趙瀚宇 曹士英 戴少陽 楊濤 左婭妮 胡明列

1) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,教育部光電子信息技術(shù)重點實驗室,天津 300072)

2) (中國計量科學(xué)研究院,時間頻率計量科學(xué)研究所,北京 100029)

3) (中國計量科學(xué)研究院,國家市場監(jiān)管重點實驗室(時間頻率與重力計量基準(zhǔn)),北京 100029)

碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器在復(fù)現(xiàn)長度單位“米(m)”、絕對重力測量、引力波探測、精密光譜學(xué)、長度計量等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,對其進(jìn)行頻率測量和標(biāo)定對于激光器的性能評價具有重要意義.本文采用自行研制的摻Er 光纖光學(xué)頻率梳作為光源,對其擴(kuò)譜后的1 μm 波段進(jìn)行光譜增強并結(jié)合倍頻晶體將光學(xué)頻率梳輸出的1.5 μm 波段光脈沖擴(kuò)展到532 nm 波段.其中摻Er 光纖光學(xué)頻率梳輸出功率20 mW,首先經(jīng)過摻Er 光纖放大器將功率提到370 mW,經(jīng)過脈沖壓縮后脈沖寬度為45.7 fs,此后經(jīng)過高非線性光纖擴(kuò)譜實現(xiàn)光譜覆蓋至1 μm,輸出功率為180 mW.擴(kuò)譜后的1 μm 波段激光經(jīng)過摻Y(jié)b 光纖放大器放大至601 mW,經(jīng)過壓縮后脈沖寬度為84.6 fs,壓縮后功率為420 mW.采用MgO:PPLN 晶體對壓縮后激光進(jìn)行倍頻得到155 mW的532 nm 激光,倍頻效率為36%.利用該系統(tǒng)分別對碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出的基頻光1064 nm 和倍頻光532 nm 進(jìn)行拍頻,獲得了優(yōu)于40 dB 信噪比的拍頻信號,后續(xù)進(jìn)行了超過10 h 的連續(xù)測量,測量結(jié)果與國際推薦值保持一致.

1 引言

高性能激光頻率標(biāo)準(zhǔn)在復(fù)現(xiàn)長度單位“米(m)”[1]、絕對重力測量[2-4]、引力波探測[5-8]、頻率計量[9,10]等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用.20 世紀(jì)80 年代,國際計量大會頒布了長度單位“m”的新的定義,并隨之推薦了若干條可以復(fù)現(xiàn)單位“m”的高精度激光頻率標(biāo)準(zhǔn)譜線.其中在長度計量領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是碘在633 nm 和532 nm 處的躍遷譜線參考.常用的碘穩(wěn)頻633 nm He-Ne 激光器國際推薦值的不確定度為2.1×10-11,同時輸出光中具有(6±0.3) MHz的調(diào)制頻率[11],秒級頻率穩(wěn)定度最高為1×10-11.碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器具有532 nm/1064 nm雙波長輸出的優(yōu)勢,國際推薦值的不確定度為8.9×10-12[12],采用調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜技術(shù)進(jìn)行頻率鎖定時,輸出光中無調(diào)制[13].

近年來隨著光刻機、集成電路制造、引力波探測、冷原子物理等領(lǐng)域的需求牽引,對更高穩(wěn)定度指標(biāo)穩(wěn)頻激光的需求日益強烈.碘穩(wěn)頻633 nm 激光已無法滿足高端需求,急需進(jìn)行技術(shù)升級和產(chǎn)品換代.與碘穩(wěn)頻633 nm He-Ne 激光器相比,碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器具有的穩(wěn)定度高、功率高、無調(diào)制、光纖輸出等諸多優(yōu)點[13]而倍受關(guān)注.碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器在保持高性能指標(biāo)的同時,開始向工程化、小型化、智能化的方向發(fā)展以適應(yīng)更多應(yīng)用場景.其中對碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出激光的頻率監(jiān)測,不僅可以直接反映激光器本身性能,還有助于對激光器鎖定過程中的參數(shù)優(yōu)化.

