Високопотужні оптичні частотні гребінки відіграють дуже важливу роль у нелінійній прецизійній спектроскопії, створенні екстремальних ультрафіолетових оптичних частотних гребінок, дослідженнях ядерного та атомного годинників тощо. Волоконні фемтосекундні лазери є кращим рішенням для реалізації високопотужних оптичних частотних гребінок завдяки перевагам проста структура, стабільна продуктивність і легке посилення. Однак через шум неминучого спонтанного випромінювання (ASE), шум інтенсивності накачування, деградацію спектральної когерентності та тремтіння фази, викликане світловим шляхом під час підсилення волоконного лазера, стабільність частоти оптичної гребінки серйозно погіршується. Тому отримати стабільність високої частоти при високому посиленні потужності є складним завданням.
Щоб вирішити вищезазначені проблеми, на основі довгострокових досліджень технології гребінки оптичної частоти, група L07 Ключової лабораторії оптичної фізики Інституту фізики Китайської академії наук/Пекінського національного дослідницького центру фізики конденсованих середовищ послідовно висунула технічні рішення щодо використання малошумного оптичного волоконного початкового джерела, лінійного посилення чирпованих імпульсів та внутрішньорезонаторної електрооптичної кристалічної модуляції швидкої фази тощо, а також генерації висококогерентного спектру суперконтинууму за допомогою фотонно-кристалічного волокна, що тягне конус, і поєднання з Інтегрований структурний дизайн, контроль температури, віброізоляція та інші інженерні конструкції ефективно зменшили шум оптичного частотного гребінця. Нещодавно Hainian Han, асоційований дослідник у групі, та Xiaodong Shao, постдокторант, ще більше досягли стабільності частоти поза кільцем порядку 10-19/1000 с на 20 Вт високої середньої потужності волоконно-оптичний частотний комб. Відомо, що це досягло стабільності частоти найкращих на даний момент оптичних атомних годинників, а також є оптимальним результатом, досягнутим на даний момент високопотужними оптичними частотними гребінками. На малюнку 1 показано схематичну діаграму двох ідентичних інженерних прототипів високопотужної оптичної волоконної гребінки та порівняння екстра-кільцевої подвійної оптичної гребінки для вимірювання стабільності частоти.
Як джерело фемтосекундного початкового імпульсу в дослідженні використовувався власноруч створений нелінійно поляризований волоконний лазерний генератор із синхронізацією мод (NPR), а фемтосекундний вихідний сигнал високої потужності із середньою потужністю понад 20 Вт і шириною імпульсу 75 fs було отримано після лінійного волоконного посилення чирпованих імпульсів (CPA). Стабільність зафіксованої частоти частоти зсуву фази несучої обвідної (CEO) становить 1,5×10-17/с. При оптичному фіксуванні частоти фемтосекундні імпульси, що виходять з різних гілок генератора та підсилювача, розділяються надстабільним еталонним лазером окремо, і якщо для фіксації використовується сигнал від підсилювача, виміряна стабільність частоти високої потужності посилене лазерне кільце може досягати 2×10-18/с, тоді як у випадку лише CPA стабільність частоти може досягати 2×10-18/с, а у випадку лише CPA частота стабільність може досягати 2×10-18/с. -18/с, тоді як у випадку лише блокування фемтосекундного імпульсу, що подається від генератора, якщо підсилювач має вільно працювати, стабільність частоти може досягати лише 10-15/с, що становить три порядки на величину гірше. Аналіз спектра потужності шуму показує, що підсилювач створює велику кількість низькочастотного шуму, який має значний вплив на довгострокову стабільність частоти гребінки оптичної частоти, і різниця досягає чотирьох порядків величини при час стробування 1000 с, як показано на рис. 2 (a). Крім того, результати аналізу фазового шуму, який характеризує короткочасну стабільність частоти, також показують, що після серії заходів з контролю шуму високочастотний шум, який створює підсилювач, дуже малий і не впливає на короткочасна стійкість системи.
Щоб оцінити показники стабільності частоти цієї оптичної гребінки високої середньої потужності в практичних застосуваннях, у цьому дослідженні вперше виміряно дві гребінки частоти волоконного лазера високої потужності 20 Вт. Результати вимірювань показують, що типове значення стабільності частоти поза кільцем становить 4,35×10-17/с за час інтегрування 1 с і зменшується до 6,54×10-19 за час інтегрування 1000 с, як показано на рис. 2(b), що відкриє нові можливості для багатьох застосувань, які вимагають високої потужності та високочастотної стабільності оптичних гребінок. Результати цього дослідження нещодавно були опубліковані в Optics Express під назвою «Високопотужна оптична частотна гребінка з 10-19 частотною нестабільністю» (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Перший автор статті — Сяодун Шао, а співкерівники — Чжі Вей і Хайнянь Хань. Ця робота була підтримана пілотною програмою Китайської академії наук (XDA1502040404, XDB210104004) і Національним фондом природничих наук Китаю (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Частотна гребінка високої потужності оптичного волокна 20 Вт із позакільцевою стабільністю частоти 10-19-го порядку.
Рис. 1 (a) Фотографія сконструйованого принципового прототипу волоконно-оптичної гребінки високої потужності, (b) Схематична діаграма вимірювання стабільності частоти екстра-кільця оптичної гребінки високої потужності
Рис. 2 (a) Стабільність частоти генератора та підсилювача, заблокованих окремо, (b) Стабільність частоти високопотужної оптичної частотної гребінки з порівнянням поза кільцем
