馬駿逸，韓海年，張子越，魏志義，3*

（1.中國科學(xué)院物理研究所光物理重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.松山湖材料實驗室，廣東東莞 523808；4.中國航天科技創(chuàng)新研究院，北京 100176）

0 引言

光學(xué)頻率梳（以下簡稱光頻梳）是在人們對計量精度不斷追求的科學(xué)激情之下發(fā)展起來的。1999年，德國馬普量子光學(xué)研究所的特奧多爾·亨施（Theodor Hansch）教授研究組首先證明了鎖模飛秒脈沖激光的重復(fù)頻率對應(yīng)于光頻梳的梳齒間隔［1］，在此基礎(chǔ)上，他們使用飛秒激光頻率梳測量了氫原子1S—2S的共振躍遷頻率［2］，測量結(jié)果的不確定度為1.8×10-14，準(zhǔn)確程度超過了所有早期光學(xué)頻率測量值一個數(shù)量級以上。自此之后，光頻梳得到了廣泛的研究和快速的發(fā)展。到目前為止，光頻梳主要分為基于鎖模激光器的傳統(tǒng)光頻梳系統(tǒng)和以電光光頻梳和微腔光頻梳為代表的新型光頻梳系統(tǒng)。其中基于飛秒鎖模激光器的光頻梳又可以根據(jù)諧振腔的種類分為鈦寶石光頻梳、光纖光頻梳和全固態(tài)光頻梳。基于飛秒鈦寶石激光和光纖激光的光頻梳作為最早的光頻梳系統(tǒng)，已成為目前技術(shù)最成熟、工業(yè)應(yīng)用最廣泛的光頻梳，已經(jīng)深刻地影響著許多研究領(lǐng)域，并開拓了越來越多的實際應(yīng)用。雖然最初的光學(xué)頻率梳由鈦藍(lán)寶石（Ti∶Sapphire）和光纖激光為主導(dǎo)，但基于二極管激光泵浦的全固態(tài)激光器（Diode-Pumped Solid-State Lasers，DPSSL）的飛秒固態(tài)光頻梳結(jié)合了上述兩種光頻梳技術(shù)的優(yōu)勢，已成為光頻梳領(lǐng)域的一個重要分支。

DPSSL飛秒固態(tài)光頻梳與鈦寶石光頻梳一樣，可以無需外部放大直接輸出高功率和低固有噪聲的飛秒脈沖，又與光纖光頻梳一樣可以直接由激光二極管泵浦。由于用于泵浦的激光二極管（la‐ser Diode，LD）體積小、效率高且成本低廉，使得DPSSL成為非常穩(wěn)定可靠的激光源。此外，泵浦二極管可以通過其高帶寬的注入電流直接調(diào)制，因此能夠通過泵浦電流簡單地控制或穩(wěn)定載波包絡(luò)相移頻率fceo，避免了鈦寶石光頻梳結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、泵浦效率低的缺點，也避免了光纖光頻梳通常存在的重復(fù)頻率低及單脈沖能量低的問題。本文基于全固態(tài)光頻梳技術(shù)的特點和優(yōu)勢，對其發(fā)展和應(yīng)用研究進(jìn)行歸納總結(jié)，并介紹本科研團(tuán)隊的相關(guān)研究成果，最后分析和展望全固態(tài)光頻梳技術(shù)未來的發(fā)展前景。

1 全固態(tài)飛秒光學(xué)頻率梳的研究進(jìn)展

2001年，Holzwarth等 人 首次 通過f-2f方 法 在DPSSL中獲得了40 dB的CEO信號［3］，當(dāng)時使用的增益介質(zhì)為Cr∶LiSAF，基于克爾透鏡鎖模產(chǎn)生了重復(fù)頻率為93 MHz、中心波長為894 nm、平均功率115為mW、脈沖持續(xù)時間約60 fs的脈沖輸出。隨著研究人員對全固態(tài)光頻梳的進(jìn)一步探索，波段處于1μm附近的摻Y(jié)b增益介質(zhì)的優(yōu)良特性逐漸獲得重點關(guān)注。2008年，Stephanie A.Meyer等人首次實現(xiàn)塊狀Yb∶KYW激光器的CEO頻率鎖定［4］，為了獲得相干性良好的超連續(xù)光譜，他們在腔外加入一級光纖放大器和壓縮器，獲得了平均功率為360 mW、脈寬為80 fs的脈沖激光，采用泵浦反饋方法實現(xiàn)CEO控制，fceo的相位噪聲為1.7 rad。2013年，該課題組實現(xiàn)了Yb∶KYW激光器的頻率全鎖定［5］，結(jié)果如圖1所示，在0.1 Hz~1 MHz范圍內(nèi)獲得了300 mrad的殘余積分相位噪聲。