作為測量激光絕對頻率和穩(wěn)定度的有效工具[14],飛秒光學(xué)頻率梳,簡稱“飛秒光梳”,是一種由眾多頻率穩(wěn)定并且間隔嚴(yán)格相等的光頻梳齒組成的寬帶光譜,在時域上表現(xiàn)為一系列等間距的超短脈沖輸出,其本質(zhì)上是脈沖重復(fù)頻率(fr)和載波包絡(luò)偏移頻率被(f0)精確鎖定的飛秒激光器.飛秒光梳有兩個基本參數(shù): 重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率.只需獲得fr和f0兩個參數(shù)并將其通過相位鎖定的方式溯源到微波頻率,則頻域上第N個梳齒的頻率fN可以通過表示為fN=Nfr±f0.此時,對于任何頻率的連續(xù)激光,只要其頻率位于飛秒光梳的光譜覆蓋范圍之內(nèi),就可通過(1)式得到激光頻率:

其中fcw是被測激光頻率.通過鎖相環(huán)將fr和f0鎖定到微波參考頻率上,兩者均為微波參考頻率設(shè)定值.fb為待測激光與飛秒光梳臨近梳齒的拍頻頻率,采用頻率計數(shù)器進(jìn)行測量.N為飛秒光梳中與待測激光頻率最接近梳齒的序數(shù),可以采用波長計、光譜儀、用吸收譜線參考頻率進(jìn)行確定,也可以通過大范圍調(diào)節(jié)重復(fù)頻率來獲取[15].

20 世紀(jì)末,Udem等[16]首次使用超短脈沖測量了銫原子D1譜線的絕對光學(xué)頻率.2000 年Jones等[17]基于譜線展寬技術(shù)研制出了飛秒光梳裝置.早期的飛秒光梳主要是基于鈦寶石飛秒激光器,其中心波長在780 nm 附近,具有輸出功率高、脈沖寬度窄等特點,經(jīng)過光子晶體光纖(PCF)耦合后可以很容易地實現(xiàn)一個倍頻程(500—1000 nm)的光譜輸出[18].2002 年Rovera等[19]利用PCF 將鈦寶石光學(xué)頻率梳擴(kuò)譜獲得了530—1064 nm 范圍的光譜輸出,耦合效率為50%,此后將擴(kuò)譜后的脈沖分為兩路,一路與碘穩(wěn)頻Nd:YAG 激光器的基頻光1064 nm 拍頻,另一路與倍頻光532 nm 光進(jìn)行拍頻,在1064 nm 處的拍頻信號信噪比為30 dB,用于對碘穩(wěn)頻激光進(jìn)行頻率測量.2007 年,方占軍等[20]利用鈦寶石光學(xué)頻率梳對碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器進(jìn)行頻率測定,利用PCF 將光學(xué)頻率梳光譜擴(kuò)展至532 nm 波段,并且得到了30 dB的拍頻信號信噪比.2015 年,Kobayashi等[21]采用摻Er 光纖光梳,對硬幣大小的碘穩(wěn)頻激光器輸出的基頻光1062 nm 進(jìn)行拍頻測量,從而獲得鎖定后倍頻光531 nm 的絕對頻率.其中,基頻光1062 nm與光梳拍頻信號信噪比約為30 dB.

近年來,隨著光纖制造技術(shù)以及光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展,光纖飛秒激光器逐漸取代了鈦寶石飛秒激光器成為光學(xué)頻率梳的主力光源.在眾多摻雜稀土元素的光纖中,摻Er 光纖成本低且增益帶寬為1.5 μm 波段,在單模光纖中損耗最小.1.5 μm的各種光學(xué)器件成本也較低,使其相較于摻Y(jié)b 和摻Tm 光纖應(yīng)用更加廣泛.摻Er 光纖飛秒激光器不僅具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性高、穩(wěn)定性高、易于集成化等顯著優(yōu)勢,而且輸出的光脈沖可以很容易地擴(kuò)譜至一個倍頻程(1100—2200 nm)[22-24].2014 年,劉歡等[24]使用摻Er 光纖飛秒激光器為光源,經(jīng)過雙向抽運摻Er 光纖放大器之后進(jìn)入周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN)倍頻獲得中心波長在780 nm、功率為170 mW 的脈沖,將倍頻后光脈沖耦合進(jìn)PCF 擴(kuò)譜至532 nm 波段與碘穩(wěn)頻532 nm激光器進(jìn)行拍頻,獲得了30 dB 的信噪比輸出.

采用鈦寶石飛秒光學(xué)頻率梳或經(jīng)過放大-倍頻后的摻Er 光纖光梳結(jié)合PCF 光譜展寬,可以獲得500—1000 nm 的寬帶光譜,并實現(xiàn)對于碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器的頻率測量.但由于PCF纖芯較細(xì),加之空間耦合方案[20,24],會導(dǎo)致長時間測量時輸出光譜不穩(wěn)定,引起拍頻信號信噪比下降,從而導(dǎo)致大量錯誤計數(shù).

碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器具有1064 nm基頻光輸出,因此長時間的測量通常采取測量基頻光1064 nm 的方式,通過級聯(lián)光譜技術(shù)可以提升摻Er 光纖光梳擴(kuò)譜后1 μm 處的功率,以保證基頻光1064 nm 的拍頻信噪比[25].但對于缺少基頻光的其他類型532 nm 激光器的測量則無法適用,還需要在技術(shù)上解決飛秒光梳對532 nm 激光的直接頻率測量問題.摻Er 光纖光梳直接擴(kuò)譜形成的1 μm 波長點處功率較低,直接提取此波長點功率進(jìn)行倍頻,理論上可以實現(xiàn)532 nm 激光輸出,但由于峰值功率低加之倍頻效率低,直接將擴(kuò)譜后的1064 nm 倍頻到532 nm 與激光拍頻難度較大.與其他基頻光缺少合適的增益光纖不同,1 μm 波段可以級聯(lián)接入摻Y(jié)b 光纖放大器,通過對擴(kuò)譜后的1 μm 波段光譜進(jìn)行放大后再倍頻,從而提高光學(xué)頻率梳在532 nm 波長點的輸出功率,為后續(xù)拍頻信噪比的改善提供條件.

基于此,本文在摻Er 光纖光梳的基礎(chǔ)上,通過對其中一路進(jìn)行放大和光譜展寬實現(xiàn)光譜覆蓋到1 μm,此后級聯(lián)摻Y(jié)b 光纖放大器,提升1 μm波段輸出功率,經(jīng)過光柵對壓縮后實現(xiàn)平均功率420 mW、脈沖寬度84.6 fs 的激光輸出,進(jìn)一步經(jīng)過PPLN 晶體倍頻實現(xiàn)平均功率為155 mW 的532 nm 激光輸出.利用該裝置分別對碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出的基頻光1064 nm 和倍頻光532 nm 進(jìn)行拍頻,得到了信噪比優(yōu)于40 dB 的拍頻信號,后續(xù)進(jìn)行了超過10 h 的連續(xù)測量,測量結(jié)果與國際推薦值保持一致.

2 實驗裝置

2.1 摻Er 光纖光梳

基于光譜增強技術(shù)輸出532 nm 激光的摻Er光纖光梳測量裝置主要包括3 個部分,如圖1 所示.第1 部分(圖1 中A 部分)為摻Er 光纖光梳的基本結(jié)構(gòu),包括作為飛秒光梳種子光的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPE)鎖模的摻Er 光纖飛秒激光器;第2 部分(圖1 中B 部分)為1.5 μm 種子光的功率放大、脈沖壓縮、1 μm 波段的光譜展寬及1 μm波段放大;第3 部分(圖1 中C 部分)為1 μm 波段脈沖壓縮、非線性倍頻以及激光拍頻.

圖1 基于光譜增強技術(shù)輸出532 nm 激光的摻Er 光纖光梳測量裝置圖(其中,A 部分為摻Er 光纖飛秒激光器,B 部分為摻Er 光纖放大器、光譜展寬、摻Y(jié)b 光纖放大器,C 部分為脈沖壓縮器、非線性倍頻及與激光拍頻.LD1—5為980 nm 激光二極管,WDM 為波分復(fù)用器,1∶3 為分束器,EDF 為摻Er 光纖,Col1—8 為準(zhǔn)直器,M1—3 為反射鏡,ISO 為隔離器,λ/2為半波片,λ/4 為1/4波片,FR 為法拉第旋光器,PZT 為壓電陶瓷促動器,FM 為折疊鏡,G1,G2 為光柵,PPLN 為周期極化鈮酸鋰晶體,FL 為聚焦透鏡,HRM 為中空屋脊棱鏡,Beat module 為拍頻模塊,fr -servo 為重復(fù)頻率伺服鎖定系統(tǒng),f0-servo 為載波包絡(luò)偏移頻率伺服鎖定系統(tǒng))Fig.1.Diagram of the frequency measurement of I2-stabilized Nd:YAG laser based on an Er-FOFC with the spectral enhancement technique.Part A is Er-doped fiber femtosecond laser.Part B is EDFA,supercontinuum fiber,YDFA.Part C is pulse compressor,SHG module and beat frequency module.LD1-5 is a 980 nm laser diode.WDM is a wavelength division multiplexer.1∶3 is an 1∶3 beam splitter.EDF is an erbium-doped fiber.Col1-8 is a fiber collimator.M1-3 is a mirror,and ISO is an isolator.λ/ 2 is a half wave plate,λ/ 4 is a 1/4 wave plate.FR is a Faraday rotator.PZT is a piezoelectric transducer.G1,G2 are gratings.PPLN is periodically polarized lithium niobate crystal.FL are spherical lenses.HRM is a hollow ridge prism,and beat module is a beat frequency module.fr -servo is repetition frequency servo locking-loop.f0 -servo is carrier envelope offset frequency servo locking-loop.

