高重複頻率飛秒光纖雷射器中的噪聲特性研究

《高重複頻率飛秒光纖雷射器中的噪聲特性研究》是依託北京大學，由張志剛擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高重複頻率飛秒光纖雷射器中的噪聲特性研究
• 項目負責人：張志剛
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

時間抖動是飛秒雷射器在光頻原子鐘、射頻提取和電子加速器同步等方面套用中的重要指標。時間抖動的來源是飛秒雷射器腔內各種噪聲。固體飛秒雷射器的時間抖動已降低到小於10阿秒量級。飛秒光纖雷射器尚未達到這個水平。相比固體雷射器，光纖雷射器的工作中經歷的過程更複雜，產生噪聲的原因也更多。分析表明，光纖雷射器不同的脈衝形成機制，泵浦光噪聲、振盪器增益、損耗、光纖的色散及非線性效應都可能帶來鎖模脈衝的時間抖動，而縮短腔內光纖特別是非增益光纖有可能減少以上噪聲。本項目旨在研究超短光纖構成的高重複頻率飛秒光纖雷射器的時間抖動測量方法和來源，以期構建固體雷射器同等水平時間抖動的飛秒光纖雷射器。主要技術手段是利用平衡式互相關器和相噪儀等對幾種雷射器參數下的時間抖動和噪聲進行測量。本項目的特色是以我研究組獨立研製的GHz重複頻率的飛秒光纖雷射器為研究對象，而研究結果有可能使這種雷射器成為超低噪聲的飛秒光纖雷射器。

結題摘要

高重複頻率飛秒雷射器是很多高端科學儀器的基礎。雖然有很多高於1GHz重複頻率的光纖雷射器出現，本研究組研製的0.75-1GHz重複頻率雷射器仍然是輸出功率最高、單脈衝能量最高、脈衝最短的飛秒光纖雷射器。但是其噪聲或脈衝的時間抖動，還沒有被研究過。而噪聲對於飛秒光纖雷射器的套用，是十分重要的。本項目的主要研究內容，是高重複頻率飛秒光纖雷射器自由運轉時的噪聲或時間抖動及來源，提出抑制噪聲的方法，並研製出低噪聲的大頻率間隔、高縱模（梳齒）功率的飛秒光纖雷射器和光學頻率梳。項目取得的主要研究成果如下：(1)通過構築的兩套高重複頻率光纖雷射器系統和噪聲測量裝置“光學平衡互相關係統”，將測量的噪聲基底降低了近4個數量級，準確地獲取了超寬頻率範圍內的時間抖動功率譜密度圖。通過仿真模擬和理論分析，確定了雷射器時間抖動噪聲的來源以非線性相移為主。證實了GHz重複頻率的雷射器自由運轉時的相位噪聲特性符合量子受限噪聲與脈衝重複頻率的平方成正比的規律。(2)從自由運轉的雷射器噪聲特性分析得出，在低頻範圍內，相對強度噪聲是造成時間抖動噪聲的主導因素。通過壓制相對強度噪聲，使時間抖動噪聲功率譜下降了10dB。(3)經過改進後的高速調製器件對重複頻率和初始頻率的快速鎖定，將雷射器0.1Hz~10MHz積分區間內的時間抖動壓縮到5fs量級，秒不穩定度降低到1.5x10^(-18)。 (4)低噪聲高重複頻率光纖雷射器的優勢是可以得到高信噪比的拍頻信號。實驗證明，我們的1GHz的光纖雷射器可以同時與6個以上的光學參考頻率拍頻，信噪比都高於30dB。而如此高的信噪比用通常的放大再擴譜的方法是很難都達到的，顯示了這種低噪聲高重複頻率光纖雷射器或頻率梳的優勢。 項目執行期間發表了期刊篇論文10篇，會議論文5篇，申請專利1項。所研製的低噪聲飛秒雷射器已經提供給日本電氣通信大學、德國同步輻射中心、美國密西根大學和勞倫斯伯克利國家研究所及國內研究單位。還收到了國內外一些大學的合作要求，顯示了研究成果的意義。