光频测量用飞秒激光频率梳光谱扩展实验研究

张大鹏，梁志国，叶蓬

(1.中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095;2.中国科学院物理研究所，北京100080)

0 引言

1983年，国际计量委员会 (CIPM)推荐将127I2饱和吸收稳频的633 nm He-Ne激光波长作为复现米定义的标准［1］，中航工业计量所 (CIMM)建立的633 nm碘稳频激光装置于1986年被国家计量局定为国家副基准 (编号NO.02)。作为现行有效的633 nm波长国家副基准装置，至今一直担负着为国防工业及科研机构进行量值传递及溯源的工作。

飞秒激光频率梳的出现，建立了微波频率与光波频率的直接链接，在实现光学频率直接绝对测量的同时又将光频直接溯源至具有更高精确度的时间频率基准 (原子钟)，这给波长计量及光频标的建立带来了革命性的进展，而有望成为下一代光频基准的组成部分［2～4］。中航工业计量所作为现行有效的633 nm波长国家副基准装置的保有单位，能够利用飞秒激光频率梳实现对编号NO.02激光的各峰值频率的绝对测量成为颇具意义的工作。鉴于此，为了利用本研究小组研制的350 MHz重复频率、650～950 nm波段钛宝石飞秒激光频率梳来实现对编号NO.02激光频率的绝对测量，本小组在飞秒激光频率梳重复频率frep和载波包络相移频率fceo同时锁定到氢原子钟10 MHz参考频率标准的前提下，分别采用棱镜对和啁啾镜对对脉宽进行了压缩，然后注入光子晶体光纤进行扩谱实验以期得到适用于光频测量的覆盖633 nm波长的飞秒激光频率梳。

1 650 nm～950 nm波段钛宝石飞秒激光频率梳

本实验中钛宝石飞秒激光频率梳采用“单块”结构，图1给出其结构示意图。“单块”结构是指在获取载波包络相移信号fceo时采用了单独一块MgO:PPLN晶体来取代传统方案“f-2f”结构中的光子晶体光纤PCF与非线性干涉系统以实现相应的非线性效应的光路结构。这避免了PCF耦合精度要求高、端面容易损坏、长期稳定性差等致命缺点，同时激光器结构更加紧凑，易于维护［5］。

图1 650～950 nm飞秒激光频率梳结构示意图

如图1所示，飞秒激光振荡器采用Z型折叠腔，泵浦源为半导体抽运的Nd:YVO4倍频532 nm固体激光器 (Coherent，Verdi-V8)，谐振腔内利用啁啾镜对(M1～M4)及光楔 (W1，W2)进行色散补偿，工作物质为钛宝石晶体Ti:s，抽运功率在4.3 W时，钛宝石振荡器输出飞秒激光脉冲的平均功率为520 mW，脉宽为7.5 fs，重复频率为350 MHz。输出的飞秒激光脉冲由银镜M5导入啁啾镜对 (M6，M7)及光楔 (W3，W4)进行色散补偿后再由银镜M8注入PPLN晶体，M9，M10为凹面镜，在自相位调制 (SPM)和非线性频率混合 (倍频或差频)效应的作用下，在晶体中存在两个有重叠光频的飞秒激光频率梳，重叠部分外差相干后便得到了载波包络相移fceo;最后经半反半透镜M11透射的红外波段飞秒脉冲由光电探测器转化为电信号用于探测重复频率frep与载波包络相移fceo，图中M12为半反半透镜、M13为聚焦透镜。重复频率frep、载波包络相移频率fceo分别由频率稳定电路同时锁定到氢原子钟10 MHz参考频率上，图2给出了重复频率frep与载波包络相移fceo同时锁定后在PPLN晶体处观察到的光谱曲线，此时该光谱未包含633 nm波段，若实现对633 nm光频的绝对测量，须进行光谱的扩展。

图2 650～950 nm飞秒激光频率梳光谱曲线图

2 光子晶体光纤扩谱实验

光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)具有较强的非线性效应和可控的色散特性，当具有一定能量的飞秒激光脉冲通过光子晶体光纤时会产生频谱的极大展宽——超连续谱 (Supercontinuum，SC)，这使得光子晶体光纤成为激光频谱扩展的有效手段［6-8］。本实验中选用的是Crystal Fiber公司Femtowhite800型非线性超连续谱发生器，其采用小的纤芯直径及大的包层纤芯折射率差来保障高的非线性系数。纤芯为有效模面积2μm2的单模光纤，长度为12 cm，其色散特性由图3给出，其零色散波长为750 nm。

图3 Femtowhite800光子晶体光纤色散特性曲线

图1所示钛宝石飞秒激光频率梳的平均输出功率为P=450 mW，重复频率为frep=350 MHz，单脉冲能量为ε=1.29 nJ，输出窗口处脉冲宽度为100 ps。为了获得覆盖633 nm波长的更宽的光谱，首先需要对注入光子晶体光纤的飞秒激光频率梳脉冲进行脉宽压缩，以提高脉冲的峰值功率来产生更强的非线性效应。

常规进行脉宽压缩的方法采用图4所示光路进行，P1，P2为压缩脉宽用棱镜对，M1，M2为导光银镜，激光脉冲注入光子晶体光纤前由消色差物镜Lens进行聚焦缩束。图5给出棱镜对色散原理示意图，图中l为棱镜对顶间距离，β是空间啁啾引起的色散角度。