摻Er 光纖光梳的光源為σ 腔結(jié)構(gòu)的基于NPE鎖模的摻Er 光纖飛秒激光器,采用980 nm 半導(dǎo)體抽運光經(jīng)過波分復(fù)用器件(WDM)耦合進(jìn)光纖激光腔抽運摻Er 增益光纖產(chǎn)生1.5 μm 激光.在σ 腔結(jié)構(gòu)的激光器中,將σ 腔的一個端鏡黏接在PZT 上實現(xiàn)對重復(fù)頻率的控制.與通過PZT 拉伸光纖的方式實現(xiàn)激光器重復(fù)頻率控制的方式相比[26],此種方法避免了黏結(jié)在PZT 的光纖可能出現(xiàn)塑性形變導(dǎo)致重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍變小的風(fēng)險,而且PZT損壞后易于更換,更有利于光梳的長期穩(wěn)定運行和后期維護(hù).偏振分光片(PBS1)以及法拉第旋鏡(FR)使從準(zhǔn)直器Col1 的光經(jīng)反射鏡M1 反射后偏折耦合進(jìn)準(zhǔn)直Col2 形成閉合回路.通過調(diào)節(jié)三個波片改變腔內(nèi)激光偏振狀態(tài)實現(xiàn)NPE 鎖模后從PBS2 輸出,經(jīng)反射鏡M2 后耦合進(jìn)Col3 中.從摻Er 光纖飛秒激光器輸出的激光經(jīng)過1∶3 分束器分成多路,分別滿足不同的需要.其中兩路用于探測飛秒光梳兩個信號,其他路可分別進(jìn)行不同波長擴(kuò)展,實現(xiàn)不同覆蓋范圍的光譜輸出.

2.2 532 nm 激光的獲取

從摻Er 光纖光梳中分束后的一路激光進(jìn)入后續(xù)放大和頻率變換模塊,用于實現(xiàn)532 nm 的激光輸出.首先采用980 nm 半導(dǎo)體激光器(LD2,LD3)抽運摻Er 光纖,對飛秒激光器的種子光進(jìn)行放大.由于放大級的回光會影響振蕩級的鎖模穩(wěn)定性,所以在振蕩級和放大級之間加入了隔離器(ISO).經(jīng)過兩級放大后通過單模光纖(SMF-28)以及調(diào)節(jié)1/2 波片和1/4 波片進(jìn)行脈寬壓縮.壓縮后的光耦合進(jìn)高線性光纖(HNLF)進(jìn)行擴(kuò)譜至1 μm.經(jīng)過可翻轉(zhuǎn)折疊鏡(FM),可選擇實現(xiàn)1 μm 波長輸出,用于與1064 nm 激光拍頻,或者進(jìn)入后續(xù)1 μm 放大-倍頻部分實現(xiàn)532 nm 波長輸出,用于與532 nm 激光拍頻.

選擇進(jìn)入后續(xù)1 μm 放大-倍頻部分的激光,首先進(jìn)入摻Y(jié)b 光纖放大器對擴(kuò)譜后的種子光進(jìn)行1 μm 波段的放大,其抽運源仍采用980 nm 半導(dǎo)體抽運光(LD4,LD5).經(jīng)兩級放大后從Col8 輸出.由于1 μm 波段無法用光纖補償放大器引入的正色散,故在光脈沖從Col8 輸出經(jīng)過1 μm 波長的1/2 波片后采用光柵對進(jìn)行脈寬壓縮,1/2 波片的設(shè)置是為了調(diào)整光束偏振以達(dá)到最佳的衍射效率.光柵對(G1,G2)選用刻痕為1000/mm,閃耀波長在1 μm 的透射式閃耀光柵,兩個閃耀光柵厚度均為1 mm.光從Col8 輸出后經(jīng)過光柵對后被中空屋脊棱鏡(HRM)反射,從略低于原來的位置反射,按原光路再次經(jīng)過光柵對,完成脈沖壓縮的過程.壓縮后的脈沖經(jīng)反射鏡(M3)反射經(jīng)過焦距為30 mm 的聚焦透鏡(FL)聚焦到PPLN 晶體倍頻產(chǎn)生中心波長為532 nm 的脈沖,再經(jīng)過焦距為30 mm 的準(zhǔn)直透鏡(FL)后進(jìn)入拍頻模塊.

