饒冰潔 張攀2) 李銘坤2) 楊西光2) 閆露露 陳鑫 張首剛2) 張顏艷? 姜海峰2)3)?

1) (中國科學(xué)院國家授時(shí)中心時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600)

2) (中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

3) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部,上海 201315)

報(bào)道了用于光腔衰蕩光譜測量的多支路摻鉺光纖飛秒光梳系統(tǒng).該系統(tǒng)以“9”字型全保偏摻鉺飛秒光纖激光器為激光源.利用自制的鎖相環(huán)電路,獲得的重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相移頻率秒級(jí)穩(wěn)定度分別為5.85 × 10–13和4.95 × 10–18.為了滿足CO,CH4 等分子吸收光譜測量,利用啁啾放大和非線性光譜展寬技術(shù),采用多支路結(jié)構(gòu),將飛秒光梳直接輸出光譜由1500—1600 nm 分別擴(kuò)展至8 個(gè)目標(biāo)波長(1064,1083,1240,1380,1500,1600,1750 和2100 nm)處,各目標(biāo)波長處的單模功率均大于300 nW,滿足光腔衰蕩光譜測量實(shí)驗(yàn)的需求.

1 引言

飛秒光梳又稱光學(xué)頻率綜合器,可以直接對(duì)光學(xué)頻率進(jìn)行測量,它的出現(xiàn)推動(dòng)了光頻測量和精密光譜學(xué)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展[1?3].飛秒光梳(簡稱光梳)概念的提出可以追溯至1978 年,H?nsch 等[4]將脈沖鎖模激光器應(yīng)用于測量納原子的躍遷譜線,但受限于當(dāng)時(shí)激光器的性能,并未獲得高精度測量結(jié)果.最初的光梳主要基于鈦寶石激光器,它具有寬光譜,低相位噪聲,高重復(fù)頻率等優(yōu)良特性,成為國內(nèi)外研究組應(yīng)用的首要選擇[5?7].然而,鈦寶石光梳同樣存在一些不足,如體積較大,不易連續(xù)長期運(yùn)行,并且,搭建和維護(hù)費(fèi)用較高.20 世紀(jì)以來,受益于超短脈沖激光器發(fā)展的逐漸成熟及非線性光譜展寬技術(shù)的發(fā)明,基于不同鎖模機(jī)制的光纖光梳受到廣泛關(guān)注和研究[8?12].光纖光梳具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)光梳系統(tǒng)小型化和集成化,同時(shí),選擇不同摻雜類型的增益光纖,光纖光梳的直接輸出光譜可以覆蓋不同波段,逐漸成為高精密測量領(lǐng)域應(yīng)用的寵兒[13?18].

分子光譜是研究分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及分子間相互作用的重要途徑.光腔衰蕩光譜技術(shù)(cavity ringdown spectroscopy,CRDS)是測量分子吸收光譜常見的技術(shù)之一,1988 年由O’keefe 和Deason 提出[19].其基本原理是以脈沖激光為光源,通過光腔衰蕩時(shí)間與分子吸收系數(shù)之間的關(guān)系測量分子吸收譜線,進(jìn)而選擇合適的光譜線型加以分析,獲得高精密的光譜參數(shù).CRDS 具有高探測靈敏度、高分辨率、高信噪比等優(yōu)點(diǎn),在探測相關(guān)分子譜線結(jié)構(gòu),確定基本物理常數(shù)(里德伯常數(shù),精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)以及玻爾茲曼常數(shù)等)等方面都有重要作用[20?23].通常,將衰蕩光腔腔長鎖定在穩(wěn)定的參考激光上,由于腔長的穩(wěn)定性取決于參考激光的穩(wěn)定性,從而限制了測量精確度;或?qū)⑻綔y激光相位鎖定在穩(wěn)定的外部參考源如超穩(wěn)腔或光梳上,能夠?qū)崿F(xiàn)亞MHz 量級(jí)的光譜掃描精度[24?28].為了提高測量精度,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用鎖相技術(shù),將探測激光和精確控溫的衰蕩光腔腔長同時(shí)鎖定在光梳上,獲得了精度為0.5 kHz 的CO 分子飽和吸收光譜頻率[29].同樣,利用上述技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)光譜學(xué)研究中常見的多個(gè)分子吸收光譜測量,如H2O 及N2O分子等,在基礎(chǔ)研究和痕量氣體的探測等領(lǐng)域都具有重要意義[30?32].

