我們(men) 提出了一種將單個(ge) 激光腔多路複用以支持一對噪聲相關(guan) 但腔長無關(guan) 的模的新方法。這些模共享所有腔內(nei) 組件，並采取近公共路徑，但不在任何有源器件上重疊。利用SESAM，我們(men) 被動地鎖定了兩(liang) 個(ge) 獨立的模式，並獲得了雙光頻梳運行。我們(men) 演示了中心波長為(wei) 1052nm,每路光頻梳脈衝(chong) 的脈寬140 fs,重頻80 MHz輸出平均功率超過2.4W的激光器。這兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列之間的相對時序抖動是2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。除了抑製快速時間波動的高被動穩定性外，這種新技術還可以對重複頻率差進行緩慢反饋，以避免漂移。我們(men) 通過複用元件演示了在重複頻率差上的一個(ge) 慢反饋回路，產(chan) 生
的長期穩定性。
用於(yu) 等效時間采樣国产成人在线观看免费网站的空間多路單腔雙光梳激光器
1．介紹
雙光學頻率梳(簡稱雙光梳)[1]的概念在光頻梳被提出後不久被引入[2-4]。在時域上，雙光梳可以理解為(wei) 兩(liang) 個(ge) 相幹光脈衝(chong) 序列，它們(men) 的重複頻率有輕微的偏移。自問世以來，雙光梳光源及其国产成人在线观看免费网站一直一個(ge) 重要研究課題[5]。雙光梳光源與(yu) 早期用於(yu) 泵浦探測測量的激光係統有許多相似之處。特別是，利用兩(liang) 種不同重複頻率對超快現象進行采樣的想法，早在20世紀80年代就已經通過等效時間采樣概念的演示進行了探索[6,7]。在這種情況下，通過frep/
的因子，超快動態過程在時域中被縮小到更慢的等效時間。這裏frep是采樣頻率，
是采樣頻率與(yu) 激發重頻的差值。這個(ge) 概念很快通過一對相互穩定的鎖模激光器實現，通常被稱為(wei) 異步光采樣(ASOPS)[8]。雙光梳方法和ASOPS激光係統的一個(ge) 顯著區別是兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列鎖在一起的相位和定時的精度。因為(wei) 雙光梳鎖模的發明，特別是在一個(ge) 自由運行的激光腔產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 光頻梳，這個(ge) 邊界已經變得模糊。這種激光器zui初是在光纖[9]和固態[10,11]增益材料中實現的，隨後出現了大量的激光腔多路複用方法[12]。由於(yu) 脈衝(chong) 在同一腔內(nei) 循環，它們(men) 經曆類似的幹擾，導致相關(guan) 的噪聲特性，這對於(yu) 實際国产成人在线观看免费网站[13]來說已經足夠了。類似地，與(yu) 電子鎖定異步光采樣ASOPS係統相比，由於(yu) 共腔結構和鎖模激光器振蕩器的無源穩定性，有降低時間抖動的潛力[14,15]。此外，由於(yu) 這些係統顯著降低了複雜性(一個(ge) 振蕩器，沒有複雜的鎖定電子設備)，它們(men) 可以在雙光梳激光器通常無法達到的新国产成人在线观看免费网站領域實現實際測量。另一方麵，自由運行的激光器容易受到相對光學相位漂移和兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列之間重複頻率差異的影響，這必須加以考慮。
迄今為(wei) 止，單腔雙頻梳激光器的運行通常是在激光設計或性能上的折衷。例如，將無源雙折射晶體(ti) 插入腔中[10]，用雙折射增益元件對偏腔線[16]，分割激光增益帶寬[17]，或利用環形腔的雙向運行[9,11]。zui近，在高功率鎖模薄片激光器結構中也研究了涉及獨立腔端鏡的空間分離模概念[18,19]。然而，在這些新的實現中，並不是所有的內(nei) 腔組件都是共享的以便降低常規噪聲抑製。