2.3 激光拍頻模塊

激光拍頻模塊主要是將光學(xué)頻率梳輸出的激光和被測連續(xù)激光合束到光電探測器,并利用頻譜分析儀記錄拍頻信號的信噪比,利用頻率計數(shù)器記錄拍頻信號的頻率.摻Er 光纖光梳與碘穩(wěn)頻激光器輸出激光的拍頻模塊如圖2 所示.

圖2 激光拍頻模塊圖 (其中,Comb 為光學(xué)頻率梳,CW 為待測連續(xù)光,λ/2 為半波片,PBS 為偏振分光棱鏡,G 為光柵,PD 為光電探測器,LPF 為低通濾波器,AMP 為信號放大器,Frequency counter 為微波頻率計數(shù)器)Fig.2.Beat mote module.Comb is an optical frequency comb,and CW is the continuous wavelength laser to be measured.λ/ 2 is a half wave plate.PBS is a polarizing beam splitter prism.PD is a photodetector.G is a grating.LPF is a low-pass filter.AMP is an optical amplifier.Frequency counter is a microwave frequency counter.

對于1064 nm 和532 nm 激光的測量,拍頻模塊除了器件對應(yīng)波段不同之外其余完全相同.兩路激光在PBS 合束之前,分別經(jīng)過各自1/2 波片調(diào)整偏振狀態(tài)后,在經(jīng)過偏振分光鏡實現(xiàn)光路的空間重合.為了降低光電探測過程的散粒噪聲,使用衍射光柵將不同頻率成分的激光在空間上分離,選擇待測激光的波長濾波后進(jìn)入光電探測器進(jìn)行拍頻信號測量.

3 實驗結(jié)果

摻Er 光纖飛秒光梳的核心部分——飛秒激光器,采用980 nm 激光二極管抽運.激光二極管LD1輸出980 nm 激光通過WDM 進(jìn)入光纖激光器腔內(nèi)抽運增益光纖(Er110-4-125,LEIKKI),其增益系數(shù)110 dB/m,群速度色散約為+0.012 ps2/m.在1 W 的功率抽運下,摻Er 光纖激光器在未鎖模運轉(zhuǎn)狀態(tài)下PBS2 直接輸出功率130 mW.WDM兩端尾纖各保留5.5 cm 和8.5 cm,兩準(zhǔn)直器尾纖分別為17 cm 和19 cm,增益光纖為37 cm,兩準(zhǔn)直器間的光程為17.5 cm.鎖模后激光器的重復(fù)頻率為200 MHz,PBS2 直接輸出功率70 mW,經(jīng)準(zhǔn)直器Col3 耦合后輸出功率為67 mW.鎖模后的光譜如圖3 所示,其3 dB 帶寬為79.5 nm.

圖3 摻Er 光纖飛秒激光器輸出光譜Fig.3.Spectrum of the Er-doped fiber femtosecond laser.

在重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率探測的基礎(chǔ)上,通過頻率鎖定技術(shù)[26],可實現(xiàn)激光器重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率超過30 天的長時間連續(xù)鎖定[27].重復(fù)頻率的鎖定通過控制摻Er 光纖飛秒激光器中的PZT 實現(xiàn),PZT 在100 V 電壓驅(qū)動下,調(diào)節(jié)范圍為1.8 kHz;載波包絡(luò)偏移頻率的鎖定通過控制摻Er 光纖飛秒激光器的抽運源——激光二極管LD1 的驅(qū)動電流實現(xiàn),其伺服帶寬30 kHz,對載波包絡(luò)偏移頻率的調(diào)諧曲線為1 MHz/mA,調(diào)諧范圍約為60 MHz.過大的調(diào)諧范圍會由于抽運電流變化引起激光器狀態(tài)改變,進(jìn)而導(dǎo)致f0信噪比下降.鎖定后重復(fù)頻率的平均值為200 MHz,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.356 mHz.鎖定后載波包絡(luò)偏移頻率的平均值為20 MHz,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.923 mHz.

