用于等效時(shí)間采樣應(yīng)用的空間多路單腔雙光梳激光器介紹

1．介紹

雙光學(xué)頻率梳(簡稱雙光梳)[1]的概念在光頻梳被提出后不久被引入[2-4]。在時(shí)域上，雙光梳可以理解為兩個(gè)相干光脈沖序列，它們的重復(fù)頻率有輕微的偏移。自問世以來，雙光梳光源及其應(yīng)用一直一個(gè)重要研究課題[5]。雙光梳光源與早期用于泵浦探測(cè)測(cè)量的激光系統(tǒng)有許多相似之處。特別是，利用兩種不同重復(fù)頻率對(duì)超快現(xiàn)象進(jìn)行采樣的想法，早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)通過等效時(shí)間采樣概念的演示進(jìn)行了探索[6,7]。在這種情況下，通過frep/ 的因子，超快動(dòng)態(tài)過程在時(shí)域中被縮小到更慢的等效時(shí)間。這里frep是采樣頻率，是采樣頻率與激發(fā)重頻的差值。這個(gè)概念很快通過一對(duì)相互穩(wěn)定的鎖模激光器實(shí)現(xiàn)，通常被稱為異步光采樣(ASOPS)[8]。雙光梳方法和ASOPS激光系統(tǒng)的一個(gè)顯著區(qū)別是兩個(gè)脈沖序列鎖在一起的相位和定時(shí)的精度。因?yàn)殡p光梳鎖模的發(fā)明，特別是在一個(gè)自由運(yùn)行的激光腔產(chǎn)生兩個(gè)光頻梳，這個(gè)邊界已經(jīng)變得模糊。這種激光器最初是在光纖[9]和固態(tài)[10,11]增益材料中實(shí)現(xiàn)的，隨后出現(xiàn)了大量的激光腔多路復(fù)用方法[12]。由于脈沖在同一腔內(nèi)循環(huán)，它們經(jīng)歷類似的干擾，導(dǎo)致相關(guān)的噪聲特性，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用[13]來說已經(jīng)足夠了。類似地，與電子鎖定異步光采樣ASOPS系統(tǒng)相比，由于共腔結(jié)構(gòu)和鎖模激光器振蕩器的優(yōu)秀無源穩(wěn)定性，有降低時(shí)間抖動(dòng)的潛力[14,15]。此外，由于這些系統(tǒng)顯著降低了復(fù)雜性(一個(gè)振蕩器，沒有復(fù)雜的鎖定電子設(shè)備)，它們可以在雙光梳激光器通常無法達(dá)到的新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)際測(cè)量。另一方面，自由運(yùn)行的激光器容易受到相對(duì)光學(xué)相位漂移和兩個(gè)脈沖序列之間重復(fù)頻率差異的影響，這必須加以考慮。

 

迄今為止，單腔雙頻梳激光器的運(yùn)行通常是在激光設(shè)計(jì)或性能上的折衷。例如，將無源雙折射晶體插入腔中[10]，用雙折射增益元件對(duì)偏腔線[16]，分割激光增益帶寬[17]，或利用環(huán)形腔的雙向運(yùn)行[9,11]。最近，在高功率鎖模薄片激光器結(jié)構(gòu)中也研究了涉及獨(dú)立腔端鏡的空間分離模概念[18,19]。然而，在這些最新的實(shí)現(xiàn)中，并不是所有的內(nèi)腔組件都是共享的以便降低常規(guī)噪聲抑制。

 

在這篇文章中，我們提出了一種激光腔多路復(fù)用的新方法，通過在表面插入一個(gè)具有兩個(gè)獨(dú)立角度的單片器件，例如雙棱鏡，使空間分離模式存在。因此，通過在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b雙棱鏡，可以將對(duì)單光頻梳操作最優(yōu)的空腔適應(yīng)為雙光頻梳空腔。利用這種方法，在80 MHz重復(fù)頻率，在脈沖小于140fs的情況下，我們從單個(gè)固體激光器腔中獲得了2.4 W的平均功率。兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率差可在[- 450Hz, 600Hz]范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。表征得到脈沖之間的相對(duì)時(shí)序噪聲為僅為光周期的一小部分：在[20 Hz至100 kHz]的綜合帶寬下為2.2 fs。這是迄今為止報(bào)告的在這個(gè)頻率范圍內(nèi)自由運(yùn)行的雙梳激光器中最低的相對(duì)時(shí)間噪聲。此外，我們?cè)诙嗦窂?fù)用元件上應(yīng)用壓電反饋來抵消低頻環(huán)境干擾和漂移，因此我們可以在超過5小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為70的重復(fù)頻率差穩(wěn)定性。