在這篇文章中，我們(men) 提出了一種激光腔多路複用的新方法，通過在表麵插入一個(ge) 具有兩(liang) 個(ge) 獨立角度的單片器件，例如雙棱鏡，使空間分離模式存在。因此，通過在適當的位置安裝雙棱鏡，可以將對單光頻梳操作z優(you) 的空腔適應為(wei) 雙光頻梳空腔。利用這種方法，在80 MHz重複頻率，在脈衝(chong) 小於(yu) 140fs的情況下，我們(men) 從(cong) 單個(ge) 固體(ti) 激光器腔中獲得了2.4 W的平均功率。兩(liang) 個(ge) 光頻梳的重複頻率差可在[- 450Hz, 600Hz]範圍內(nei) 調節。表征得到脈衝(chong) 之間的相對時序噪聲為(wei) 僅(jin) 為(wei) 光周期的一小部分：在[20 Hz至100 kHz]的綜合帶寬下為(wei) 2.2 fs。這是迄今為(wei) 止報告的在這個(ge) 頻率範圍內(nei) 自由運行的雙梳激光器中z低的相對時間噪聲。此外，我們(men) 在多路複用元件上国产成人在线观看免费网站壓電反饋來抵消低頻環境幹擾和漂移，因此我們(men) 可以在超過5小時內(nei) 實現標準偏差為(wei) 70
的重複頻率差穩定性。
2．諧振腔設計與(yu) 振蕩器性能
圖1所示。(a)激光腔布局。泵浦使用一個(ge) 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。增益介質是摻雜4.5%的Yb:CaF2晶體(ti) [20]。該腔采用具有介電介質頂部塗層的多量子阱SESAM，獲得高飽和通量Fsat=142J/cm2，調製深度R=1.1%。(b)激光輸出功率和脈衝(chong) 持續時間隨總泵浦功率的變化。
圖1(a)顯示了我們(men) 的自由運行雙光頻梳激光腔的布局。我們(men) 使用多模泵浦二極管和端泵浦腔結構，類似於(yu) 我們(men) 之前報道的偏振複用雙梳狀激光器的配置[20,21]。然而，與(yu) 過去的報道相反，在有源元件，即增益晶體(ti) 和半導體(ti) 飽和吸收鏡(SESAM)上的空間分離是通過插入一個(ge) 具有高度反射塗層的雙棱鏡來獲得的。通過使用一個(ge) 頂角179°的雙棱鏡，我們(men) 獲得了在增益介質上模式分離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單個(ge) 光梳的性能。該孤子鎖模激光器的z大工作點對應2.4 W平均輸出功率，脈衝(chong) 持續時間分別為(wei) 138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，激光器的光對光效率為(wei) 40%。
我們(men) 得到了兩(liang) 個(ge) 光頻梳的自啟動鎖模。在z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幹淨的。壓電致動器可以在短時間內(nei) 連續調節雙棱鏡的橫向位置，把其安裝在一個(ge) 平移台上，該平移台可通過壓電致動器進行大範圍的任意步進調節。雙棱鏡的平移可以調整兩(liang) 個(ge) 光頻梳的重複頻率差，從(cong) -450 Hz到600 Hz，對激光輸出性能的影響可以忽略不計(圖2(c))。在較大的行程時，雙棱鏡頂點上的模削效應導致輸出功率的降低。
圖2所示。(a)用光譜分析儀(yi) (分辨率設置為(wei) 0.08 nm)測量對數尺度下的激光輸出光譜。(b)用微波頻譜分析儀(yi) 分析快速光電二極管產(chan) 生的光電流的歸一化功率譜密度。插圖顯示放大的兩(liang) 個(ge) 射頻梳的一次諧波。(c)雙棱鏡側(ce) 麵不同位置的重複頻率差異。
3．噪聲特性
接下來，我們(men) 評估了共腔方法獲得兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列與(yu) 低相對時間抖動有效性。首先，我們(men) 進行相位噪聲特性，試圖獲得每個(ge) 單獨的脈衝(chong) 序列的絕對時間抖動。我們(men) 在一個(ge) 快速光電二極管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上檢測每個(ge) 脈衝(chong) 序列，並選擇帶有可調諧帶通濾波器的第6個(ge) 重複頻率諧波。該信號通過信號源分析儀(yi) (SSA) (E5052B, Keysight)進行分析。