從摻Er 光纖光梳中飛秒激光器分束后的其中一路進(jìn)入后續(xù)放大模塊,用于實現(xiàn)532 nm 的激光輸出.飛秒激光脈沖通過一分三耦合器,耦合進(jìn)1550 nm 放大器的種子光約20 mW.摻Er 光纖放大器共兩級放大,均采用后向抽運方式,980 nm激光二極管LD2 與LD3 最大輸出功率分別為978 mW 與961 mW.第一級放大器中增益光纖長度為70 cm,在978 mW 抽運下種子光功率可以放大到200 mW.第二級放大中增益光纖長度為60 cm,在961 mW 抽運下種子光功率可以放大到370 mW.

為了滿足后續(xù)1 μm 放大要求,需要盡可能地拓寬超連續(xù)光譜,而超連續(xù)光譜的拓展的關(guān)鍵在于脈沖的功率以及脈沖寬度.由于在兩級摻Er 光纖放大器中所用的增益光纖和WDM 尾纖均為正色散,因此利用負(fù)色散的單模光纖SMF-28 來補償正色散所帶來的光譜展寬.通過不斷調(diào)整WDM 尾纖以及Col4 的尾纖長度,調(diào)節(jié)1/2 波片和1/4 波片組,最終把脈寬可以壓縮到了45.7 fs.壓縮后的強度自相關(guān)曲線如圖4 所示,脈沖形狀符合雙曲正割曲線.

圖4 種子光放大壓縮后脈沖的自相關(guān)曲線Fig.4.Autocorrelation trace of the dechirped pulse after the Er-fiber amplifier.

壓縮后的光脈沖通過Col5 耦合進(jìn)HNLF 中,耦合后準(zhǔn)直器Col5 輸出359 mW,耦合效率約為97%,選用的HNLF 零色散點在1550 nm 附近.HNLF 的擴(kuò)譜效果不僅僅與脈寬有關(guān),光束的偏振狀態(tài)和長度也會影響擴(kuò)譜的效果.通過調(diào)整Col5 的尾纖長度以及HNLF 長度以及旋轉(zhuǎn)1/2 波片和1/4 波片組合達(dá)到最佳擴(kuò)譜效果.經(jīng)過優(yōu)化后Col5 的尾纖長度為20 cm,HNLF 長度為46 cm.展寬后的超連續(xù)光譜覆蓋到了1000 nm,如圖5 所示.擴(kuò)譜后輸出脈沖平均功率為180 mW.

圖5 經(jīng)高非線性光纖擴(kuò)譜后超連續(xù)光譜Fig.5.Supercontinuum spectrum after high nonlinear optical fiber.

擴(kuò)譜后的光進(jìn)入到摻Y(jié)b 光纖放大器對其中的1 μm 波段激光進(jìn)行放大.摻Y(jié)b 光纖放大器采用兩級放大結(jié)構(gòu),均采用后向抽運方式.為了保護(hù)兩級放大器抽運源(LD4,LD5)抽運,在WDM 和抽運源之間加入了980 nm 光隔離器.LD4 和LD5經(jīng)過光隔離器后的最大輸出功率分別為900 mW和865 mW.兩級放大器采用的摻Y(jié)b 增益光纖(SCF-Yb550/125-19)長度分別為27 cm 和23 cm.經(jīng)過第一級放大后,脈沖的平均功率提到了390 mW,此后在經(jīng)過第二級放大器后,平均功率達(dá)到601 mW.經(jīng)過兩級摻Y(jié)b 放大器后所獲得的光譜如圖6(a)所示,從光譜圖可以看出被放大的波段覆蓋至1064 nm,達(dá)成了倍頻至532 nm 所需要的條件.采用透射式閃耀光柵對進(jìn)行1 μm 的脈沖進(jìn)行壓縮,閃耀光柵對光柵常數(shù)為1000 線/mm,入射角度約為32°,光柵對距離為1.2 cm.壓縮后光脈沖平均功率為420 mW,壓縮后脈寬84.6 fs,其強度自相關(guān)曲線如圖6(b)所示,脈沖形狀符合雙曲正割擬合.

圖6 1 μm 波段激光放大及壓縮后曲線(a) 經(jīng)摻Y(jié)b 光纖放大后的光譜圖;(b) 光柵對壓縮后脈沖自相關(guān)曲線Fig.6.Spectra and autocorrelation traces the dechirped pulse after the Yb-fiber amplifier: (a) Spectra;(b) autocorrelation trace.

