率變化量為102Hz/s量級(jí)，故本實(shí)驗(yàn)中飛秒激光頻率梳的光頻齒頻率穩(wěn)定度完全取決于frep鎖定后的穩(wěn)定度，由表1及氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度可以判斷，此600～950 nm波段飛秒激光頻率梳的頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘。實(shí)驗(yàn)中633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)e吸收峰參考頻率值為f=473612366.961 MHz，對(duì)應(yīng)飛秒激光頻率梳光頻齒的序列號(hào)為N633-e=1346728，這意味著在測(cè)量e峰光頻時(shí)為飛秒激光頻率梳中第1346728條光頻齒與e峰進(jìn)行拍頻，只需測(cè)量出二者頻率差值便可得到e峰光頻絕對(duì)值。綜上，經(jīng)光譜擴(kuò)展后光譜范圍覆蓋600～950 nm波段，擴(kuò)展后的飛秒激光頻率梳頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘，滿足633 nm激光器光頻絕對(duì)測(cè)量的需求。

表1 frep，fceo及633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)阿倫偏差

4 結(jié)論

為了利用650～950 nm波段“單塊”結(jié)構(gòu)鈦寶石飛秒激光頻率梳實(shí)現(xiàn)對(duì)633 nm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)光頻絕對(duì)測(cè)量，本課題組利用光子晶體光纖進(jìn)行了擴(kuò)譜實(shí)驗(yàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用啁啾鏡對(duì)壓縮脈寬可以避免棱鏡對(duì)結(jié)構(gòu)所固有的“光程臂長(zhǎng)”過(guò)大而導(dǎo)致的光譜不穩(wěn)定而無(wú)法實(shí)際用于光頻測(cè)量的缺點(diǎn)，最終獲取了光譜范圍覆蓋600～950 nm波段、頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘、滿足NO.02激光器633 nm光頻絕對(duì)測(cè)量需求的飛秒激光頻率梳。

［1］沈乃瀓，魏志義，聶玉昕.光頻標(biāo)和光頻測(cè)量研究的歷史、現(xiàn)狀和未來(lái) ［J］.量子電子學(xué)報(bào)，2004，21(2):139-145.

［2］Udem T，Holzwarth R ，H?nsch T W.Optical frequency metrology［J］.Nature，2002，416，233-237.

［3］Udem T，Reichert J，Holzwarth R，et al.Accurate measurement of large optical frequency differences with a mode-locked laser［J］.Opt.Lett，1999，24(13):881-883.

［4］錢(qián)進(jìn)，劉秀英，黃曉榮，等.633nm激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)副基準(zhǔn)比對(duì) ［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(4A):127-130.

［5］Fortier T M，Bartels A，Diddams S A.Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate-1 GHz for optical frequency Measurements and comparisons ［J］ .Opt.Lett，2006，31(2):1011-1013.

［6］ Russell P S J.Photonic crystal fibers ［J］ .Lightwave Technol，2006，24(12):4729-4749.

［7］ Alfano R R，Shapiro S L.Emission in the Region 4000 to 7000 A Via Four-PhotonCoupling in Glass［J］ .Phys.Rev.Lett，1970，24(11):584-587.

［8］Alfano R R ，Shapiro S L.Observation of Self-Phase Modulation and Small-ScaleFilaments in Crystals and Glasses［J］ .Phys.Rev.Lett.，1970，24(11):592-594.