利用模式滤波器产生4.77GHz重复频率飞秒脉冲激光的实验研究

陈茂强，邰朝阳，闫露露，张颜艳， 郭文阁，张首刚,4，姜海峰,4



利用模式滤波器产生4.77GHz重复频率飞秒脉冲激光的实验研究

陈茂强1,2,3，邰朝阳1,2,3，闫露露1,2,3，张颜艳1,2,3， 郭文阁1,2，张首刚1,2,4，姜海峰1,2,4

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101408）

在自制掺铒光纤飞秒锁模激光器的基础上，通过将自由光谱宽度为4.77 GHz的法布里-珀罗腔(F-P腔)模式滤波器的谐振频率点锁定到飞秒激光的一组模式上，实验实现了4.77 GHz高重频飞秒脉冲激光的产生。该实验采用Tilt-Lock方法实现了F-P腔锁定，并获得0.246 mW的模式滤波输出，重复频率与原有飞秒脉冲激光相比提升23倍。

重复频率；法布里-珀罗腔；模式滤波；掺铒光纤激光器

0 引言

高重复频率（>10 GHz）的光学频率梳应用于天文光谱学，可将天文光谱仪视向速度的测量精度提高两个量级[7-9]。然而，目前光学频率梳重复频率一般在100 MHz至1GHz之间，高分辨率的天文光谱仪所能分辨的频率间隔为10～30 GHz[10]249。因此，将光学频率梳应用于天文光谱学的首要问题是要提高光学频率梳的重复频率。近年来，利用现有的钛宝石激光器、光纤激光器等，通过F-P腔模式滤波方法，科学家已经成功研制出重复频率大于10 GHz的光学频率梳，称之为天文光梳[10]250。2008年Chih-Hao Li利用一台重复频率为1 GHz的钛宝石激光器，研制了具有40 GHz梳齿间隔的光学频率梳[11]；2015年中国科学院物理所魏志义研究员课题组基于250 MHz掺镱光纤激光器研制了重复频率23.75 GHz的光学频率梳[12]202。

为实现天文光梳的研制，中国科学院国家授时中心飞秒光梳及应用小组进行了高重复频率飞秒脉冲激光产生的实验研究。实验利用自制的基于非线性偏振旋转锁模（NPR）的掺铒光纤飞秒锁模激光器作为激光源[13]，为模式滤波系统提供20 mW的输入光，通过F-P腔模式滤波方法成功地将飞秒脉冲激光的重复频率提升至4.77 GHz。自制掺铒光纤锁模激光器重复频率207 MHz，脉宽52 fs，中心波长1 565 nm，锁模状态稳定（连续锁模时间超过3个月）。F-P腔锁定采用了Tilt-Lock方法[14]1499。与通用的pound-drever-hall（PDH）方法相比，Tilt-Lock方法有同样的反应速度和相近的敏感度[14]1499，优点是在光路中不需要加入调制器件，也不会由调制而引入额外的噪声[15]255[16]，同时电路锁定部分结构更紧凑、简单[15]1501。最终得到了重复频率4.77 GHz，光功率0.246 mW的飞秒激光输出。

1 实验原理

1.1 F-P腔模式滤波原理

F-P腔模式滤波原理如图1[15]254所示。

图1 F-P腔模式滤波器的原理示意图

利用稳频电路将F-P腔闭环锁定后，透射脉冲幅度和相位分别表示为[18]98：

式（1）和（2）中，为腔镜透射率，为腔镜反射率，为空气折射率，为腔长，为入射F-P腔角度，为入射波长。

经模式滤波后理论边模抑制比表示为[12]203

1.2 Tilt-Lock原理

实验采用Tilt-Lock稳频[19]。该方法通过将腔反射光入射到四象限探测器中心，左侧两象限与右侧两象限（或上侧两象限与下侧两象限）干涉产生误差信号。在此过程中，非共振的高阶模式（如TEM01和TEM10）作为TEM00载波的相位参考。Tilt-Lock原理示意于图2[14]1499。