得到的相位噪聲功率譜密度(PSD)和綜合時間抖動如圖3所示。從(cong) 測量中我們(men) 看到，每一個(ge) 單獨的脈衝(chong) 序列的絕對時間抖動非常小，相位噪聲PSD看起來幾乎相同。為(wei) 了測量兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列之間的絕對時間抖動的相關(guan) 性，我們(men) 開發了一種基於(yu) 梳齒跳動的相對時間抖動測量技術，該技術使用了兩(liang) 個(ge) 單頻連續激光器[22]。這種相對時間抖動測量技術可以揭示任意重複頻率差下自由運行的雙梳激光的不相關(guan) 噪聲。得到的不相關(guan) 的相對時序抖動在圖3中用黑線表示。我們(men) 發現相對時間抖動平均比絕對時間抖動低25dB，這表明由於(yu) 單腔結構，有很好的共相位噪聲抑製。集成的相對定時抖動為(wei) 2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。這表明，即使在較長的數據采集時間內(nei) ，也可以從(cong) 自由運行的激光腔獲得亞(ya) 周期相對定時抖動。
圖3所示。(a)使用信號分析儀(yi) 測量每個(ge) 脈衝(chong) 序列的絕對(紅色和藍色)時序噪聲。使用[22]中描述的方法測量的兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列之間的相對時序抖動(黑色)。(b)時序噪聲曲線積分得到的時序抖動。
我們(men) 開發了這種激光器用於(yu) 等效時間采樣国产成人在线观看免费网站，如泵浦探測光譜和皮秒超聲[20]。因此，我們(men) 還沒有詳細研究該光源如何適用於(yu) 需要長期相對光學相位穩定性的高分辨率雙梳光譜。在50毫秒的采集周期內(nei) ，可以觀測到一些射頻梳齒結構。然而，精確的雙光梳光譜學国产成人在线观看免费网站仍然依賴於(yu) 用一個(ge) 或多個(ge) 連續波激光器跟蹤光學相位波動，例如通過自適應采樣方法，如[23]中的展示。從(cong) 圖3可以觀察到，在700 Hz和1600 Hz附近有幾個(ge) 噪聲峰值，這可能是由機械共振引起的，因此可以通過仔細的光學機械優(you) 化來消除。然而，這些共振降低了兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列之間的相位相幹性。由於(yu) 較大的光帶寬和相對較低的80 MHz的重頻，混疊條件要求在500 Hz以下的重頻差範圍內(nei) 使用。在這樣的低頻率下，機械噪聲比如來自上述諧振，將影響相互相位相幹性。更適合自由運轉雙光梳光譜的結構包括更高的重頻和重頻差異，如[13,22]，在此機製中提出的技術探索將是未來工作的主題。在這篇文章中，我們(men) 著重於(yu) 將這種新光源国产成人在线观看免费网站於(yu) 泵浦探測光譜的国产成人在线观看免费网站，在這裏，激光的峰值功率可以用來直接激發非線性過程。80MHz的重頻可以實現12.5 ns的大延遲掃描範圍，超低的相對定時抖動可以用於(yu) 精確的時間軸校準。
激光相對強度噪聲(RIN)是任何快速采樣国产成人在线观看免费网站的關(guan) 鍵參數之一。我們(men) 在以下高動態範圍測量配置中分析了我們(men) 的激光器的RIN。我們(men) 使用一個(ge) 光電二極管，每個(ge) 光頻梳的平均梳齒功率同時設定為(wei) 10mW。為(wei) 了獲得RIN光譜，我們(men) 使用SSA進行基帶測量。首先，我們(men) 用一個(ge) 低噪聲跨阻抗放大器(DLPCA-200, Femto)測量低頻分量(<200 kHz)。為(wei) 了測量更高頻率的分量，我們(men) 用一個(ge) 偏置TEE (BT45R, SHF通信技術AG)分割信號的交流和直流部分。交流部分用低噪聲電壓放大器(DUPVA-1-70, Femto)放大。將兩(liang) 個(ge) 測量值拚接在一起，得到每個(ge) 光頻梳的完整RIN譜，如圖4所示。我們(men) 發現每個(ge) 光梳的綜合RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。
