用于等效時間采樣應用的空間多路單腔雙光梳激光器

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介紹

雙光學頻率梳(簡稱雙光梳)[1]的概念在光頻梳被提出后不久被引入[2-4]。在時域上，雙光梳可以理解為兩個相干光脈沖序列，它們的重復頻率有輕微的偏移。自問世以來，雙光梳光源及其應用一直一個重要研究課題[5]。雙光梳光源與早期用于泵浦探測測量的激光系統有許多相似之處。特別是，利用兩種不同重復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/Dfrep的因子，超快動態過程在時域中被縮小到更慢的等效時間。這里frep是采樣頻率，Dfrep是采樣頻率與激發重頻的差值。這個概念很快通過一對相互穩定的鎖模激光器實現，通常被稱為異步光采樣(ASOPS)[8]。雙光梳方法和ASOPS激光系統的一個顯著區別是兩個脈沖序列鎖在一起的相位和定時的精度。因為雙光梳鎖模的發明，特別是在一個自由運行的激光腔產生兩個光頻梳，這個邊界已經變得模糊。這種激光器最初是在光纖[9]和固態[10,11]增益材料中實現的，隨后出現了大量的激光腔多路復用方法[12]。由于脈沖在同一腔內循環，它們經歷類似的干擾，導致相關的噪聲特性，這對于實際應用[13]來說已經足夠了。類似地，與電子鎖定異步光采樣ASOPS系統相比，由于共腔結構和鎖模激光器振蕩器的優秀無源穩定性，有降低時間抖動的潛力[14,15]。此外，由于這些系統顯著降低了復雜性(一個振蕩器，沒有復雜的鎖定電子設備)，它們可以在雙光梳激光器通常無法達到的新應用領域實現實際測量。另一方面，自由運行的激光器容易受到相對光學相位漂移和兩個脈沖序列之間重復頻率差異的影響，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]。最近，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，在這些最新的實現中，并不是所有的內腔組件都是共享的以便降低常規噪聲抑制。

在這篇文章中，我們提出了一種激光腔多路復用的新方法，通過在表面插入一個具有兩個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最優的空腔適應為雙光頻梳空腔。利用這種方法，在80 MHz重復頻率，在脈沖小于140fs的情況下，我們從單個固體激光器腔中獲得了2.4 W的平均功率。兩個光頻梳的重復頻率差可在[- 450Hz, 600Hz]范圍內調節。表征得到脈沖之間的相對時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。這是迄今為止報告的在這個頻率范圍內自由運行的雙梳激光器中最低的相對時間噪聲。此外，我們在多路復用元件上應用壓電反饋來抵消低頻環境干擾和漂移，因此我們可以在超過5小時內實現標準偏差為70mHz的重復頻率差穩定性。

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諧振腔設計與振蕩器性能

圖1所示。(a)激光腔布局。泵浦使用一個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 [20]。該腔采用具有介電介質頂部涂層的多量子阱SESAM，獲得高飽和通量Fsat=142?J/cm2，調制深度?R=1.1%。(b)激光輸出功率和脈沖持續時間隨總泵浦功率的變化。

圖1(a)顯示了我們的自由運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構，類似于我們之前報道的偏振復用雙梳狀激光器的配置[20,21]。然而，與過去的報道相反，在有源元件，即增益晶體和半導體飽和吸收鏡(SESAM)上的空間分離是通過插入一個具有高度反射涂層的雙棱鏡來獲得的。通過使用一個頂角179°的雙棱鏡，我們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光梳的性能。該孤子鎖模激光器的最大工作點對應2.4 W平均輸出功率，脈沖持續時間分別為138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，激光器的光對光效率為40%。

我們得到了兩個光頻梳的自啟動鎖模。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。壓電致動器可以在短時間內連續調節雙棱鏡的橫向位置，把其安裝在一個平移臺上，該平移臺可通過壓電致動器進行大范圍的任意步進調節。雙棱鏡的平移可以調整兩個光頻梳的重復頻率差，從-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(分辨率設置為0.08 nm)測量對數尺度下的激光輸出光譜。(b)用微波頻譜分析儀分析快速光電二極管產生的光電流的歸一化功率譜密度。插圖顯示放大的兩個射頻梳的一次諧波。(c)雙棱鏡側面不同位置的重復頻率差異。