圖1 全固態(tài)Yb∶KYW光頻梳的CEO鎖定結(jié)果[5]Fig.1 Results of phase locked all-solid-state Yb∶KYW optical frequency comb[5]

光頻梳的重復(fù)頻率是影響其應(yīng)用的重要參數(shù)之一，更高的重復(fù)頻率意味著在給定的平均功率下增加每個梳齒的功率，從而在各種應(yīng)用中提高信噪比。然而隨著重復(fù)頻率的提升，脈沖能量下降，由半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（Semiconductor Satu‐rable Absorber Mirror，SESAM）方法鎖模的固態(tài)光頻梳容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模［6］，后續(xù)的非線性過程也會更加困難。2011年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Ursula keller課題組使用Yb∶KGW作為增益介質(zhì)，用波長為980 nm、輸出功率為6 W的分布式布拉格二極管激光器泵浦，通過SESAM鎖模在1042 nm波長附近實現(xiàn)了脈沖寬度為290 fs、輸出功率超過2 W的1 GHz鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)［7］。如此寬的脈沖寬度在光子晶體光纖（Photonics Crystal Fiber，PCF）中會產(chǎn)生階數(shù)很高的孤子分裂，導(dǎo)致輸出的超連續(xù)光譜相干性較差，從而無法直接探測CEO信號，針對此問題，該課題組先用1 m長的光纖產(chǎn)生自相位調(diào)制（Self-Phase Modulation，SPM）對振蕩器輸出光譜進(jìn)行展寬，再配合SP10材料制作的棱鏡將種子光脈沖壓縮至約100 fs的脈寬，光孤子的數(shù)量由原先的13個降低至5個，最后再將其注入到長度為2 m的PCF中，產(chǎn)生了相干優(yōu)良、譜寬超過一個倍頻程的超連續(xù)譜，從而首次實現(xiàn)了對GHz重復(fù)頻率DPSSL激光CEO頻率的探測，在1 MHz分辨率下，得到CEO拍頻信號的信噪比為27 dB。該研究啟發(fā)科研人員在固態(tài)光頻梳的發(fā)展中除了追求千兆赫茲的重復(fù)頻率之外，還需要使飛秒脈沖具有更短的脈寬和較高的峰值功率。在此基礎(chǔ)上，A.Klenner等人于2013年通過對諧振腔的合理設(shè)計，直接從Yb∶KGW振蕩器中獲得了重復(fù)頻率為1.06 GHz、脈寬為125 fs的超短激光輸出，其平均功率為3.4 W，峰值功率達(dá)到了前所未有的22.7 kW。將其注入長度為1 m的PCF中，得到了高達(dá)70%的耦合效率。結(jié)合f-2f自參考法，測得的CEO拍頻信號大于30 dB（分辨率寬為100 kHz），為推動固態(tài)光頻梳技術(shù)發(fā)展起到重要作用［8］。