 

2．諧振腔設(shè)計(jì)與振蕩器性能

圖1所示。(a)激光腔布局。泵浦使用一個(gè)980nm多模二極管。DM:泵浦/激光二色性，OC:激光輸出耦合器， 5.5%的激光透過率，泵浦光高透過率。增益介質(zhì)是摻雜4.5%的Yb:CaF2晶體 [20]。該腔采用具有介電介質(zhì)頂部涂層的多量子阱SESAM，獲得高飽和通量Fsat=142J/cm2，調(diào)制深度R=1.1%。(b)激光輸出功率和脈沖持續(xù)時(shí)間隨總泵浦功率的變化。

圖1(a)顯示了我們的自由運(yùn)行雙光頻梳激光腔的布局。我們使用多模泵浦二極管和端泵浦腔結(jié)構(gòu)，類似于我們之前報(bào)道的偏振復(fù)用雙梳狀激光器的配置[20,21]。然而，與過去的報(bào)道相反，在有源元件，即增益晶體和半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)上的空間分離是通過插入一個(gè)具有高度反射涂層的雙棱鏡來獲得的。通過使用一個(gè)頂角179°的雙棱鏡，我們獲得了在增益介質(zhì)上模式分離1.6 mm和在SESAM上模式分離1 mm。圖1(b)顯示了掃描泵浦功率時(shí)單個(gè)光梳的性能。該孤子鎖模激光器的最大工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)2.4 W平均輸出功率，脈沖持續(xù)時(shí)間分別為138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，激光器的光對(duì)光效率為40%。

 

我們得到了兩個(gè)光頻梳的自啟動(dòng)鎖模。在最高輸出功率下的激光輸出診斷如圖2(a-b)所示，這表示基模鎖定是很干凈的。壓電致動(dòng)器可以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)雙棱鏡的橫向位置，把其安裝在一個(gè)平移臺(tái)上，該平移臺(tái)可通過壓電致動(dòng)器進(jìn)行大范圍的任意步進(jìn)調(diào)節(jié)。雙棱鏡的平移可以調(diào)整兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率差，從-450 Hz到600 Hz，對(duì)激光輸出性能的影響可以忽略不計(jì)(圖2(c))。在較大的行程時(shí)，雙棱鏡頂點(diǎn)上的模削效應(yīng)導(dǎo)致輸出功率的降低。

圖2所示。(a)用光譜分析儀(分辨率設(shè)置為0.08 nm)測(cè)量對(duì)數(shù)尺度下的激光輸出光譜。(b)用微波頻譜分析儀分析快速光電二極管產(chǎn)生的光電流的歸一化功率譜密度。插圖顯示放大的兩個(gè)射頻梳的一次諧波。(c)雙棱鏡側(cè)面不同位置的重復(fù)頻率差異。
 

3．噪聲特性

接下來，我們?cè)u(píng)估了共腔方法獲得兩個(gè)脈沖序列與低相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)有效性。首先，我們進(jìn)行相位噪聲特性，試圖獲得每個(gè)單獨(dú)的脈沖序列的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)。我們?cè)谝粋�(gè)快速光電二極管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上檢測(cè)每個(gè)脈沖序列，并選擇帶有可調(diào)諧帶通濾波器的第6個(gè)重復(fù)頻率諧波。該信號(hào)通過信號(hào)源分析儀(SSA) (E5052B, Keysight)進(jìn)行分析。得到的相位噪聲功率譜密度(PSD)和綜合時(shí)間抖動(dòng)如圖3所示。從測(cè)量中我們看到，每一個(gè)單獨(dú)的脈沖序列的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)非常小，相位噪聲PSD看起來幾乎相同。為了測(cè)量兩個(gè)脈沖序列之間的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的相關(guān)性，我們開發(fā)了一種基于梳齒跳動(dòng)的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)使用了兩個(gè)單頻連續(xù)激光器[22]。這種相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)可以揭示任意重復(fù)頻率差下自由運(yùn)行的雙梳激光的不相關(guān)噪聲。得到的不相關(guān)的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)在圖3中用黑線表示。我們發(fā)現(xiàn)相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)平均比絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)低25dB，這表明由于單腔結(jié)構(gòu)，有很好的共相位噪聲抑制。集成的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)為2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。這表明，即使在較長的數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)，也可以從自由運(yùn)行的激光腔獲得亞周期相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)。