图4 棱镜对压缩脉宽扩谱光路示意图

图5 棱镜对色散示意图

为最大限度的减少插入损耗，需要设计棱镜使得入射角和出射角正好是布儒斯特角，当光线经过棱镜对后，对色散有贡献的光程为p=lcosβ，棱镜对系统的二阶、三阶群速度色散量分别为

式中:λ为光在空气中的波长，对于图1所示宽波段光脉冲波长取λ=800 nm。飞秒脉冲经过空气及棱镜等色散介质产生的色散，可以根据Sellmeier方程得到。在棱镜参数确定的情况下，色散主要依赖于棱镜对P1，P2的间距l，经计算，本实验中棱镜间距设置为70 cm，其引入的色散量为-1400 fs2，可以很好地补偿二阶色散。经过棱镜对压缩脉宽后的光脉冲由银镜M1，M2注入光子晶体光纤，图6给出了扩谱后飞秒激光频率梳的光谱曲线。相比扩谱前，光谱向短波方向发生了“蓝移”，覆盖633 nm波长，最短波长低于600 nm。

在利用光谱仪持续观测该扩展后光谱时出现了整个光谱忽强忽弱的现象，这将导致扩展出的633 nm波长成分无法用于频率测量，这种现象可以从两方面给出解释:①实验中整个光路裸露于空气中，空气环境扰动导致经消色差物镜聚集后的光束偏离纤芯的模场空间而使得光纤耦合不稳定;②由图1所示飞秒激光频率梳输出的激光脉冲，经各器件到达光子晶体光纤PCF前的“光程臂长”过大 (约1 m)，在“光程臂长”中某一器件引起的光路偏离在到达PCF时均被放大，使其偏离纤芯模场空间。

图6 棱镜对压缩脉宽扩谱光频曲线图

综上两点，“光程臂长”过大是采用棱镜对压缩脉宽所导致的必然结果，并且这将导致该扩谱结构对环境扰动极其敏感而无法得到稳定可用的光谱。对此，本研究小组采用啁啾镜对代替棱镜对进行脉宽压缩，光路如图7所示。啁啾镜对CM1，CM2采用Layertec公司产品，在640～1000 nm波段镀有高反膜，反射率高于99.8%，在680～940 nm波段群速色散量为-50 fs2，在啁啾镜对上反射22次后，引入色散量-1100 fs2，脉宽压缩后的光脉冲由导光反射镜M3反射，经40倍消色差物镜Lens注入光子晶体光纤 PCF获得“蓝移”后的600～950 nm宽带光谱，通过微调光子晶体光纤空间角度时可以实现光谱谱峰的可调，图8给出了633 nm处于谱峰时的光谱曲线，利用光谱仪经过对其5 h的实时观测，该光谱曲线没有出现幅值抖动，满足测量633 nm波长激光频率的光谱范围需求。

图7 啁啾镜对压缩脉宽扩谱光路示意图

图8 啁啾镜对压缩脉宽扩谱光频曲线图

3 600～950 nm飞秒激光频率梳稳定度分析

以上扩谱实验均在重复频率frep与载波包络相移fceo同时锁定到氢原子钟10 MHz参考频率标准上的前提下进行，为了验证扩谱后的600～950 nm宽带飞秒激光频率梳的稳定情况，采用两台Agilent53132A型频率计数器同时采集频率值frep，fceo，图9、图10分别给出了16000 s时间内频率frep，fceo随时间变化的曲线。

图9 扩谱后frep随时间变化曲线图

图10 扩谱后fceo随时间变化曲线图

表1给出了在16000 s时间内，频率frep，fceo及633 nm波长副基准 (2012年由633 nm波长国家基准检定结果)不同门时间对应的阿伦偏差值。

经频率计数器测量，本实验中16000 s时间内重复频率和载波包络相移频率的均值分别为frep=351.67634904446 MHz，fceo=20.60242937 MHz。飞秒激光频率梳在频域内表现为孤立的光频齿序列，第N条梳齿的频率值表达式为fN=Nfrep+fceo，其中频率值fceo为107Hz量级，在上式中直接参与加减，其频率变化量为10-4Hz/s或10-3Hz/s量级;而频率值frep为108Hz量级，Nfrep为1014Hz量级，其频率变化量为102Hz/s量级，故本实验中飞秒激光频率梳的光频齿频率稳定度完全取决于frep锁定后的稳定度，由表1及氢原子钟的频率稳定度可以判断，此600～950 nm波段飞秒激光频率梳的频率稳定度同步于氢原子钟。实验中633 nm波长副基准e吸收峰参考频率值为f=473612366.961 MHz，对应飞秒激光频率梳光频齿的序列号为N633-e=1346728，这意味着在测量e峰光频时为飞秒激光频率梳中第1346728条光频齿与e峰进行拍频，只需测量出二者频率差值便可得到e峰光频绝对值。综上，经光谱扩展后光谱范围覆盖600～950 nm波段，扩展后的飞秒激光频率梳频率稳定度同步于氢原子钟，满足633 nm激光器光频绝对测量的需求。

表1 frep，fceo及633 nm波长副基准阿伦偏差

4 结论

为了利用650～950 nm波段“单块”结构钛宝石飞秒激光频率梳实现对633 nm波长副基准光频绝对测量，本课题组利用光子晶体光纤进行了扩谱实验，经实验对比，采用啁啾镜对压缩脉宽可以避免棱镜对结构所固有的“光程臂长”过大而导致的光谱不稳定而无法实际用于光频测量的缺点，最终获取了光谱范围覆盖600～950 nm波段、频率稳定度同步于氢原子钟、满足NO.02激光器633 nm光频绝对测量需求的飞秒激光频率梳。

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