图2 Tilt-Lock原理示意图

如图2（a）为模式滤波系统的控制环路。腔反射光准直入射到四象限探测器中心，通过调节F-P腔在PDQ30C中产生误差信号。探测到的误差信号接入比例积分（PI）控制器，在控制器的作用下，压电陶瓷的位移随误差信号的变化而变化，从而使得误差信号迅速减小直至为0，实现系统锁定。图2（b）为Tilt-Lock误差信号示意图。图2（c）和图2（d）为Tilt-Lock产生误差信号原理。实验中相位参考为TEM10，误差信号通过探测器左右两侧做减法运算得到并表示为

2 实验装置

基于掺铒光纤飞秒锁模激光器的模式滤波系统示意于图3。

注：λ/2：2/1波片；λ/4：4/1波片；WDM：波分复用器；PBS：偏振分束晶体；CO：准直器；EOM：电光调制器；PZT：压电陶瓷；HR：高反镜；RF：频谱仪；QD：四象限探测器；PD：光电探测器；UPD：超快光电探测器；Scope：示波器

如图3所示，实验系统包括3部分：自制掺铒光纤飞秒锁模激光器、模式滤波光路和Tilt-Lock稳频电路。光纤激光器采用环形腔结构，由大约11 cm自由空间和77.5 cm光纤构成。谐振腔光纤光路部分由36 cm索雷博（Thorlabs）公司的Er-110-4/25增益光纤，36 cm单模光纤，5.5 cm HI1060 Flex光纤和一个内有隔离器（Isolator）的波分复用器组成。自由空间光路部分包括两个定制准直器、5个零级波片、一个偏振分束晶体（PBS）和一个定制的电光调制器（EOM）。光纤激光器的抽运源采用的是奥兰若（Oclaro）公司的两个光纤光栅反馈的二极管激光器。最大功率1.06 W，功率可调，中心波长976 nm。

实验中先在1.06W泵浦抽运功率下，通过旋转各零级波片使光纤激光器进入锁模状态。然后调低泵浦功率至0.881 W，此时光纤激光器可以保持稳定的锁模状态。同时将光纤激光器密闭放置在内层为有机玻璃箱，外层为铝合金金属箱的箱体内，有效地降低了噪声和机械振动对光纤激光器影响。通过以上措施，自制掺铒光纤飞秒锁模激光器可以长期稳定地保持锁模状态。光纤激光器的输出光经准直器CO3和分束器后功率一分为三，我们选取了一路输出光（20 mW）用作后续模式滤波实验的输入光源。

模式滤波光路由模式匹配透镜（Lens1和Lens2），F-P腔，反射光路（HR2，HR3和pick-off mirror）组成。其中，模式匹配透镜焦距分别为150 mm和25.4 mm；定制的F-P腔镜反射率为97.6%，精细度131，腔长约31.4 mm，对应的自由光谱区4.77 GHz。Tilt-Lock稳频电路由四象限探测器，自制PI控制器和环形压电陶瓷组成。压电陶瓷采用的是Noliac公司的NAC2124，最大位移3μm（200 V电压）；四象限探测器采用Thorlabs公司的PDQ30C。

光纤激光器输出光经过准直器CO4后为平行光，为将输入光匹配进F-P腔，我们使用望远镜系统进行模式匹配。入射光经过准直和模式匹配，水平入射进F-P腔。F-P腔由半英寸平镜和一英寸凹镜组成。平镜与PZT被固定在可调透镜套筒上，并可通过转动可调透镜套筒实现对腔长的精密匹配。同时，在PZT上加载幅度200 V，频率30 Hz的三角波扫描电压。当PZT线性扫描F-P腔时，示波器上会出现多个共振峰。此时降低扫描幅度，通过调节透镜套筒精密匹配腔长，得到最高共振峰。

