超快非线性光学技术之三十四 空间复用单腔双光梳激光

利用两个锁模激光器，可以搭建出重复频率不同的双光梳系统，也可以实现基于异步光学采样方法的泵浦探针测量系统。基于两个锁模激光器的系统产生的脉冲序列的稳定性是影响其进一步应用的重要因素。解决脉冲序列稳定性问题的一种方法是利用单腔双梳锁模技术。近年来，人们发明了多种方法实现单腔双梳系统：或是通过在光腔中插入一个双折射晶体，或是利用双波长被动锁模光纤激光器，或是采用双向环形腔结构和分离端镜结构等等。这些方法让两列光脉冲在较大程度上共享光路中的元件，以便统一控制噪声。

本期文章提出了一种新型单腔双梳激光器，其结构如图1所示。利用多模泵浦二极管和端泵浦腔，通过在适当位置插入一个表面镀有高反射膜、顶角为179°的双棱镜实现激光腔的空间复用，将系统由“单梳”转变“双梳”［1］。

图1 光腔布局 ［1］

改变泵浦激光功率，每个光梳的输出功率和脉冲宽度的变化情况如图2所示。当泵浦激光功率调节至最大时，双光梳的平均功率为2．4W，脉冲宽度分别为138fs和132fs，重复频率约为80MHz，激光器的光－光转换效率为40％。

图2 激光器产生的两光梳输出功率和脉冲宽度随泵浦功率的变化而变化［1］

图3（a）和（b）分别展现了双光梳的输出光谱和频域特征：两个光梳的中心波长有细微差别、测量得到双光梳的重复频率差为300Hz。如图3（c），在一定范围内改变双棱镜的横向位置，可以将重复频率差从从－450Hz调节至600Hz。

图3 （a）对数尺度的双光梳输出光谱；（b）双光梳在频域上的特征；（c）重复频率差随双棱镜位置改变的变化［3］

为了评估这一单腔双梳激光器能否有效获得极低的相对时间抖动脉冲序列，如图4（a），作者测量了双光梳的绝对时间抖动（蓝实线和红虚线）和相对时间抖动（黑线）。图4（b）为时间抖动的积分结果。在几乎所有的频率上，双光梳的相对时间抖动都比绝对时间抖动低25dB以上。这表明单腔结构对相对时间噪声有明显抑制效果。对相对时间抖动曲线从100kHz到20Hz积分，积分大小（2．2fs）为亚周期级别。

图4 （a）绝对时间抖动与相对时间抖动测量；（b）对（a）的积分结果［1］

接下来，作者着眼于这一激光器在快速泵浦探测采样方面的应用。考虑到快速采样应用的一个重要参数是相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN），测量得到每个梳的相对强度噪声谱如图5所示。

图5 每个梳的相对强度噪声谱［1］

此外，如图6（a）所示，作者通过添加非线性过程，扩展该激光器的工作波长。让其中一个光梳通过光参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，OPO），2W的光梳泵浦产生1600nm、876mW的OPO信号，再经过倍频（Second Harmonic Generation，SHG），得到800nm、390mW、151fs的SHG信号。OPO和SHG的加入使得原来的双光梳激光源成为具有多种波长的非线性光谱分析工具。

图6 （a）多波长等效时间采样装置；（b）长时间重复频率差稳定性的测量［1］

为了获得长期稳定的重复频率差，作者加入了一个慢反馈回路，将两个光梳的一部分输入到基于BBO晶体的光学互相关仪中，并使用另一个光学互相关仪测量双光梳的重复频率差，在超过5小时的时间范围内，重复频率差（设置为300Hz）的标准差为70μHz。

综上所述，作者提出了一种较为简单的空间复用腔结构，能够在短时间内对相对时间抖动噪声进行有效控制，并可在长时间内保持重复频率差的稳定性（2．3×10－7 σ（Δfrep）／Δfrep），这对单腔双光梳激光器的性能提升和实际应用有重要意义。

参考文献：

［1］Pupeikis， J．， Willenberg， B．， Camenzind， S．L．， Benayad， A．， Camy， P．， Phillips， C．R．， Keller， U．， 2022． Spatially multiplexed single－cavity dual－comb laser． Optica 9， 713． https：／／doi．org／10．1364／OPTICA．457787

原文标题:超快非线性光学技术之三十四 空间复用单腔双光梳激光