在進(jìn)行CRDS 測量時(shí),光梳需要滿足兩個(gè)必要條件:一是光梳的頻率穩(wěn)定度滿足CRDS 百赫茲的測量精度需求;二是光梳輸出光譜覆蓋待測分子吸收光譜,且具有較高的單模功率(>100 nW).本文介紹用于CRDS 的摻鉺光纖飛秒光梳系統(tǒng),該系統(tǒng)以自主研制的全保偏摻鉺光纖飛秒激光器為源,通過優(yōu)化參數(shù),激光器具有“即插即用”的功能;采用電光調(diào)制晶體(electronic optical modulator,EOM)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(piezoelectric ceramic transducer,PZT)等頻率控制器,實(shí)現(xiàn)光梳系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行.采用多支路結(jié)構(gòu),利用啁啾放大和高非線性光譜展寬技術(shù),分別得到了單模功率均大于300 nW 的8 路光譜擴(kuò)展應(yīng)用,覆蓋了光譜學(xué)研究中多個(gè)常見的分子吸收譜線.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果討論

光梳任意梳齒的頻率可以表示為[23]

其中,N為光梳相應(yīng)梳齒的序數(shù),frep表示光梳的重復(fù)頻率,fceo表示光梳的載波包絡(luò)相移頻率.利用鎖相環(huán)技術(shù),將這兩個(gè)頻率鎖定到穩(wěn)定的參考頻率上,就可以獲得穩(wěn)定輸出的任意梳齒頻率.

用于CRDS 的光梳系統(tǒng)由摻鉺光纖飛秒激光源、頻率探測及控制和光譜擴(kuò)展三部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.左半部分為飛秒激光源的結(jié)構(gòu)示意圖,右半部分為光梳光譜擴(kuò)展單元示意圖,頻率探測及控制如圖1 下半部分所示.飛秒激光源經(jīng)波分復(fù)用器輸出被分為兩路,一路用于探測光梳frep和fceo,另一路用于8 路光譜擴(kuò)展.光譜擴(kuò)展單元將光梳的光譜擴(kuò)展到待測分子吸收譜線處,用于實(shí)現(xiàn)以外參考頻率為標(biāo)準(zhǔn)的CRDS.

2.1 飛秒激光源

本系統(tǒng)采用基于非線性光纖放大環(huán)型鏡(nonlinear amplifying loop mirror,NALM)鎖模機(jī)制的“9”字型激光器作為飛秒激光源,它由光纖環(huán)路和自由空間直線臂組成.光纖環(huán)路中所有光纖和器件均采用保偏結(jié)構(gòu),可極大提高系統(tǒng)魯棒性.自由空間光路包括非互易相移器(由法拉第旋光器和1/8 波片組成),以及用于頻率控制的EOM 和PZT.其中,非互易相移器增大了光纖環(huán)路中相向傳輸激光脈沖的相位差,有效降低了激光器的鎖模閾值,從而可以實(shí)現(xiàn)激光器自啟動(dòng)鎖模.EOM 用于高帶寬控制光梳frep,PZT 用于大范圍控制frep.整個(gè)系統(tǒng)光纖長度約90 cm,自由空間長度約20 cm,考慮所有元器件色散,光學(xué)腔的凈色散量約為4000 fs2.

在泵浦功率650 mW 抽運(yùn)時(shí),飛秒激光源可以獲得穩(wěn)定的鎖模激光輸出,此時(shí),波分復(fù)用器TAP 端輸出功率為16 mW,輸出光譜如圖2(a)所示,輸出光譜中心波長為1554 nm,半高全寬約為44 nm,重復(fù)頻率為204.5 MHz.圖2(b)為飛秒激光源輸出脈沖的強(qiáng)度自相關(guān)曲線.可以看出,激光源輸出為單脈沖激光,按照雙曲正割型脈沖形狀計(jì)算,脈沖寬度為55 fs.