圖3所示。(a)使用信號(hào)分析儀測(cè)量每個(gè)脈沖序列的絕對(duì)(紅色和藍(lán)色)時(shí)序噪聲。使用[22]中描述的方法測(cè)量的兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)(黑色)。(b)時(shí)序噪聲曲線積分得到的時(shí)序抖動(dòng)。

我們開發(fā)了這種激光器用于等效時(shí)間采樣應(yīng)用，如泵浦探測(cè)光譜和皮秒超聲[20]。因此，我們還沒有詳細(xì)研究該光源如何適用于需要長期相對(duì)光學(xué)相位穩(wěn)定性的高分辨率雙梳光譜。在50毫秒的采集周期內(nèi)，可以觀測(cè)到一些射頻梳齒結(jié)構(gòu)。然而，精確的雙光梳光譜學(xué)應(yīng)用仍然依賴于用一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波激光器跟蹤光學(xué)相位波動(dòng)，例如通過自適應(yīng)采樣方法，如[23]中的展示。從圖3可以觀察到，在700 Hz和1600 Hz附近有幾個(gè)噪聲峰值，這可能是由機(jī)械共振引起的，因此可以通過仔細(xì)的光學(xué)機(jī)械優(yōu)化來消除。然而，這些共振降低了兩個(gè)脈沖序列之間的相位相干性。由于較大的光帶寬和相對(duì)較低的80 MHz的重頻，混疊條件要求在500 Hz以下的重頻差范圍內(nèi)使用。在這樣的低頻率下，機(jī)械噪聲比如來自上述諧振，將影響相互相位相干性。更適合自由運(yùn)轉(zhuǎn)雙光梳光譜的結(jié)構(gòu)包括更高的重頻和重頻差異，如[13,22]，在此機(jī)制中提出的技術(shù)探索將是未來工作的主題。在這篇文章中，我們著重于將這種新光源應(yīng)用于泵浦探測(cè)光譜的應(yīng)用，在這里，激光的峰值功率可以用來直接激發(fā)非線性過程。80MHz的重頻可以實(shí)現(xiàn)12.5 ns的大延遲掃描范圍，超低的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)可以用于精確的時(shí)間軸校準(zhǔn)。

 

激光相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)是任何快速采樣應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)之一。我們?cè)谝韵赂邉?dòng)態(tài)范圍測(cè)量配置中分析了我們的激光器的RIN。我們使用一個(gè)光電二極管，每個(gè)光頻梳的平均梳齒功率同時(shí)設(shè)定為10mW。為了獲得RIN光譜，我們使用SSA進(jìn)行基帶測(cè)量。首先，我們用一個(gè)低噪聲跨阻抗放大器(DLPCA-200, Femto)測(cè)量低頻分量(<200 kHz)。為了測(cè)量更高頻率的分量，我們用一個(gè)偏置TEE (BT45R, SHF通信技術(shù)AG)分割信號(hào)的交流和直流部分。交流部分用低噪聲電壓放大器(DUPVA-1-70, Femto)放大。將兩個(gè)測(cè)量值拼接在一起，得到每個(gè)光頻梳的完整RIN譜，如圖4所示。我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)光梳的綜合RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。
 

