Високомощните оптични честотни гребени играят много важна роля в нелинейната прецизна спектроскопия, генерирането на екстремни ултравиолетови оптични честотни гребени, изследванията на ядрени и атомни часовници и т.н. Влакнестите фемтосекундни лазери са предпочитаното решение за реализиране на високомощни оптични честотни гребени поради предимствата с проста структура, стабилна производителност и лесно усилване. Въпреки това, поради неизбежния шум от спонтанни емисии (ASE), шума от интензитета на помпата, деградацията на спектралната кохерентност и трептенето на фазата, причинени от пътя на светлината при усилване на влакнест лазер, честотната стабилност на оптичния гребен е сериозно засегната. Следователно е предизвикателна задача да се постигне висока честотна стабилност при усилване на висока мощност.
За да се справят с горните проблеми, въз основа на дългосрочно изследване на технологията за оптичен честотен гребен, група L07 от Ключовата лаборатория по оптична физика, Институт по физика, Китайска академия на науките/Национален изследователски център за физика на кондензираната материя в Пекин, последователно предложи техническите решения за приемане на начален източник на оптични влакна с нисък шум, усилване на линейни чирпирани импулси и интракавитална електрооптична кристална бърза фазова модулация и т.н., и генериране на висококохерентен суперконтинуумен спектър чрез фотонно кристално влакно с издърпващ конус и комбиниране с Интегрираният структурен дизайн, контрол на температурата, изолация на вибрациите и други инженерни проекти ефективно намалиха шума на оптичния честотен гребен. Наскоро Hainian Han, асоцииран изследовател в групата, и Xiaodong Shao, постдокторант, допълнително постигнаха стабилност на честотата извън пръстена от порядъка на 10-19/1000 s при 20 W висока средна мощност оптичен честотен гребен. Известно е, че това е достигнало честотната стабилност на сегашните най-добри оптични атомни часовници и също така е оптималният резултат, постигнат от високомощни оптични честотни гребени досега. Фигура 1 показва схематичната диаграма на разработените два идентични инженерни прототипа на гребен с оптични влакна с висока мощност и сравнение на екстра-пръстеновидния двоен оптичен гребен за измерване на честотната стабилност.
Самоизграден нелинейно поляризиран ротационен лазерен осцилатор с фиксиран режим (NPR) с оптични влакна беше използван като източник на фемтосекунден импулсен импулс в изследването и високомощен фемтосекунден лазерен изход със средна мощност по-голяма от 20 W и ширина на импулса 75 fs се получава след усилване на импулса с чирпирани влакна (CPA). Заключената честотна стабилност на честотата на фазово изместване на носещата обвивка (CEO) е 1,5×10-17/s. При оптичното заключване на честотата, фемтосекундните импулси, извеждани от различни клонове на осцилатора и усилвателя, се отчитат със свръхстабилния референтен лазер поотделно и ако се използва сигналът от усилвателя за заключване за заключване, измерената честотна стабилност на високомощния усиленият лазерен пръстен може да достигне 2×10-18/s, докато в случай само на CPA, стабилността на честотата може да достигне 2×10-18/s, а в случай само на CPA, честотата стабилността може да достигне 2×10-18/s. -18/s, докато в случай само на заключване на фемтосекундния импулсен изход от осцилатора, ако на усилвателя се позволи да работи свободно, стабилността на честотата може да достигне само 10-15/s, което е три порядъка с величина по-лошо. Анализът на спектъра на мощността на шума показва, че усилвателят въвежда голямо количество нискочестотен шум, което има значителен ефект върху дългосрочната стабилност на честотата на гребена на оптичната честота и разликата е дори до четири порядъка при време на гейт от 1000 s, както е показано на фиг. 2 (a). В допълнение, резултатите от анализа на фазовия шум, който характеризира краткосрочната стабилност на честотата, също показват, че след серия от мерки за контрол на шума, високочестотният шум, въведен от усилвателя, е много малък и не засяга краткосрочна стабилност на системата.
За да се оцени ефективността на честотната стабилност на този оптичен честотен гребен с висока средна мощност в практически приложения, в това изследване за първи път са измерени два честотни гребена с високомощен влакнест лазер с мощност 20 W. Резултатите от измерването показват, че типичната стойност на стабилност на честотата извън пръстена е 4,35×10-17/s при 1 s време на интегриране и намалява до 6,54×10-19 при 1000 s време на интегриране, като показано на фиг. 2 (b), което ще отвори нови врати за много приложения, които изискват висока мощност и висока честотна стабилност на оптичните гребени. Този прогрес на изследването беше публикуван наскоро в Optics Express под заглавието „Високомощен оптичен честотен гребен с 10-19 честотна нестабилност“ (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Първият автор на статията е Xiaodong Shao, а съ-ръководителите са Zhiyi Wei и Hainian Han. Тази работа беше подкрепена от пилотната програма на Китайската академия на науките (XDA1502040404, XDB210104004) и Националната фондация за природни науки на Китай (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Честотен гребен от оптични влакна с висока мощност от 20 W с екстра-пръстеновидна честотна стабилност от 10-19-ти порядък.
Фиг. 1 (a) Снимка на конструирания принципен прототип на високомощния оптичен гребен с оптични влакна, (b) Схематична диаграма на измерването на стабилността на честотата на допълнителния пръстен на оптичния честотен гребен с висока мощност
Фигура 2 (a) Стабилност на честотата на осцилатор и усилвател, заключени отделно, (b) Стабилност на честотата на оптичен честотен гребен с висока мощност със сравнение извън пръстена