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噪聲特性

接下來，我們評估了共腔方法獲得兩個脈沖序列與低相對時間抖動有效性。首先，我們進行相位噪聲特性，試圖獲得每個單獨的脈沖序列的絕對時間抖動。我們在一個快速光電二極管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上檢測每個脈沖序列，并選擇帶有可調諧帶通濾波器的第6個重復頻率諧波。該信號通過信號源分析儀(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。從測量中我們看到，每一個單獨的脈沖序列的絕對時間抖動非常小，相位噪聲PSD看起來幾乎相同。為了測量兩個脈沖序列之間的絕對時間抖動的相關性，我們開發了一種基于梳齒跳動的相對時間抖動測量技術，該技術使用了兩個單頻連續激光器[22]。這種相對時間抖動測量技術可以揭示任意重復頻率差下自由運行的雙梳激光的不相關噪聲。得到的不相關的相對時序抖動在圖3中用黑線表示。我們發現相對時間抖動平均比絕對時間抖動低25dB，這表明由于單腔結構，有很好的共相位噪聲抑制。集成的相對定時抖動為2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。這表明，即使在較長的數據采集時間內，也可以從自由運行的激光腔獲得亞周期相對定時抖動。

圖3所示。(a)使用信號分析儀測量每個脈沖序列的絕對(紅色和藍色)時序噪聲。使用[22]中描述的方法測量的兩個脈沖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。

我們開發了這種激光器用于等效時間采樣應用，如泵浦探測光譜和皮秒超聲[20]。因此，我們還沒有詳細研究該光源如何適用于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，可以觀測到一些射頻梳齒結構。然而，精確的雙光梳光譜學應用仍然依賴于用一個或多個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。從圖3可以觀察到，在700 Hz和1600 Hz附近有幾個噪聲峰值，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化來消除。然而，這些共振降低了兩個脈沖序列之間的相位相干性。由于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以下的重頻差范圍內使用。在這樣的低頻率下，機械噪聲比如來自上述諧振，將影響相互相位相干性。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]，在此機制中提出的技術探索將是未來工作的主題。在這篇文章中，我們著重于將這種新光源應用于泵浦探測光譜的應用，在這里，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的大延遲掃描范圍，超低的相對定時抖動可以用于精確的時間軸校準。

激光相對強度噪聲(RIN)是任何快速采樣應用的關鍵參數之一。我們在以下高動態范圍測量配置中分析了我們的激光器的RIN。我們使用一個光電二極管，每個光頻梳的平均梳齒功率同時設定為10mW。為了獲得RIN光譜，我們使用SSA進行基帶測量。首先，我們用一個低噪聲跨阻抗放大器(DLPCA-200, Femto)測量低頻分量(<200 kHz)。為了測量更高頻率的分量，我們用一個偏置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。將兩個測量值拼接在一起，得到每個光頻梳的完整RIN譜，如圖4所示。我們發現每個光梳的綜合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

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等效時間采樣應用

為了使激光器應用于泵浦探測光譜應用，我們將它與一個光參量振蕩器(OPO)的一個輸出光束耦合。OPO能夠實現波長的多色泵浦探測測量。此外，由于OPO是同步泵浦，兩個脈沖序列之間的相對時間保持不變。我們用PPLN晶體(HC Photonics)設計了一個信號諧振在1600nm的OPO。用2 W輸出的comb1泵浦可獲得876 mW的信號光。同時，我們還產生了OPO信號的二次諧波，以獲得800 nm的光，測量脈沖周期為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工具。

為了在環境發生變化時也能獲得重頻差的長期穩定性，我們實現了一個慢反饋閉環。comb1和comb2的部分功率發送到基于BBO的光學互相關器。我們使用一個頻率計數器，通過計算互相關信號之間的時間來跟蹤重頻差的波動，類似于[20,21]中使用的方法。為此，我們使用了一個定制的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，精度優于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復用元件進行校正。電壓信號以大約Dfrep的速率更新。

為了驗證兩組多色脈沖序列的相對長期穩定性，我們用另一種光學互相關裝置測量重頻差，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)相互關聯。在超過5小時的時間窗口中，我們發現重頻差波動標準差為70mHz，如圖5(b)所示。

圖5所示。(a)帶兩個光學交叉相關器(XCORR)的多色等效時間采樣裝置。XCORR 1用于向激光提供慢反饋，XCORR 2用于執行環外測量。(b)使用XCORR 2的長期重頻差Dfrep穩定性。Dfrep設置為300Hz。

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結論

我們展示了一種新穎的激光腔復用方法，該方法允許在同一振蕩器中存在兩個空間分離的準共徑腔模式。我們可以實現同步的模式鎖定，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范圍內的相對定時抖動在亞周期范圍內。我們進一步將這種強大的固態激光器與OPO耦合，以獲得泵浦探測采樣應用的多色光輸出配置。為了消除任何可能改變重復頻率差的緩慢環境漂移，我們在雙棱鏡位置上實現了一個基于緩慢交叉校正的反饋環路，使我們獲得了長期性能良好的雙光梳。因此，我們的系統結合了這兩種方法的優點：共腔雙光梳激光器的高被動穩定性和簡單性，以及對鎖定激光系統漂移的免疫性。我們的結果證明了新的激光腔多路復用方法的實用性，并顯示其在泵浦探測和等效時間采樣應用中的巨大潛力。