圖4所示各光梳的相對(duì)強(qiáng)度噪聲譜。根據(jù)光電二極管的規(guī)格和測(cè)量的輸入功率計(jì)算散粒噪聲極限。

4．等效時(shí)間采樣應(yīng)用

為了使激光器應(yīng)用于泵浦探測(cè)光譜應(yīng)用，我們將它與一個(gè)光參量振蕩器(OPO)的一個(gè)輸出光束耦合。OPO能夠?qū)崿F(xiàn)波長的多色泵浦探測(cè)測(cè)量。此外，由于OPO是同步泵浦，兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)間保持不變。我們用ppln晶體(HC Photonics)設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)諧振在1600nm的OPO。用2 W輸出的comb1泵浦可獲得876 mW的信號(hào)光。同時(shí)，我們還產(chǎn)生了OPO信號(hào)的二次諧波，以獲得800 nm的光，測(cè)量脈沖周期為151 fs，平均功率為390 mW。從振蕩器輸出的comb2可輕松倍頻獲得526 nm的光，使該激光源成為各種波長下理想的光譜學(xué)工具。

 

為了在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)也能獲得重頻差的長期穩(wěn)定性，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)慢反饋閉環(huán)。comb1和comb2的部分功率發(fā)送到基于BBO的光學(xué)互相關(guān)器。我們使用一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器，通過計(jì)算互相關(guān)信號(hào)之間的時(shí)間來跟蹤重頻差的波動(dòng)，類似于[20,21]中使用的方法。為此，我們使用了一個(gè)定制的FPGA模塊，該模塊能以100Hz或更高的采集速率下獲取comb1和comb2的重頻差，精度優(yōu)于10-6。記錄的重頻差信號(hào)在計(jì)算機(jī)上處理，通過調(diào)節(jié)施加到壓電致動(dòng)器上的電壓來對(duì)復(fù)用元件進(jìn)行校正。電壓信號(hào)以大約frep的速率更新。

為了驗(yàn)證兩組多色脈沖序列的相對(duì)長期穩(wěn)定性，我們用另一種光學(xué)互相關(guān)裝置測(cè)量重頻差，如圖5(a)所示。我們將OPO倍頻輸出(800 nm，comb1)與直接激光輸出(1052 nm，comb2)相互關(guān)聯(lián)。在超過5小時(shí)的時(shí)間窗口中，我們發(fā)現(xiàn)重頻差波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為70，如圖5(b)所示。

圖5所示。(a)帶兩個(gè)光學(xué)交叉相關(guān)器(XCORR)的多色等效時(shí)間采樣裝置。XCORR 1用于向激光提供慢反饋，XCORR 2用于執(zhí)行環(huán)外測(cè)量。(b)使用XCORR 2的長期重頻差穩(wěn)定性。設(shè)置為300Hz。

5．結(jié)論

我們展示了一種新穎的激光腔復(fù)用方法，該方法允許在同一振蕩器中存在兩個(gè)空間分離的準(zhǔn)共徑腔模式。我們可以實(shí)現(xiàn)同步的模式鎖定，每路輸出脈寬少于140 fs，平均功率超過2.4 W。我們還描述了綜合帶寬20 Hz到100 kHz范圍內(nèi)的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)在亞周期范圍內(nèi)。我們進(jìn)一步將這種強(qiáng)大的固態(tài)激光器與OPO耦合，以獲得泵浦探測(cè)采樣應(yīng)用的多色光輸出配置。為了消除任何可能改變重復(fù)頻率差的緩慢環(huán)境漂移，我們?cè)陔p棱鏡位置上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于緩慢交叉校正的反饋環(huán)路，使我們獲得了長期性能良好的雙光梳。因此，我們的系統(tǒng)結(jié)合了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)：共腔雙光梳激光器的高被動(dòng)穩(wěn)定性和簡單性，以及對(duì)鎖定激光系統(tǒng)漂移的免疫性。我們的結(jié)果證明了新的激光腔多路復(fù)用方法的實(shí)用性，并顯示其在泵浦探測(cè)和等效時(shí)間采樣應(yīng)用中的巨大潛力。
 

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（本文譯自Spatially multiplexed single-cavity dual-comb laser for equivalent time sampling applications（J. Pupeikis,1,* B. Willenberg,1,* S. L. Camenzind,1 A. Benayad,2 P. Camy,2 C. R. Phillips,1,* And U. Keller1     

1 Department of Physics, Institute for Quantum Electronics, ETH Zurich, Auguste-Piccard-Hof 1, 8093 Zurich, Switzerland 2 Centre de Recherche sur Les Ions, Les Matériaux et La Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie, 6 Boulevard Du Maréchal Juin, 14050, Caen Cedex 4, France）

 

參考文獻(xiàn)

1.S. Schiller, "Spectrometry with frequency combs," Opt. Lett. 27, 766–768 (2002).