2014年，U.keller課題組經(jīng)過前期的努力，終于率先實現(xiàn)了1 GHz重復(fù)頻率DPSSL的CEO信號鎖定［9］。為了得到更窄的脈寬，他們將增益介質(zhì)由原來的Yb∶KGW更換成具有更寬發(fā)射帶寬的Yb∶CALGO，采用“Z”字形腔體結(jié)構(gòu)和SESAM鎖模技術(shù)，實現(xiàn)了平均輸出功率為1.7 W、中心波長為1062 nm、重復(fù)頻率達(dá)1 GHz、脈沖寬度為64 fs的超短脈沖。在1 Hz~5 MHz的積分頻率范圍內(nèi)，經(jīng)環(huán)外f-2f干涉儀探測得到鎖定后fceo的剩余相位噪聲為744 mrad。2017年，同課題組的Thomas sud‐meyer等人使用Yb∶CALGO塊狀激光器實現(xiàn)了GHz重復(fù)頻率DPSSL的頻率全鎖定，系統(tǒng)如圖2所示。他們將振蕩器直接輸出的平均功率為2.1 W、脈沖寬度僅96 fs的脈沖直接用于超連續(xù)產(chǎn)生，沒有經(jīng)過任何放大和壓縮，在10 kHz分辨率帶寬內(nèi)檢測到CEO的信噪比為40 dB。進(jìn)一步地，在將重復(fù)頻率frep與fceo信號和微波參考信號混頻得到誤差信號的基礎(chǔ)上，通過鎖相環(huán)電路反饋控制光頻梳的制動器，實現(xiàn)了光頻梳與微波參考源的鎖定，重復(fù)頻率的穩(wěn)定度達(dá)到了微波頻率參考源的10-12水平。由于沒有了光纖放大器這一噪聲源，CEO的剩余相位積分噪聲為680 mrad［10］。2020年，他們又實現(xiàn)了10 GHz重復(fù)頻率的SESAM鎖模直腔Yb∶CALGO飛秒激光器，并測量得到33 dB的CEO信噪比［11］。

圖2 全鎖定Yb∶CALGO頻率梳裝置示意圖[10]Fig.2 Overall scheme of the fully-stabilized Yb∶CALGO GHz frequency comb[10]

輸出光譜的帶寬和波長范圍也是光頻梳的重要參數(shù)。摻Y(jié)b固態(tài)光頻梳的中心波長主要在1μm近紅外波段，以Yb和Er共摻雜玻璃為增益介質(zhì)的光頻梳的中心波長在1.5μm［12］，由于分子中原子的振動模式能量對應(yīng)于2~20μm的“分子指紋區(qū)”，因此研究者們開始對中紅外波段的光頻梳展開深入研究。新型激光增益介質(zhì)和非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)為產(chǎn)生中紅外輸出的固體光頻梳起到了了重要推動作用。過渡金屬，如鉻或鐵，若摻雜到Ⅱ-Ⅵ族化合物的晶體中，會在中紅外區(qū)域提供較寬的增益帶寬。這些激光活性金屬中的電子躍遷與主晶體晶格中的聲子強(qiáng)烈耦合，從而導(dǎo)致顯著的均勻展寬，通常超過中心頻率的30%。硫族化物主體如ZnSe和ZnS特別適用于這一過程，因為它們支持這種“振動”耦合，同時由于其最大聲子能量較低，即使在室溫下也能充分抑制非輻射多聲子弛豫，這些特性使Cr∶ZnS/ZnSe晶體成為直接產(chǎn)生中紅外波段飛秒激光的優(yōu)異材料，被稱為中紅外的鈦藍(lán)寶石［13］。成熟穩(wěn)定的Er，Tm光纖泵浦激光器和增益介質(zhì)的寬發(fā)射譜特性支持Cr∶ZnS/ZnSe激光器能夠?qū)崿F(xiàn)百飛秒以下的少周期脈沖輸出［14-19］。國際上第一個全鎖定的Cr∶ZnS光學(xué)頻率梳于2019年報道［20］，其輸出功率為3.25 W，重復(fù)頻率為80 MHz，經(jīng)過放大器的同時光譜也展寬到了一個倍頻程。通過本征非線性干涉法直接在多晶Cr∶ZnS晶體內(nèi)部獲得fceo的光譜分量，將振蕩器CEO的相位噪聲控制在75 mrad。2020年，俄羅斯的研究團(tuán)隊報道了將實現(xiàn)的Cr∶ZnSe飛秒鎖模脈沖注入光子晶體光纖產(chǎn)生倍頻程超連續(xù)光譜［21］，實現(xiàn)了跨越1.4~4.2μm的中紅外超連續(xù)光譜。

