飛秒光學(xué)頻率梳，簡稱“飛秒光梳”或“光梳”。光梳在頻率域和時間域上均表現(xiàn)為等間距離散的梳齒，相當(dāng)于數(shù)十萬臺的相位相互鎖定的單頻激光器共線同步輸出。光梳頻譜覆蓋范圍極廣且單個梳齒線寬極窄，兼具赫茲量級的頻率穩(wěn)定度和飛秒量級的時間分辨率。如同米尺可用來測量距離一樣，光梳可用來測量光學(xué)頻率，每個梳齒即是頻率尺上的刻度。光梳為微波頻標(biāo)、原子頻標(biāo)、光頻標(biāo)等多種頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了鏈接橋梁，也為精密光譜、天文物理、量子操控等科學(xué)領(lǐng)域提供了理想的測量工具。
光學(xué)頻率梳基本架構(gòu)
光梳的基本構(gòu)架為鎖模激光器，需要將鎖模脈沖的重復(fù)頻率fr和載波位相零頻f0溯源至基準(zhǔn)頻率。2013年以前，光梳大多是基于鈦寶石或摻稀土元素晶體的全固態(tài)光梳，或是基于非保偏光纖構(gòu)建的光纖光梳，而這些光梳僅能在恒溫恒濕的實驗室環(huán)境運行，且需要頻繁維護(hù)，不適應(yīng)外場環(huán)境。因此，探索鎖模激光器全保偏光纖化，確保脈沖的非線性演化進(jìn)程不受外界環(huán)境干擾，成為實現(xiàn)光梳長期連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的核心問題。此外，通過選取不同種類的摻雜光纖，光纖光梳可以實現(xiàn)比鈦寶石光梳更寬范圍的光譜輸出，如1.0 μm波段的摻鐿光纖光梳可覆蓋600-1400 nm，1.5 μm波段的摻鉺光纖光梳可覆蓋1000-2200 nm，2.0 μm波段的摻銩光纖光梳可覆蓋1350-2700 nm。
通常情況下，光纖光梳包括鎖模光纖激光器、光功率放大器、脈沖壓縮器、超連續(xù)譜單元、f-2f干涉儀、fr和f0信號鎖相環(huán)。其中，鎖模光纖激光器用于產(chǎn)生初始的低能量脈沖種子光；光功率放大器將種子光脈沖的平均功率進(jìn)行提升；脈沖壓縮器在時域上壓窄脈沖寬度，提升脈沖峰值功率；超連續(xù)譜單元通過光子晶體光纖或高非線性光纖將脈沖光譜拓展至超過1個倍頻程；而后，f-2f干涉儀將超連續(xù)譜的低頻成分倍頻并與高頻成分進(jìn)行拍頻；采用光電探測器獲取f0信號和fr信號，并將它們與參考時鐘源比較得到誤差信號，再經(jīng)電子電路處理并反饋至鎖模光纖激光器的相應(yīng)部件上。
控制激光器重復(fù)頻率的方法
采用壓電陶瓷（PZT）
僅對鎖定fr而言，可采用壓電陶瓷（PZT）控制激光諧振腔的幾何長度，或通過抽運調(diào)制非線性（pump-induced Refractive Index Change, RIC）控制腔內(nèi)傳輸介質(zhì)的折射率。PZT具有體積小、分辨率高、推力可選、不發(fā)熱等優(yōu)勢。
目前，基于PZT的重復(fù)頻率鎖定精度一般在毫赫茲。然而，利用PZT控制激光器重復(fù)頻率的方案存在一些不足，比如位移遲滯非線性和蠕變效應(yīng)、需要較高的操作電壓、環(huán)境擾動比較敏感等等。
RIC技術(shù)
RIC技術(shù)是通過控制有源光纖上的抽運功率，調(diào)節(jié)增益光纖上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)以及激光增益，從而影響腔內(nèi)脈沖的峰值功率和光譜寬度，并進(jìn)一步影響高階色散、自陡、非線性頻移、群速度色散等，最終綜合影響激光器的重復(fù)頻率。在保偏光纖激光器中，采用RIC技術(shù)已實現(xiàn)了低至數(shù)十微赫茲的重復(fù)頻率鎖定精度。圖1所示為采用RIC技術(shù)在基于非線性放大環(huán)鏡鎖模的摻鉺光纖激光器上實現(xiàn)的重復(fù)頻率鎖定結(jié)果，1s積分時間下重復(fù)頻率鎖定標(biāo)準(zhǔn)偏差為77μHz。與PZT技術(shù)相比，RIC技術(shù)無須給鎖模激光器增加機械部件，易于實現(xiàn)全光纖化。不足之處在于RIC技術(shù)尚無法實現(xiàn)fr和f0的同時鎖定，僅適fr或f0的單一頻率鎖定。
圖1 RIC技術(shù)的重頻鎖定精度
主動和被動鎖定f0
對鎖定f0而言，可采用主動和被動兩種方式。主動方式是利用f-2f干涉儀獲得f0信號后，主動反饋至控制鎖模激光器的部件上，如調(diào)制抽運光抽運源，這一點與RIC技術(shù)類似。被動方式主要是通過非線性差頻消除兩個同源脈沖的相位漂移。該方法是將源于一臺激光器的飛秒脈沖進(jìn)行非線性頻率變換（如光參量或超連續(xù)譜），選取譜帶中的高頻和低頻進(jìn)行光學(xué)差頻，即產(chǎn)生載波相位自穩(wěn)定的超短脈沖。被動方式無需復(fù)雜反饋回路，頻率鎖定精度沒有主動方式高。f0信號的強度、位置、線寬等指標(biāo)與振蕩器腔內(nèi)脈沖演化進(jìn)程密切相關(guān)。通過控制振蕩器的抽運功率和腔內(nèi)脈沖的偏振態(tài)，或利用聲光移頻器進(jìn)行前饋控制均可實現(xiàn)f0信號的鎖定。圖2為在非線性放大環(huán)鏡鎖模的摻鉺光纖激光器上實現(xiàn)的偏頻鎖定結(jié)果。目前，在±2℃在實驗室環(huán)境下，f0鎖定時長超過1周。