圖2 飛秒激光源輸出特性 (a) 輸出光譜;(b) 強(qiáng)度自相關(guān)曲線Fig.2.Output parameter of femtosecond laser:(a) Measured spectrum;(b) autocorrelation curve of output pulse.

2.2 光梳頻率探測和控制

利用光電探測器(photodetector,PD)直接探測飛秒激光源輸出脈沖的重復(fù)頻率可以實(shí)現(xiàn)frep的探測,而fceo一般通過f-2f自參考技術(shù)得到.自參考技術(shù)要求光梳光譜分布包含一個(gè)倍頻程,然后提取低頻成分將其倍頻后與高頻成分拍頻得到fceo.一般的光纖激光源直接輸出光譜范圍較窄,無法滿足倍頻程要求,需要先利用高非線性光纖(highly nonlinear fiber,HNLF)對(duì)飛秒激光進(jìn)行光譜展寬.如圖1 頻率探測及控制單元部分實(shí)線所示,波分復(fù)用器TAP 端輸出光經(jīng)光纖耦合器分光后用于倍頻程光譜的產(chǎn)生.輸出脈沖首先經(jīng)普通單模光纖PM1550 對(duì)脈沖進(jìn)行預(yù)啁啾管理,使脈沖在時(shí)域上展寬,以降低激光脈沖的峰值功率,減小脈沖放大過程中產(chǎn)生的非線性相移引起的脈沖分裂.經(jīng)展寬后的脈沖輸入到摻鉺光纖放大器中.該放大器為雙向泵浦輸入的方式,泵浦光采用兩支最大功率為850 mW、中心波長為976 nm 的激光管,經(jīng)波分復(fù)用器進(jìn)入摻鉺光纖中,可以有效提高放大功率.經(jīng)過光纖放大后輸出的高功率脈沖光輸入到普通單模光纖PM1550 中,進(jìn)行壓縮處理,同時(shí)將增益光纖引入的正啁啾去除.經(jīng)過壓縮后的脈沖信號(hào)輸入到HNLF 中,最終獲得包含一個(gè)倍頻程的超連續(xù)光譜.

圖1 多支路摻鉺光纖飛秒光梳結(jié)構(gòu)示意圖,CO 為準(zhǔn)直器;λ/2,λ/8 為1/2 和1/8 波片;FR 為法拉第旋光器;PBS 為偏振分光棱鏡;EOM 為電光晶體調(diào)制器;PZT 為壓電陶瓷;TWDM 為反射式波分復(fù)用器;M 為反射鏡;HNLF 為高非線性光纖;Coupler 為光纖耦合器;PD 為光電探測器;WDM 為帶隔離器的波分復(fù)用器;SYN 為頻率綜合器;LF 為環(huán)路濾波器;HVA 為高壓放大器Fig.1.Multi-branch Er:fiber based femtosecond optical comb system.CO,collimator;λ/2,1/2 waveplate;λ/8,1/8 waveplate;FR,faraday rotator;PBS,polarization beam splitter;EOM,electronic optical modulator;PZT,piezoelectric ceramic transducer;M,mirror;HNLF,highly nonlinear fiber;PD,photodetector;WDM,wavelength division multiplexer;SYN,synthesizer;LF,loop filter;HVA,high voltage amplifier.

frep和fceo的鎖定由圖1 下虛線框圖所示.frep的鎖定通過外加電壓到PZT 和EOM 上改變飛秒激光源的光學(xué)腔長來實(shí)現(xiàn).由PD 輸出的信號(hào)濾波后得到frep,與同頻率的參考信號(hào)源混頻得到誤差信號(hào),最后將得到的誤差信號(hào)反饋到PZT 和EOM 的高壓放大器上實(shí)現(xiàn)frep的鎖定.fceo的鎖定通過控制飛秒激光源的泵浦電流實(shí)現(xiàn).PD 輸出信號(hào)經(jīng)中心頻率為270 MHz(帶寬10 MHz)的帶通濾波器濾波得到fceo信號(hào)后,將fceo信號(hào)經(jīng)40 分頻后與同頻率參考信號(hào)源混頻得到誤差信號(hào),通過環(huán)路濾波器反饋控制飛秒激光源的泵浦電流,從而實(shí)現(xiàn)fceo的鎖定.