2.H. R. Telle, G. Steinmeyer, A. E. Dunlop, J. Stenger, D. H. Sutter, and U. Keller, "Carrier-envelope offset phasecontrol: A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation," Appl. Phys. B 69,327–332 (1999).

3.D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, "Carrier-EnvelopePhase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis," Science 288, 635–639(2000).

4.A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, Ch. Spielmann, Th. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz,"Controlling the Phase Evolution of Few-Cycle Light Pulses," Phys. Rev. Lett. 85, 740–743 (2000).

5.I. Coddington, N. Newbury, and W. Swann, "Dual-comb spectroscopy," Optica 3, 414 (2016).

6.K. J. Weingarten, M. J. W. Rodwell, H. K. Heinrich, B. H. Kolner, and D. M. Bloom, "Direct electro-opticsampling of GaAs integrated circuits," Electron. Lett. 21, 765 (1985).

7.K. J. Weingarten, M. J. W. Rodwel, and D. M. Bloom, "Picosecond optical sampling of GaAs integrated circuits,"IEEE J. Quantum Electron. 24, 198–220 (1988).

8.P. A. Elzinga, R. J. Kneisler, F. E. Lytle, Y. Jiang, G. B. King, and N. M. Laurendeau, "Pump/probe method for fastanalysis of visible spectral signatures utilizing asynchronous optical sampling," Appl. Opt. 26, 4303 (1987).

9.K. Kieu and M. Mansuripur, "All-fiber bidirectional passively mode-locked ring laser," Opt. Lett. 33, 64–66(2008).

10.S. M. Link, A. Klenner, M. Mangold, C. A. Zaugg, M. Golling, B. W. Tilma, and U. Keller, "Dual-combmodelocked laser," Opt. Express 23, 5521–5531 (2015).

11.T. Ideguchi, T. Nakamura, Y. Kobayashi, and K. Goda, "Kerr-lens mode-locked bidirectional dual-comb ring laserfor broadband dual-comb spectroscopy," Optica 3, 748 (2016).

12.R. Liao, H. Tian, W. Liu, R. Li, Y. Song, and M. Hu, "Dual-comb generation from a single laser source: principlesand spectroscopic applications towards mid-IR—A review," J. Phys. Photonics 2, 042006 (2020).

13.S. M. Link, D. J. H. C. Maas, D. Waldburger, and U. Keller, "Dual-comb spectroscopy of water vapor with a free-running semiconductor disk laser," Science (2017).

14.S. Schilt, N. Bucalovic, V. Dolgovskiy, C. Schori, M. C. Stumpf, G. Di Domenico, S. Pekarek, A. E. H. Oehler, T.Südmeyer, U. Keller, and P. Thomann, "Fully stabilized optical frequency comb with sub-radian CEO phase noise from aSESAM-modelocked 15-μm solid-state laser," Opt. Express 19, 24171 (2011).

15.T. D. Shoji, W. Xie, K. L. Silverman, A. Feldman, T. Harvey, R. P. Mirin, and T. R. Schibli, "Ultra-low-noisemonolithic mode-locked solid-state laser," Optica 3, 995 (2016).

16.M. Kowalczyk, Ł. Sterczewski, X. Zhang, V. Petrov, Z. Wang, and J. Sotor, "Dual‐Comb Femtosecond Solid‐StateLaser with Inherent Polarization‐Multiplexing," Laser Photonics Rev. 15, 2000441 (2021).

17.X. Zhao, G. Hu, B. Zhao, C. Li, Y. Pan, Y. Liu, T. Yasui, and Z. Zheng, "Picometer-resolution dual-combspectroscopy with a free-running fiber laser," Opt. Express 24, 21833–21845 (2016).