圖2 閉環(huán)情況下載波包絡(luò)偏移頻率，頻率掃描范圍200 kHz，頻率分辨率為100 Hz
光纖光梳產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
光纖光梳光源特別是光纖超短脈沖激光器產(chǎn)品化的發(fā)展趨勢和應(yīng)用領(lǐng)域日益清晰。國外早在2000年左右就開始了超短脈沖光纖激光器產(chǎn)品化的探索工作，并涌現(xiàn)出如Menlosystems、Toptica、IMRA等知名公司。德國Menlosystem公司是全球領(lǐng)先的光梳光源供應(yīng)商，推出了多個版本的光纖光梳光源，包括緊湊型光梳、低噪聲光梳、中紅外光梳等產(chǎn)品型號。德國Toptica公司于2004年起建立超快光纖激光體系，現(xiàn)已將業(yè)務(wù)拓展到光梳領(lǐng)域，結(jié)合光學(xué)差頻方法，可提供420 nm至2200 nm波段范圍內(nèi)選擇輸出。
近十年，在國家科技和產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)下，華東師范大學(xué)、西安光機所、國家授時中心等高校科研院所逐步開始了光纖光梳的工程樣機開發(fā)。另一方面，國內(nèi)的超快激光器公司也如雨后春筍式爆發(fā)，如朗研科技、安揚激光、國神光電、頻準(zhǔn)激光等專注于超快激光器的公司，以及大族激光、華日激光、德龍激光等激光加工設(shè)備企業(yè)都相繼推出了超快激光器產(chǎn)品。上海朗研光電科技有限公司（朗研科技）在國家重大儀器專項項目和國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，以“產(chǎn)學(xué)研”的形式開發(fā)包括XFiber Elite/Pro/Advance、SyncLaser等多個系列的超快激光器產(chǎn)品，以及XFFC系列光纖光學(xué)頻率梳。
圖3 上海朗研光電創(chuàng)新研發(fā)的光學(xué)頻率梳及超快激光光源儀器，具有光機電一體化集成、穩(wěn)定性高的特點，內(nèi)置軟件可實現(xiàn)輸出遠(yuǎn)程控制。
在應(yīng)用端需求的牽引下，在多種差異化的光纖激光器結(jié)構(gòu)和桌面化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，朗研科技研發(fā)的超快激光器通過了多家第三方單位的嚴(yán)苛測試，如高低溫循環(huán)測試、三維振動測試、高空跌落測試、長途運輸測試等。光源產(chǎn)品在工業(yè)加工生產(chǎn)線7×24小時不間斷運轉(zhuǎn)超過2年以上。
隨著中國裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，全球超快激光技術(shù)和應(yīng)用爆發(fā)式增長，特別表現(xiàn)在工業(yè)精細(xì)加工、晶圓隱形切割、玻璃切割、疾病診斷和治療、THz產(chǎn)生和探測、生物醫(yī)學(xué)雙光子或Cars顯微成像、激光直寫和3D打印、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域。目前，光纖超快激光器的產(chǎn)業(yè)化形式十分樂觀，中低功率核心器件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，高功率器件在未來的幾年內(nèi)也日趨成熟，逐步達(dá)到量產(chǎn)規(guī)模。但目前，光纖超快激光器（特別是光學(xué)頻率梳）的裝調(diào)方式尚處于全手工階段，各大公司的量產(chǎn)能力尚待提升。因此，系統(tǒng)整機售價的降低、更大規(guī)模應(yīng)用的開發(fā)尚需時日。
作者簡介
郝強1，沈旭玲2，曾和平1,2
1上海現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)實驗室，光學(xué)信息與計算機工程學(xué)院，上海理工大學(xué)
2精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，華東師范大學(xué)
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