圖3(a)為獲得的倍頻程光譜,在1050,2100 nm處的光功率分別為0.59 和0.17 mW/nm.圖3(b)為得到的fceo信號(hào),在分辨率帶寬(resolution bandwidth,RBW)為300 kHz 時(shí),其信噪比約為35 dB.圖3(c) 為系統(tǒng)鎖定后fceo分頻的輸出頻譜,可以看出,增益峰出現(xiàn)在50 kHz 附近,即fceo的鎖定帶寬約為50 kHz (RBW=300 Hz).圖3(d)給出了系統(tǒng)鎖定后兩個(gè)頻率分量fceo和frep的環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度,fceo頻率穩(wěn)定度為4.95 × 10–18/τ1/2,frep頻率穩(wěn)定度為5.85 × 10–13/τ.環(huán)內(nèi)穩(wěn)定度優(yōu)于基準(zhǔn)頻率信號(hào),滿足CRDS 測量百赫茲準(zhǔn)確度的需求.

圖3 載波包絡(luò)相移頻率和重復(fù)頻率的探測和控制 (a) 倍頻程光譜;(b) fceo 頻譜;(c)相位鎖定后fceo 環(huán)內(nèi)頻譜;(d) 環(huán)內(nèi)頻率控制穩(wěn)定度Fig.3.Detection and control of fceo and frep:(a) Measured octave-spanning spectrum;(b) RF spectrum of fceo;(c) in-loop RF spectrum of phase locked fceo;(d) in-loop frequency instability.

2.3 用于CRDS 測量的擴(kuò)展光譜

為了測量氦氣23S—23P 躍遷頻率、甲烷的10F2—9F2躍遷頻率及其可能的其他躍遷頻率和其他分子的躍遷頻率,光譜擴(kuò)展單元共包含8 路應(yīng)用端口,輸出的超連續(xù)光譜分別覆蓋1064,1083,1240,1380,1500,1600,1750 和2100 nm.為了同時(shí)獲得高單模功率的8 路目標(biāo)光譜,本系統(tǒng)采用多支路光譜擴(kuò)展方式,即單個(gè)支路只用于產(chǎn)生單個(gè)目標(biāo)波長.首先,飛秒激光器輸出的11 mW 脈沖光,經(jīng)過一級(jí)放大,獲得約33.4 mW 的功率輸出.一級(jí)放大采用單端后向抽運(yùn)的泵浦方式,以保持較高抽運(yùn)效率和降低泵浦光引入噪聲.然后,將預(yù)放大后激光功率平均分為8 路,作為啁啾脈沖放大模塊的輸入.經(jīng)過預(yù)啁啾管理后的脈沖,輸入到單級(jí)雙向泵浦的摻鉺光纖放大器中.經(jīng)過放大后的脈沖通過調(diào)節(jié)壓縮光纖的長度,使脈沖寬度均小于60 fs.經(jīng)過壓縮后的脈沖輸入到HNLF 中,實(shí)現(xiàn)超連續(xù)光譜產(chǎn)生.

