Pieptenii de frecvență optică de mare putere joacă un rol foarte important în spectroscopia de precizie neliniară, generarea de pieptene de frecvență optică ultravioletă extremă, cercetarea ceasului nuclear și atomic etc. Laserele cu fibre femtosecunde sunt soluția preferată pentru realizarea pieptenilor de frecvență optică de mare putere datorită avantajelor de structură simplă, performanță stabilă și amplificare ușoară. Cu toate acestea, din cauza zgomotului de emisie spontană inevitabil (ASE), a zgomotului de intensitate a pompei, a degradării coerenței spectrale și a jitterului de fază cauzat de calea luminii în amplificarea laser cu fibră, stabilitatea frecvenței pieptenului optic este grav afectată. Prin urmare, este o sarcină dificilă obținerea stabilității de înaltă frecvență în timp ce amplificarea de putere mare.
Pentru a aborda problemele de mai sus, pe baza cercetării pe termen lung a tehnologiei cu frecvență optică, grupul L07 al Laboratorului cheie de fizică optică, Institutul de Fizică, Academia Chineză de Științe/Centrul Național de Cercetare pentru Fizica Materiei Condensate din Beijing, a propus succesiv soluțiile tehnice de adoptare a sursei de semințe de fibră optică cu zgomot redus, amplificare liniară a impulsului și modulare în fază rapidă a cristalelor electro-optice intracavitate etc. și generarea spectrului de supercontinuu de înaltă coerență prin fibra de cristal fotonic con tragere și combinarea cu Designul structural integrat, controlul temperaturii, izolarea vibrațiilor și alte proiecte de inginerie au redus efectiv zgomotul pieptenului de frecvență optică. Recent, Hainian Han, un cercetător asociat în grup, și Xiaodong Shao, un bursier postdoctoral, au obținut în continuare o stabilitate a frecvenței în afara inelului de ordinul a 10-19/1000s pe o putere medie mare de 20 W. pieptene de frecvență de fibră optică. Se știe că acesta a atins stabilitatea de frecvență a celor mai bune ceasuri atomice optice actuale și este, de asemenea, rezultatul optim obținut de pieptenii de frecvență optică de mare putere până acum. Figura 1 prezintă diagrama schematică a celor două prototipuri identice de inginerie pieptene de fibră optică de mare putere dezvoltate și comparația pieptenelui optic dublu extra-anular pentru a măsura stabilitatea frecvenței.
Un oscilator laser cu fibră polarizată neliniar și blocat în mod rotațional (NPR) auto-construit a fost utilizat ca sursă de impuls de semințe de femtosecundă în studiu și o ieșire laser de femtosecundă de mare putere cu o putere medie mai mare de 20 W și o lățime a impulsului de 75 fs a fost obținut după amplificarea pulsului cu ciripit liniar (CPA). Stabilitatea frecvenței blocate a frecvenței de defazare a anvelopei purtătorului (CEO) este de 1,5×10-17/s. În blocarea frecvenței optice, impulsurile femtosecunde ieșite din diferite ramuri ale oscilatorului și amplificatorului sunt conectate separat cu laserul de referință super-stabil, iar dacă semnalul conectat al amplificatorului este utilizat pentru blocare, stabilitatea frecvenței măsurată a puterii mari. inelul laser amplificat poate atinge 2×10-18/s, în timp ce numai în cazul CPA, stabilitatea frecvenței poate ajunge la 2×{10-18/s, iar în cazul numai CPA, frecvența stabilitatea poate atinge 2×10-18/s. -18/s, în timp ce în cazul blocării numai a ieșirii impulsului femtosecunde de la oscilator, dacă amplificatorului i se permite să funcționeze liber, stabilitatea frecvenței poate ajunge doar la 10-15/s, care este de trei ordine de magnitudine mai rău. Analiza spectrului de putere a zgomotului arată că amplificatorul introduce o cantitate mare de zgomot de joasă frecvență, care are un efect semnificativ asupra stabilității pe termen lung a frecvenței de pieptene a frecvenței optice, iar diferența este chiar până la patru ordine de mărime la un timp de poartă de 1000 s, așa cum se arată în Fig. 2 (a). În plus, rezultatele analizei zgomotului de fază, care caracterizează stabilitatea pe termen scurt a frecvenței, arată, de asemenea, că, după o serie de măsuri de control al zgomotului, zgomotul de înaltă frecvență introdus de amplificator este foarte mic și nu afectează stabilitatea pe termen scurt a sistemului.
Pentru a evalua performanța stabilității frecvenței a acestui pieptene de frecvență optică de putere medie mare în aplicații practice, doi piepteni de frecvență laser cu fibră de mare putere de 20W sunt măsurați pentru prima dată în acest studiu. Rezultatele măsurătorii arată că valoarea tipică de stabilitate a frecvenței în afara inelului este de 4,35×10-17/s la 1 s timp de integrare și scade la 6,54×10-19 la 1000 s timp de integrare, după cum prezentat în Fig. 2(b), care va deschide noi uși pentru multe aplicații care necesită putere mare și stabilitate de înaltă frecvență a pieptenilor optici. Acest progres al cercetării a fost publicat recent în Optics Express sub titlul „High power optical frequency comb with 10-19 frequency instability” (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Primul autor al articolului este Xiaodong Shao, iar co-supervizorii sunt Zhiyi Wei și Hainian Han. Această lucrare a fost susținută de Programul Pilot al Academiei Chineze de Științe (XDA1502040404, XDB210104004) și Fundația Națională de Științe Naturale din China (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Un pieptene de frecvență cu fibră optică de mare putere de 20 W, cu stabilitate de frecvență extra-inelară de ordinul 10-19.
Fig. 1 (a) Fotografia prototipului de principiu proiectat al pieptenului optic cu fibră optică de mare putere, (b) Diagrama schematică a măsurării stabilității frecvenței extra-ring a pieptenului de frecvență optică de mare putere
Fig. 2 (a) Stabilitatea frecvenței oscilatorului și amplificatorului blocate separat, (b) Stabilitatea frecvenței pieptenului de frecvență optică de mare putere cu comparație în afara inelului