为探测误差信号，在TEM00共振前提下，取用约8%腔反射光经反射光路准直入射到PDQ30C中心，象限探测器左右两侧做减法运算误差信号值为0；适当调节F-P腔偏离最佳共振位置，TEM00载波产生相位偏移，象限探测器给出一个与TEM00载波相位偏移成比例的误差信号。实验中获得了峰峰值为30 mV的误差信号。为提高误差信号稳定性，在现有实验条件下，尽量压缩反射光路长度。

将得到的误差信号分为两路，一路接到示波器上用于监视，一路接到实验室自制PI控制器。然后关闭扫描电压，并通过调节比例参数实现了系统的闭环锁定。最后将经过模式滤波后的空间透射光耦合进空间准直器CO5中，实现了高重频飞秒激光输出。

3 实验结果及分析

掺铒光纤飞秒锁模激光器搭建完毕后，我们利用仪器测量了光纤激光器的性能。如图4（a）所示，使用光电探测器（EOT-3000A）和高带宽射频谱仪（Anritsu MS2692A）探测到光纤激光器在自由运转状态下重复频率约为207 MHz；图4（b）为使用高速光电探测器（UPD-15-IR2-FC）及高速示波器（Tektronix DPO71604C）探测到的光纤激光器输出光时域信号。使用自相关仪（Femtochrome Research-103WS）探测到光纤激光器输出光脉宽为52 fs（按双曲正割型脉冲形状计算）。利用光谱分析仪（YOKOGAWAAQ 6370C）探测到光纤激光器锁模光谱，波长覆盖范围1425～1700 nm，中心波长1565 nm。锁模状态稳定、自启锁等优点满足了F-P腔模式滤波系统对输入光源稳定性和可靠性的要求。

图4 自制飞秒激光器频谱图和自制飞秒激光器时域图

如图5（a）所示，经过模式滤波作用后的光纤激光入射到高速光电探测器中，通过频谱分析仪探测到透射光重复频率为4.77 GHz，这说明经过模式滤波后飞秒激光的重复频率提升23倍（=23）。相比于4.77 GHz频率主峰，边模抑制比在10 dB左右。图5（b）实线所示为使用超快高速光电探测器及高速示波器探测到的经模式滤波作用后透射光的时域信号。相比于图4（b），同样的时间间隔内产生了23个脉冲，这说明经模式滤波作用后在时域上相邻脉冲的时间间隔变为之前的1/23，对应到频域上重复频率提升23倍。F-P腔锁定后，透射功率约为0.35 mW；经光纤准直器耦合到光纤的功率为0.246 mW。

如图5（b）所示，由F-P腔透射出的脉冲序列有较大幅度变化。大致变化表现为：先透射出的脉冲幅度大，后透射出的脉冲幅度小。原因是腔镜反射率为97.6%，当飞秒脉冲在F-P腔内振荡时，每经过一次平镜或凹镜理论上会有2.4%的脉冲幅度损失。当第1个脉冲从腔内透射出，由于在腔内震荡的次数最少，因此对应最大的脉冲幅度；后续透射出的脉冲由于在F-P腔中经过更多次振荡（更多幅度损失），对应越来越小的脉冲幅度。如图5（b）虚线所示，理论上当第23个飞秒脉冲从F-P腔内透射出，脉冲幅度变为第1个透射出脉冲幅度的34.3%（0.97644）。由图5（b）可知，第2个至第23个脉冲的实际透射幅度离理论透射幅度均有一定差距。

图5 模式滤波后频谱图和模式滤波后时域图

由式（1）和式（2）中入射光波长（）确定，影响实际透射幅度的变量有入射角度（）、高反腔镜反射率（）和腔长（）。因此，造成实际透射幅度低于理论幅度的原因主要有这两方面：首先，F-P腔耦合还存在问题，影响因素是入射光准直度不好，影响了入射角度（）、腔长（）；在探测误差信号时，F-P腔调节幅度过大影响了F-P腔的平行度和腔长（）；其次，F-P腔镜损耗较大。式（1）是假设+=1给出的，而腔镜反射率是在未考虑腔镜损耗的前提下由透射率推出。