壓縮后脈沖經(jīng)反射鏡進(jìn)入PPLN 晶體進(jìn)行倍頻.系統(tǒng)中采用的PPLN 晶體為多通道結(jié)構(gòu),晶體周期6.97 μm,晶體通光截面尺寸為0.5 mm×1 mm.為了提升倍頻效率以獲得盡可能高的532 nm脈沖功率,PPLN 通光長度為10 mm,晶體前后表面分別鍍有對1064 nm 和532 nm 中心波長的寬帶減反膜,反射率小于1%.在PPLN 上加裝了溫控裝置,以調(diào)節(jié)倍頻光的中心波長,溫控裝置調(diào)節(jié)范圍20—95 ℃,調(diào)節(jié)精度0.01 ℃,最終在溫控裝置設(shè)置溫度61.25 ℃時倍頻光輸出波長覆蓋532 nm,如圖7 所示.倍頻脈沖平均功率155 mW,倍頻效率約為36%.

將摻Er 光纖光梳獲得的532 nm 激光與碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器的532 nm 倍頻光耦合進(jìn)入拍頻模塊進(jìn)行拍頻,經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化在分辨率帶寬(RBW)為100 kHz 的條件下,可以很容易實現(xiàn)40 dB 信噪比的拍頻信號,如圖8(a)所示.與采用將放大后種子光經(jīng)PPLN 倍頻后耦合進(jìn)PCF 直接擴(kuò)譜覆蓋到532 nm 波段進(jìn)行拍頻的結(jié)果相比[24],信噪比提升了13 dB,并且在幾天的連續(xù)監(jiān)測過程中未發(fā)現(xiàn)有信噪比下降的風(fēng)險.這說明采用本方案不僅可以獲得高信噪比的拍頻信號,更重要的是可以形成信噪比非常穩(wěn)定的拍頻信號,有利于后續(xù)對穩(wěn)頻激光器的長期的頻率監(jiān)測.

圖8 摻Er 光纖光梳與碘穩(wěn)頻532 nm 激光器拍頻信號(a)與倍頻光532 nm 激光拍頻信號;(b)與基頻光1064 nm激光拍頻信號Fig.8.Beat note signal between the Er-FOFC and an I2-stabilized Nd:YAG laser: (a) Beat note signal at 532 nm;(b) beat note signal at 1064 nm.

為了更有效地對比532 nm 波段的頻率測量結(jié)果,在光梳光經(jīng)HNLF 后使用折疊鏡分出一路脈沖,與小型化碘穩(wěn)頻532 nm 激光器的基頻光1064 nm 波段耦合進(jìn)拍頻裝置進(jìn)行拍頻,拍頻信號如圖8(b)所示,在RBW 為100 kHz 條件下,信噪比優(yōu)于40 dB.

4 激光測量結(jié)果

考慮到光學(xué)頻率梳測量結(jié)果的可溯源性,本系統(tǒng)以國家時間頻率基準(zhǔn)——激光冷卻銫原子噴泉鐘(NIM5)為信號,通過其定期校準(zhǔn)的10 MHz 氫鐘信號作為光學(xué)頻率梳的參考信號,也可以通過溯源到國際單位制(SI)秒定義的氫鐘提供的10 MHz信號作為光學(xué)頻率梳的參考信號.前者形成獨立自主的激光波長向國家時間頻率基準(zhǔn)的溯源,后者實現(xiàn)激光波長向SI 秒定義的溯源,均形成了激光波長與時間頻率基準(zhǔn)的連接.氫鐘輸出10 MHz 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號,1 s 頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-13,氫鐘到SI秒定義鏈路不確定度優(yōu)于5×10-16.

碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的國際推薦頻率值為(563260223513±5) kHz,不確定度為8.9×10-12.被測碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器是中國計量科學(xué)研究院自行研制的穩(wěn)頻激光標(biāo)準(zhǔn).激光器為半導(dǎo)體抽運Nd:YAG 半非平面單塊環(huán)形激光器,倍頻晶體為單次通過PPKTP,可輸出2 W的1064 nm 基頻光和100 mW 的532 nm 倍頻光.為了驗證測量結(jié)果,采用分別測量基頻光1064 nm和倍頻光532 nm 絕對頻率的方式獲得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值.