利用非線性光學(xué)效應(yīng)將光譜從可見光或近紅外域推進(jìn)到中紅外波段，可行的技術(shù)方案有光學(xué)參量振蕩（Optical Parametric Oscillation，OPO）、光學(xué)參量放大（Optical Parametric Amplification，OPA）、差頻（Different Frequency Generation，DFG）及超連續(xù)（Supercontinnum，SC）等。其中，通過同步泵浦光參量振蕩器（Optical Parametric Oscillator，OPO）在中紅外波段可以獲得較高的輸出功率、較寬的調(diào)諧范圍和極低的強(qiáng)度噪聲。如使用Yb∶KYW激光頻率梳泵浦PPLN晶體產(chǎn)生的中紅外OPO的光譜范圍可以覆蓋2.5~4.8 μm［22］；使用2 μm摻銩光纖光梳泵浦的OPO可以獲得接近10 μm的長波中紅外［23］。U.Keller課題組使用Yb∶CALGO單腔雙光梳作為泵浦源，通過光參振蕩產(chǎn)生了平均功率超過245 mW、調(diào)諧范圍覆蓋3~5μm的中紅外雙光梳［24］，實驗裝置如圖3所示，他們在1 MHz以上的偏頻處，獲得了低至-158 dBc/Hz的相對強(qiáng)度噪聲。通過將射頻梳信號與連續(xù)光（Continuous Wave，CW）信號進(jìn)行外差干涉，得到的射頻梳線寬僅有400 Hz，證明了全固態(tài)雙光梳同步泵浦OPO的高功率與低噪聲特性，為中紅外雙光梳光譜源提供了一個靈活簡捷的新思路。

圖3 新型單腔雙光梳泵浦的OPO光路圖[24]Fig.3 Schematic of the OPO cavity and its pumping[24]

2 全固態(tài)飛秒光學(xué)頻率梳的應(yīng)用

光學(xué)頻率梳最初被開發(fā)用于計算光學(xué)原子鐘的周期［25］，直接促進(jìn)了光頻計量學(xué)的進(jìn)步，在過去二十年中取得了一系列重要進(jìn)展。眾所周知，目前世界對秒的定義基于原子鐘，其載波處于微波頻率范圍，光頻梳的發(fā)明可以使頻率標(biāo)準(zhǔn)的載波提高到光學(xué)頻率的范圍，其頻率穩(wěn)定度可以提高105量級。基于全固態(tài)光頻梳的光譜展寬技術(shù)，可直接覆蓋Sr（698 nm），Sr+（674 nm），Yb（578 nm）和Ca（729 nm）等光學(xué)時鐘的波長（如圖4所示）。通過非線性頻率變換還可進(jìn)一步覆蓋Yb（467 nm和436 nm），Hg（282 nm），Al（267 nm）和Hg（266 nm）等光學(xué)時鐘的基頻光，這一優(yōu)點使得全固態(tài)光頻梳可以有效地應(yīng)用于原子躍遷的絕對頻率以及超精細(xì)原子態(tài)共振激發(fā)的測量。

圖4 通過光子晶體光纖展寬的倍頻程超連續(xù)光譜及正在研究的各種光鐘的波長[5]Fig.4 Octave supercontinuum spectra broadened by photonic crystal fibers and wavelengths of various optical clocks under study[5]

作為全固態(tài)光頻梳應(yīng)用的一個典型例子，2018年Mitaki等人將基于克爾透鏡鎖模Yb∶KYW激光器的光頻梳應(yīng)用于頻率測量研究，如圖5所示，其中frep和fceo分別鎖定至射頻參考源，fceo的殘余相位噪聲為0.51 rad，在鎖定時長為2 h、計數(shù)門時間為1 s時，fceo長期頻漂標(biāo)準(zhǔn)差為1 Hz［26］。為了驗證光頻梳的光頻測量性能，他們對131Yb+在2S1/2（F=0）—2D3/2（F=2）之間的871 nm時鐘激光信號偏移進(jìn)行了測量。通過測量131Yb+時鐘激光與光頻梳某一梳齒之間的拍頻信號，最終得到高精細(xì)共振腔的線性頻率漂移為-33（2）Hz/s。測量結(jié)果與131Yb+頻率偏移的標(biāo)準(zhǔn)值高度吻合，從而證實了由二極管泵浦的Yb∶KYW固態(tài)光頻梳能夠長期穩(wěn)定地進(jìn)行光學(xué)頻率的測量。