理想状态下，飞秒脉冲激光重复频提升23倍的同时，模式滤波系统输出光功率应变为输入光功率的1/23。因此，光功率20 mW的飞秒脉冲激光入射，理论上对应着0.87 mW光功率输出。最终，实验得到0.246 mW光功率输出。造成实际值低于理论值的原因主要有如下3方面。

首先是系统采用Tilt-Lock，高质量的误差信号（误差信号有更高斜率）使控制环路有更高的信噪比，但同时也对应着有更多的能量被耦合进高阶模式中。为使系统性能不受限于控制环路信噪比，并使误差信号有更高的敏感性，实验中尽量调高了误差信号的斜率，但是同时更多的功率耦合到了其他模式，导致输出光功率变小。其次，由于入射角度、腔平行度等问题引起的F-P腔耦合问题影响了腔内共振，降低了输出功率[18]101。最后，模式滤波系统透射光通过空间准直器耦合到光纤中时，耦合效率还有待提高。而针对透射输出光功率不高的问题，可以在后续光路中加入光纤放大光路，在提高光功率的同时不会影响探测精度。

由式（3）可知，系统理论边模抑制比为27 dB[12]203。造成实际值低于理论值的原因有如下3方面可能：

① 高阶F-P腔谐振模式不可忽略。为提升探测误差信号幅度，使可观的能量耦合到高阶模式，降低了光学谐振腔基模的耦合效率；同时，探测的透射激光包含显著的高阶模式，其相位与基带模式不同，会产生一定的干涉，从而导致透射光不是单调指数下降，这与观察到的实验现象相符。②F-P腔可能没有匹配到最佳，光束轮廓的调节与理想的光学腔耦合有一定差距。③F-P腔透射激光到光纤的耦合损耗。如前所述透射激光约有30%耦合损耗，一定程度上可能会导致激光边模抑制比降低。

4 结语

本实验在自制重复频率207MHz掺铒光纤飞秒锁模激光器的基础上，利用Tilt-Lock稳频技术实现了F-P腔模式滤波。实验得到了0.246 mW模式滤波信号，重复频率与输入激光相比提升23倍。针对模式滤波系统性能低于理论值的问题，下一步我们会展开相关的优化工作。

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Experiment on the generation of 4.77 GHz repetition-rate femtosecond pulses with a mode filter

CHEN Mao-qiang1,2,3, TAI Zhao-yang1,2,3, YAN Lu-lu1,2,3, ZHANG Yan-yan1,2,3, GUO Wen-ge1,2, ZHANG Shou-gang1,2,4, JIANG Hai-feng1,2,4

(1.National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Science, Beijing 101408, China)

A high repetition-rate femtosecond pulse laser source, based on a Fabry-Perot (F-P) mode- filtered cavity with a free spectral range (FSR) of 4.77 GHz and a home-made femtosecond erbium-doped fiber mode-locked laser, is designed by applying the Tilt-Lock technique. The F-P cavity is locked so that only the laser modes with a frequency being multiples of the cavity FSR can be transmitted. Through such implementation, a 4.77 GHz repetition-rate femtosecond laser pulses is realized with a transmission power of 0.246 mW. Compared with the input pulse source, the repetition rate is 23 times higher than that of the original femtosecond laser.

repetition-rate; Fabry-Perot cavity; mode-filtered; erbium-doped fiber laser

TN24

A

1674-0637(2018)02-0080-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2018-02-0080-08

2017-11-09；

2017-12-28

国家自然科学基金资助项目（91536217）；中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（2013ZD02）

陈茂强，男，硕士，主要从事掺铒光纤飞秒频率梳及其应用的研究。