在利用單次測量倍頻光532 nm 絕對頻率的方式獲得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值時,摻Er 光纖光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率fr的鎖定值為199969.97 kHz,載波包絡(luò)偏移頻率f0的鎖定值為20000 kHz.由于在測量倍頻光532 nm 絕對頻率時,采用的是光學(xué)頻率梳基頻光倍頻的方式獲取532 nm 波段輸出,所以在計算頻率時載波包絡(luò)偏移頻率f0的前面要乘以系數(shù)2.頻率計數(shù)器記錄拍頻頻率fb的頻率值,采樣時間為1 s,總測量時間約為10 h,有效點數(shù)38067,如圖9(a)所示.拍頻頻率fb的平均值為70265.271 kHz.碘穩(wěn)頻532 nm激光中聲光調(diào)制器移頻fAOM為-40000 kHz.由碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的國際推薦頻率值估算的梳齒序數(shù)為N=2816724.在判斷f0和fb前符號的基礎(chǔ)上,通過記錄fb值,利用(1)式可以得到待測激光的絕對頻率.此后,去除待測激光中聲光調(diào)制器移頻后,可以得到碘127I2的a10峰R(56)32-0 吸收線的頻率值為563260223513 kHz,測量相對擴(kuò)展不確定度為2.4×10-15.

圖9 摻Er 光纖光梳與碘穩(wěn)頻532 nm 激光器拍頻信號計數(shù)結(jié)果(a) 與倍頻光532 nm 激光拍頻信號計數(shù)結(jié)果;(b) 與基頻光1064 nm 激光拍頻信號計數(shù)結(jié)果Fig.9.Beat note signal counting results between the Er-FOFC and an I2-stabilized Nd:YAG laser: (a) Beat note signal counting result at 532 nm;(b) beat note signal counting result at 1064 nm.

在利用單次測量基頻光1064 nm 絕對頻率的方式獲得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值時,摻Er 光纖光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率fr的鎖定值為199969.9593 kHz,載波包絡(luò)偏移頻率f0的鎖定值為20000 kHz.頻率計數(shù)器記錄拍頻頻率fb的頻率值,采樣時間為1 s,總測量時間約為16 h,有效點數(shù)59239,如圖9(b)所示.拍頻頻率fb的平均值為20063.161 kHz.碘穩(wěn)頻532 nm 激光中聲光調(diào)制器移頻-40000 kHz,折合到基頻光1064 nm移頻為-20000 kHz.由碘127I2的a10峰R(56) 32-0吸收線的國際推薦頻率值估算的梳齒序數(shù)為N=1408362.在判斷f0和fb前符號的基礎(chǔ)上,通過記錄fb值,利用(1)式可以得到待測激光的絕對頻率.此后,去除待測激光中聲光調(diào)制器移頻后,可以得到碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值為563260223513 kHz,測量相對擴(kuò)展不確定度為1.9×10-15.

從測量結(jié)果可以看出,無論是采用對碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器的基頻光1064 nm 還是倍頻光532 nm 的頻率測量,所得到的碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收線的頻率值均在國際推薦值的不確定度范圍之內(nèi).兩次測量結(jié)果的微小差異由于采用的是非同時測量引入,從國際推薦值的不確定度范圍考慮,可以予以忽略.

5 總結(jié)

本文主要介紹了摻Er 光纖光學(xué)頻率梳向532 nm波段的擴(kuò)展的研究工作,在自行搭建的摻Er 光纖NPE 鎖模飛秒激光器引出一路做放大-壓縮-擴(kuò)譜-放大-壓縮-倍頻的光譜擴(kuò)展方案,完成了1550 nm波段的光梳光譜向532 nm 波段的擴(kuò)展,1550 nm波段放大后輸出平均功率370 mW,擴(kuò)譜后平均功率180 mW,再次經(jīng)過1 μm 波段放大后輸出功率601 mW,經(jīng)過光柵對壓縮后功率420 mW,再經(jīng)過PPLN:MgO 光譜成功覆蓋532 nm 波段,功率為155 mW.利用該系統(tǒng)分別對碘穩(wěn)頻532 nm Nd:YAG 激光器輸出的基頻光1064 nm 和倍頻光532 nm進(jìn)行拍頻,均獲得了優(yōu)于40 dB 信噪比的拍頻信號,后續(xù)進(jìn)行了超過10 h 的連續(xù)測量,測量結(jié)果與國際推薦值保持一致.

對碘穩(wěn)頻532 nmNd:YAG 激光器進(jìn)行頻率標(biāo)定,不僅有助于對復(fù)現(xiàn)“m”的定義,將長度單位“m”溯源至“s”,也可以滿足在自由落體型絕對重力儀系統(tǒng)中,重力基準(zhǔn)溯源體系下面的頻率/長度標(biāo)準(zhǔn)溯源系統(tǒng)長度標(biāo)準(zhǔn)溯源裝置的建設(shè)需求.對于其他波段激光器如515 nm,也可用類似本文提出的方法獲得高信噪比且穩(wěn)定的拍頻信號,推進(jìn)我國在光鐘以及絕對重力探測領(lǐng)域的研究發(fā)展.