在給定泵浦源的情況下,超連續(xù)譜光譜的結(jié)構(gòu)和能量分布與HNLF 的參數(shù)有關(guān),特別是與HNLF的零色散波長 (zero dispersion wavelength,ZDW)關(guān)系密切[33,34].當(dāng)ZDW 距泵浦源波長較遠(yuǎn),處于光纖的反常色散區(qū)時(shí),入射的高功率脈沖在高階色散和拉曼散射的共同作用下,在短波和長波處分別形成色散波和不斷紅移的拉曼峰;當(dāng)ZDW 在泵浦源波長附近時(shí),入射脈沖光譜在孤子分裂和色散的共同作用下使距泵浦源波長更近處的光譜能量更充沛.系統(tǒng)中選用三種HNLF,通過改變?nèi)肷涿}沖光功率可以使盡量多的光譜能量集中至目標(biāo)波長處.覆蓋目標(biāo)波長為1240,1380,1500 和1600 nm的擴(kuò)展應(yīng)用端口中,采用的HNLF 為美國ofs 公司生產(chǎn),該光纖零色散波長為1550 nm,使用長度分別為25,12,10 和10 cm;覆蓋目標(biāo)波長為1064,1083和1750 nm 的擴(kuò)展應(yīng)用端口中,采用的HNLF 為美國ofs 公司生產(chǎn),該光纖零色散波長為1405 nm,使用長度分別為30,30 和25 cm;覆蓋目標(biāo)波長為2100 nm 的擴(kuò)展應(yīng)用端口中,采用的HNLF 為日本住友公司生產(chǎn),使用長度為12 cm,該光纖零色散波長為1350 nm,該光纖不僅非線性系數(shù)更高,而且其零色散波長偏離光梳直接輸出光譜更遠(yuǎn),使得輸出的超連續(xù)光譜帶寬更大,在長波處能量更集中.

將8 路超連續(xù)光分別接入光譜儀觀測目標(biāo)波長處的光譜分布,并利用光功率計(jì)測量超連續(xù)光功率,計(jì)算得到目標(biāo)波長的單模能量.圖4 為擴(kuò)展光譜單元各目標(biāo)波長附近的光譜分布.中心波長為1064,1083,1240,1380,1500,1600,1750 和2100 nm 的光譜寬度分別約為21,20,34,83,65,34,40 和77 nm,各目標(biāo)波長光譜寬度不同是由于HNLF 特性和脈沖參數(shù)的不同導(dǎo)致的,光譜擴(kuò)展單元輸出的光譜寬度可以覆蓋CRDS 中單頻激光的頻率范圍.光梳的擴(kuò)展光譜在上述8 個(gè)目標(biāo)波長處的單模功率分別為362,478,504,438,408,1311,667 和640 nW.單模功率均遠(yuǎn)大于100 nW,滿足后續(xù)CRDS 中與單頻激光拍頻所需的功率.一般來說,單模功率為100 nW 的激光信號(hào)拍頻后可以產(chǎn)生30 dB 的信號(hào)(RBW=300 kHz),30 dB 的拍頻信號(hào)足以驅(qū)動(dòng)商用鎖頻電路[35].

圖4 各目標(biāo)波長附近的光譜展寬分布 (a) 1064 nm;(b) 1083 nm;(c) 1240 nm;(d) 1380 nm;(e) 1500 nm;(f) 1600 nm;(g) 1750 nm;(h) 2100 nmFig.4.Observed supercontinuum spectrum near each target wavelength:(a) 1064 nm;(b) 1083 nm;(c) 1240 nm;(d) 1380 nm;(e) 1500 nm;(f) 1600 nm;(g) 1750 nm;(h) 2100 nm.

3 結(jié)論

本文介紹了用于CRDS 的“9”字腔多支路摻鉺光纖飛秒光梳系統(tǒng)的研制.搭建的光梳系統(tǒng)fceo信噪比約為35 dB (RBW=300 kHz),可滿足鎖定系統(tǒng)對(duì)fceo信噪比的需求.采用EOM 與PZT等頻率控制器,實(shí)現(xiàn)了光梳系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行,frep和fceo的環(huán)內(nèi)穩(wěn)定度分別為5.85 × 10–13/τ和4.95 × 10–18/τ1/2.在此基礎(chǔ)上,光譜擴(kuò)展單元將光梳光譜擴(kuò)展至8 個(gè)目標(biāo)波長處,獲得的8 路光譜擴(kuò)展應(yīng)用端口的目標(biāo)波長處的單模功率均大于300 nW.本文報(bào)道的光梳系統(tǒng)可滿足多個(gè)光譜學(xué)研究中常見的分子吸收譜線測量應(yīng)用.