圖5 克爾透鏡鎖模Yb∶KYW光頻梳及光頻測量系統(tǒng)[26]Fig.5 Schematic of the experimental setup of the fceo-stabilized octave-spanning optical frequency comb based on a soft-aperture Kerr-lens mode-locked Yb∶KYW laser[26]

低噪聲的微波頻率在雷達(dá)、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換、長基線干涉儀以及大型儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程同步等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價值［27］，科研人員一直致力于發(fā)展穩(wěn)定的低噪聲微波信號源。相較傳統(tǒng)的晶體振蕩器方法，將固態(tài)光頻梳技術(shù)和具有高Q值的光學(xué)腔相結(jié)合，能夠產(chǎn)生極其穩(wěn)定的微波信號［28-30］。將光頻梳信號鎖定到光學(xué)參考fopt時，有

式中：fN為光頻梳的第N個縱模頻率；fb為光學(xué)參考fopt與fN之間的拍頻信號。重復(fù)頻率的n次諧波fn=nfrep，即為一個具有極高穩(wěn)定性的微波信號?；诠鈱W(xué)頻率梳產(chǎn)生的微波信號的相位噪聲是目前所有微波頻率產(chǎn)生技術(shù)中最低的，原因是微波頻率信號的產(chǎn)生源自光頻信號到微波頻率的分頻，因此通過光頻梳方法所產(chǎn)生的微波信號的相位噪聲將大幅降低。例如當(dāng)用光電探測器探測光梳重復(fù)頻率的n次諧波時，微波信號的相位噪聲會相較于光頻信號低（N/n）2倍。Meyer等人將Yb∶KYW固態(tài)光梳鎖定到波長1068 nm的Al3+光鐘上，如圖6所示，最終產(chǎn)生了10 GHz的低噪聲微波頻率信號［5］。通過另一套獨立的Ti藍(lán)寶石光頻梳對所產(chǎn)生的微波信號進(jìn)行頻率穩(wěn)定性檢測，最終微波信號的相位噪聲在1 Hz下達(dá)到了-99 dBc/Hz，對應(yīng)于1 s下低至2.6×10-15的艾倫方差。

圖6 鎖定至光頻的Yb∶KYW固態(tài)光頻梳[5]Fig.6 Schematic representation of Yb∶KYW solid-state opti‐cal comb locked to optical frequency[5]

光學(xué)頻率梳的高精度頻率特性和寬帶光譜特性使得精密光譜學(xué)與超快光學(xué)實現(xiàn)了完美的交叉融合，基于光學(xué)頻率梳的光譜測量可以實現(xiàn)梳線寬度量級的光譜分辨率。近年來，雙光梳光譜學(xué)因其超短的采集時間、極高的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）、高分辨率和高精度而備受關(guān)注［31］。2022年，U.Keller等人在以Yb∶CALGO作增益的DPSSL腔內(nèi)，以布魯斯特角放置一對菲涅爾棱鏡，將腔模在空間分離［32］，產(chǎn)生了平均功率大于3 W、脈沖寬度低于80 fs、重復(fù)率為1.03 GHz的雙光梳系統(tǒng)，兩套雙梳的重復(fù)頻率差連續(xù)可調(diào)諧，最高達(dá)27 kHz。該系統(tǒng)兼具高輸出功率、低噪聲以及高采樣速率等優(yōu)點，拓展了雙梳光譜的應(yīng)用范圍，單腔雙梳的結(jié)構(gòu)又使得整個光學(xué)系統(tǒng)簡單且緊湊。千兆赫茲的重復(fù)頻率能夠在實現(xiàn)高靈敏度和快速測量的同時提供更高的分辨率，使得雙光梳系統(tǒng)能夠在大氣壓環(huán)境下測量多種氣體?；谶@套系統(tǒng)，U.Keller等人檢測了長為20 cm，氣壓為987 mbar的乙炔氣體電池，得到的特征譜與標(biāo)準(zhǔn)值完全吻合。這種高功率單腔千兆赫茲雙梳狀固態(tài)激光器將成為許多領(lǐng)域中通用的工具，包括從太赫茲到可見光譜范圍的吸收光譜測量、非線性顯微鏡技術(shù)（如受激拉曼散射）和高精度激光測距等。