圖4所示各光梳的相對強度噪聲譜。根據光電二極管的規格和測量的輸入功率計算散粒噪聲極限。
4．等效時間采樣国产成人在线观看免费网站
為(wei) 了使激光器国产成人在线观看免费网站於(yu) 泵浦探測光譜国产成人在线观看免费网站，我們(men) 將它與(yu) 一個(ge) 光參量振蕩器(OPO)的一個(ge) 輸出光束耦合。OPO能夠實現波長的多色泵浦探測測量。此外，由於(yu) OPO是同步泵浦，兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列之間的相對時間保持不變。我們(men) 用ppln晶體(ti) (HC Photonics)設計了一個(ge) 信號諧振在1600nm的OPO。用2 W輸出的comb1泵浦可獲得876 mW的信號光。同時，我們(men) 還產(chan) 生了OPO信號的二次諧波，以獲得800 nm的光，測量脈衝(chong) 周期為(wei) 151 fs，平均功率為(wei) 390 mW。從(cong) 振蕩器輸出的comb2可輕鬆倍頻獲得526 nm的光，使該激光源成為(wei) 各種波長下理想的光譜學工具。
為(wei) 了在環境發生變化時也能獲得重頻差的長期穩定性，我們(men) 實現了一個(ge) 慢反饋閉環。comb1和comb2的部分功率發送到基於(yu) BBO的光學互相關(guan) 器。我們(men) 使用一個(ge) 頻率計數器，通過計算互相關(guan) 信號之間的時間來跟蹤重頻差的波動，類似於(yu) [20,21]中使用的方法。為(wei) 此，我們(men) 使用了一個(ge) 定製的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(you) 於(yu) 10-6。記錄的重頻差信號在計算機上處理，通過調節施加到壓電致動器上的電壓來對複用元件進行校正。電壓信號以大約frep的速率更新。
為(wei) 了驗證兩(liang) 組多色脈衝(chong) 序列的相對長期穩定性，我們(men) 用另一種光學互相關(guan) 裝置測量重頻差，如圖5(a)所示。我們(men) 將OPO倍頻輸出(800 nm，comb1)與(yu) 直接激光輸出(1052 nm，comb2)相互關(guan) 聯。在超過5小時的時間窗口中，我們(men) 發現重頻差波動標準差為(wei) 70
，如圖5(b)所示。
圖5所示。(a)帶兩(liang) 個(ge) 光學交叉相關(guan) 器(XCORR)的多色等效時間采樣裝置。XCORR 1用於(yu) 向激光提供慢反饋，XCORR 2用於(yu) 執行環外測量。(b)使用XCORR 2的長期重頻差
穩定性。
設置為(wei) 300Hz。
5．結論
我們(men) 展示了一種新穎的激光腔複用方法，該方法允許在同一振蕩器中存在兩(liang) 個(ge) 空間分離的準共徑腔模式。我們(men) 可以實現同步的模式鎖定，每路輸出脈寬少於(yu) 140 fs，平均功率超過2.4 W。我們(men) 還描述了綜合帶寬20 Hz到100 kHz範圍內(nei) 的相對定時抖動在亞(ya) 周期範圍內(nei) 。我們(men) 進一步將這種強大的固態激光器與(yu) OPO耦合，以獲得泵浦探測采樣国产成人在线观看免费网站的多色光輸出配置。為(wei) 了消除任何可能改變重複頻率差的緩慢環境漂移，我們(men) 在雙棱鏡位置上實現了一個(ge) 基於(yu) 緩慢交叉校正的反饋環路，使我們(men) 獲得了長期性能良好的雙光梳。因此，我們(men) 的係統結合了這兩(liang) 種方法的優(you) 點：共腔雙光梳激光器的高被動穩定性和簡單性，以及對鎖定激光係統漂移的免疫性。我們(men) 的結果證明了新的激光腔多路複用方法的實用性，並顯示其在泵浦探測和等效時間采樣国产成人在线观看免费网站中的巨大潛力。
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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）
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