光纤激光频率梳关键技术的研究

光纤激光频率梳关键技术的研究

作为20世纪最伟大的发明之一,由频率控制的锁模激光所产生的光学频率梳在光频计量、光原子钟与时频传递、精密相干测量等领域具有重要应用。光纤激光频率梳结构简单、成本低且易于维护,是近年来的研究重点。本论文着重于光纤激光频率梳的关键理论和技术。从理论和实验方面对光纤激光频率梳开展了研究,主要内容包括:第一,基于脉冲在光纤色散非线性传输所满足的非线性薛定谔方程(NLSE)和广义非线性薛定谔方程(GNLSE),研究了锁模光纤激光脉冲特性、啁啾脉冲光纤放大技术和高非线性光纤超连续谱的产生技术;基于Master方程微扰理论,研究了重复频率和偏移频率的传递函数;利用固定点模型,分析了光纤激光频率梳的噪声特性和反馈机制,并提出了噪声抑制方法与实现途径;第二,提出了一种基于飞秒光纤激光器的光频率梳设计方案。

设计与研制出脉冲宽度55 fs、重复频率210 MHz的色散管理孤子锁模掺铒光纤激光器,优化设计了啁啾脉冲光纤放大链路,由负色散高非线性光纤产生了频率范围1080～2320 nm的倍频程超连续谱,经f-2f自差拍检测出信噪比达32 dB的载波包络偏移频率;论证了基于P-I电路的PLL的长期稳定的优越性,并基于此设计部分电路构建锁定电子链路;通过将重复频率的4次谐波和载波包络偏移频率锁定到商用铷钟,实现了对光学频率梳的高精度锁定。测量结果表明,1s 计数门控时间下的重复频率和偏移频率标准偏差分别为0.65 mHz和1.76 mHz,100 s采样时间时下的Allan偏差分别为1.74×10-13和1.80×10-11。第三,研究了基于双倍周期锁模光纤激光器的光梳锁定机制和锁定结果。通过优化激光腔内的OFS-980长度,设计了一种仅改变泵浦偏置电流就可实现基本被动锁模和双倍周期锁模之间切换,且两种状态下输出脉冲特性相仿的光纤激光器。

研究表明,双倍周期锁模产生的新梳齿模与原梳齿模强烈相关并具有一致的载波包络偏移频率,采用反馈控制腔长和激光泵浦功率的锁定方式同样适用。此外,仅改变泵浦偏置电流,经同一f-2f自差拍系统和与双倍周期锁模完全相同的锁定电路,还实现了基本锁模运转下的光梳锁定,从而在同一光纤系统实现了两种不同梳齿间隔的相位锁定光梳及其相互之间的切换。以上研究结果对研制实用化的低噪声光纤激光频率梳以满足光频计量、光梳光谱和微波产生等领域的应用需求具有重要的参考价值。