3 研究結(jié)果與展望

針對全固態(tài)光頻梳的發(fā)展需求，筆者所在的課題組在實現(xiàn)系列全固態(tài)飛秒激光的基礎(chǔ)上，于2015年利用自行設(shè)計搭建的摻鐿硼酸鈣氧釔（Yb∶YCOB）飛秒激光在拉錐光纖中產(chǎn)生了跨倍頻程的超連續(xù)光譜［33］；2016年，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了基于克爾透鏡鎖模的全固態(tài)激光頻率梳，由低噪聲、高亮度的976 nm光纖激光器泵浦，所用增益介質(zhì)為Yb∶CYA晶體，中心波長位于1μm附近，輸出平均功率為250 mW、脈沖寬度為57 fs。將傳統(tǒng)的f-2f干涉儀改進(jìn)成更穩(wěn)定的單臂結(jié)構(gòu)，鎖定后CEO的積分相位噪聲（1 Hz~10 MHz）僅為316 mrad，平均時間為1 s下的阿倫方差為5.6×10-18，鎖定記錄時間大于4 h，相較同類型的光頻梳，長期穩(wěn)定度提高了一個數(shù)量級［34］。針對該激光輸出平均功率較低的問題，本課題組進(jìn)一步開展了高平均功率全固態(tài)Yb∶CYA激光頻率梳的研究，在獲得平均輸出功率1.5 W的基礎(chǔ)上，采用光子晶體光纖將振蕩器輸出的激光光譜展寬至覆蓋700~1400 nm的倍頻程超連續(xù)?；谧詤⒖糵-2f干涉技術(shù)，在100 kHZ分辨率下測量得到信噪比為40 dB的自由運(yùn)轉(zhuǎn)CEO頻率信號，基于泵浦反饋方法，實現(xiàn)了CEO頻率的鎖定，鎖定后fceo的剩余相位抖動為370 mrad。在鎖定時長3 h、計數(shù)門時間設(shè)置為1 s時，fceo長期頻率漂移標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.8 mHz。在1 s的平均時間下，鎖定后fceo相對光學(xué)中心頻率的阿倫方差為2.9×10-18。采用壓電陶瓷晶片（Piezo‐electric Ceramics，PZT）控制腔長，實現(xiàn)了重復(fù)頻率13次諧波的鎖定，與同類1μm波段的全固態(tài)光頻梳相比，獲得了最高的長期頻率穩(wěn)定性［35］。此外，本課題組也采用前反饋方法對基于克爾透鏡鎖模的全固態(tài)Yb∶CYA光頻梳進(jìn)行了fceo鎖定［36］，通過反饋環(huán)內(nèi)CEO拍頻信號至腔外的聲光移頻器（Acousto-Optic Frequency Shifter，AOFS），環(huán)外fceo被穩(wěn)定地鎖定在60 MHz。通過測量相位噪聲的功率密度譜，在1 Hz~1 MHz范圍內(nèi)，積分相位噪聲僅為79.3 mrad，fceo在1 s下的穩(wěn)定度達(dá)到了2.87×10-17，這也是首次報道的基于前反饋方法實現(xiàn)的1μm波段全固態(tài)光頻梳，為目前全固態(tài)光頻梳所見報導(dǎo)的鎖定CEO所達(dá)到的最低噪聲，印證了前反饋方式在抗環(huán)境干擾和鎖定狀態(tài)重建方面的優(yōu)勢。圖7所示為上述主要結(jié)果的實驗數(shù)據(jù)及曲線。

圖7 全固態(tài)Yb∶CYA飛秒激光CEO頻率前置反饋鎖定結(jié)果[36]Fig.7 Results of all-solid-stateYb∶CYA femtosecond OFC locked with feed-forward method[36]

以上介紹的全固態(tài)飛秒光梳都是使用塊狀晶體實現(xiàn)的實驗成果。薄片激光器（Thin Disk Laser，TDL）也是目前DPSSL中備受關(guān)注的一類激光器，該激光器中所使用的增益晶體被加工成薄片結(jié)構(gòu)，因此可以很好地得到均勻冷卻。薄片激光器具有較高的光束質(zhì)量和輸出功率潛力，是用于光頻梳的理想選擇。2013年，U.Keller課題組報道了載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的Yb∶CALGO薄片激光器，其輸出功率為2.1 W、脈寬為96 fs，在泵浦反饋方法控制 下，CEO的 剩 余 相 位 噪 聲 僅 為120 mrad［37］。2018年，Modsching等人利用克爾透鏡鎖模的Yb∶Lu2O3薄片激光器直接產(chǎn)生了脈寬為50 fs、輸出功率為4.4 W的脈沖輸出，利用泵浦反饋方法控制CEO后，剩余相位噪聲為197 mrad［38］；2019年，德國馬普所的Oleg Pronin等人報道了CEO穩(wěn)定的薄片Yb∶YAG激光器，其脈寬為190 fs，輸出功率為105 W，是目前所見報導(dǎo)報道的功率最高的薄片全固態(tài)光頻梳［39］。薄片激光器所展示出的高輸出功率激光能力對于強(qiáng)場物理研究極具吸引力，但由于其技術(shù)復(fù)雜且成本較高，目前還鮮有全鎖定的薄片激光器光頻梳的相關(guān)報導(dǎo)。

全固態(tài)光頻梳經(jīng)過十余年的發(fā)展，在光譜范圍、重復(fù)頻率、輸出功率、鎖定精度和噪聲方面均取得了突破性的進(jìn)展，但是如何得到性能更好的光頻梳光源，一直是重要研究課題。其中一個思路是用低噪聲窄線寬的光纖激光器取代市面上常見的LD泵浦。目前全固態(tài)光梳大多使用功率較高、成本較低的半導(dǎo)體激光二極管泵浦，在CEO鎖定時可以直接調(diào)制泵浦電流，改變注入到振蕩器中的泵浦光功率，但是依然存在一些難以解決的問題。單模光纖耦合的激光二極管輸出功率低，難以實現(xiàn)高功率的鎖模輸出，而全固態(tài)光梳中，常用的多模光纖耦合的激光二極管的泵源強(qiáng)度噪聲和偏振噪聲都比較高，不利于低噪聲飛秒光頻梳的實現(xiàn)。限制fceo剩余相位噪聲進(jìn)一步降低的一個重要因素是環(huán)路帶寬，對于泵浦反饋方法來說，鎖相環(huán)路帶寬往往取決于增益介質(zhì)上的能級壽命。對于摻Y(jié)b介質(zhì)來說，增益帶寬只有數(shù)十kHz，使得高頻相位噪聲無法得到抑制，因此增加反饋環(huán)路帶寬將是獲得低噪聲載波包絡(luò)相位控制的重要挑戰(zhàn)之一。針對這兩個問題，如果使用光束質(zhì)量好的光纖激光器作為泵源，在激光系統(tǒng)中加入聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器來控制泵浦功率，或許可以彌補(bǔ)當(dāng)前DPSSL光頻梳的功率限制和噪聲限制。

此外，單腔雙光梳激光器在近幾年發(fā)展迅速，兩個光梳共用相同的腔內(nèi)光學(xué)器件，使噪聲的影響顯著降低，并且激光系統(tǒng)也更加簡化。盡管單腔雙光梳最早是在半導(dǎo)體激光器［40］和光纖激光器［41］中實現(xiàn)的，目前研究與應(yīng)用最多的單腔雙光梳也來自光纖激光技術(shù)，但由飛秒全固態(tài)振蕩器發(fā)展起來的單腔雙光梳有著得天獨厚的優(yōu)勢，理論上只要增益介質(zhì)是具有非各向同性增益特性的雙折射晶體就能夠?qū)崿F(xiàn)［42-47］，其已成為當(dāng)前全固態(tài)光頻梳技術(shù)研究的重要方向。