基于ppln晶體差頻法的飛秒激光頻率梳系統(tǒng)信號測量

基于ppln晶體差頻法的飛秒激光頻率梳系統(tǒng)信號測量

1.f—引言飛秒激光脈沖的微波波峰（ce）的波束相位偏移在強(qiáng)場物理中起著非常重要的應(yīng)用。例如，高次聲波的產(chǎn)生、x波的產(chǎn)生和多波長傅里葉合成產(chǎn)生了銀行波的明亮變化。用于研究和記錄飛秒激光脈沖的波幅需要穩(wěn)定的飛秒激光脈沖。近年來，利用鎖相環(huán)反饋電路將影響激光腔，并對飛秒激光脈沖的波幅進(jìn)行了高精度控制。波形干擾的一般方法是頻率范圍的自參考測量技術(shù)，也被稱為f-2f技術(shù)。該技術(shù)首先利用f-2hf-f，利用超連續(xù)光譜中的高頻分量和低頻分量波束的振幅，在寬度小于4m的超連續(xù)光譜中表示頻帶的波幅。波動噪聲輸出的波幅是絕對穩(wěn)定的。frep-2如果同時控制傳輸噪聲輸出的重復(fù)頻率frep和波幅包絡(luò)頻率波動，并且波動包絡(luò)波速u是絕對穩(wěn)定的。這類測量和控制波幅延遲的方法非常簡單，但引入的云晶碘的芯徑只有1-2米。要將光移植到這些細(xì)光束中，需要很長時間保持穩(wěn)定性。此外，光纖頭容易被灰塵污染，需要定期切割。因此，光纖的使用不利于長期、穩(wěn)定、可靠地運行飛秒激光頻率。2004年接連報道了利用差頻產(chǎn)生載波包絡(luò)相移自穩(wěn)定的飛秒激光脈沖及飛秒頻率梳,Fuji等人最近利用薄片PPLN晶體差頻法實現(xiàn)了無光子晶體光纖的寬譜飛秒鈦寶石激光器直接輸出相移自穩(wěn)定的飛秒激光脈沖,并且得到了載波包絡(luò)相移的拍頻信號,這是目前最簡單的測量載波包絡(luò)頻移信號的方法,本文利用此方法實現(xiàn)了對自建的重復(fù)頻率為160MHz的寬譜飛秒鈦寶石激光振蕩器的載波包絡(luò)頻移信號的測量,并得到了以1600nm為中心波長的載波包絡(luò)相移自穩(wěn)定的差頻梳,頻譜儀記錄到的拍頻結(jié)果顯示,載波包絡(luò)頻移信號的信噪比可達(dá)34dB,完全可以達(dá)到鎖相環(huán)直接控制的要求.2.測試系統(tǒng)的f國法介紹與f—2f測量技術(shù)類似,差頻法也是利用兩個波長接近的光譜成分拍頻得到載波包絡(luò)頻移信號的,只是這里參與拍頻的光譜成分一個來自基頻光,另一個來自差頻光,所以又稱這種方法為0—f測量技術(shù),下面詳細(xì)介紹此方法的物理機(jī)理及其優(yōu)點.通常飛秒激光振蕩器輸出的飛秒脈沖串在頻域上是一系列間隔相等幅度不等的分立頻譜成分,又稱為飛秒頻率梳,其中每個光譜成分的頻率表達(dá)式可以寫為fn=nfrep+fceo,(1)fn=nfrep+fceo,(1)這里n是一個數(shù)值很大的整數(shù),代表頻率梳譜線的標(biāo)記.假設(shè)其中的某些低頻成分與高頻成分在非線性晶體中產(chǎn)生差頻效應(yīng),差頻光譜的表達(dá)式為fd=(n1frep+fceo)?(n2frep+fceo)=(n1?n2)frep.(2)fd=(n1frep+fceo)-(n2frep+fceo)=(n1-n2)frep.(2)可以看出,差頻光中fceo為0,也就是說,差頻光梳是相位自穩(wěn)定的,這樣的光可作為種子光進(jìn)一步放大從而得到相位為0的自穩(wěn)定的強(qiáng)飛秒激光脈沖,這在強(qiáng)場物理的高次諧波產(chǎn)生研究中具有重要應(yīng)用.在(1)和(2)式中假設(shè)n與n1-n2相同,然后將(1)與(2)式相減,就可得到fceo拍頻信號,即fn?fd=nfrep+fceo?(n1?n2)frep=fceo.(3)fn-fd=nfrep+fceo-(n1-n2)frep=fceo.(3)實驗上的測量原理如圖1所示.圖中基頻梳曲線代表振蕩器直接輸出的光譜經(jīng)自相位調(diào)制效應(yīng)后得到的展寬光譜,由于自相位調(diào)制效應(yīng)只是將光譜展寬,并沒有改變光譜的特性,所以這里仍然叫做基頻梳,曲線包絡(luò)內(nèi)的虛豎線代表實際的頻率梳的位置,也就是fceo不為0的頻梳譜線.差頻梳曲線代表基頻梳中某些低頻和高頻光譜(如箭頭所示)經(jīng)差頻效應(yīng)后產(chǎn)生的光脈沖的光譜曲線,可以看出這個差頻梳曲線位于紅外區(qū),曲線包絡(luò)內(nèi)的實豎線代表載波包絡(luò)相移為0的頻梳譜線,在基頻梳和差頻梳的重合區(qū)會發(fā)生(3)式所指的拍頻現(xiàn)象,于是探測這部分的光信號就會得到載波包絡(luò)頻移的拍頻信號.晶體差頻法測量飛秒激光脈沖載波包絡(luò)頻移的最大優(yōu)點在于取代了系統(tǒng)中的光子晶體光纖,這一方面使頻率梳系統(tǒng)更加穩(wěn)定,另一方面由于經(jīng)過差頻晶體后的基頻光功率損耗很小,基頻光分離出來可以繼續(xù)用作放大的種子光,而光子晶體光纖的耦合效率通常只有20%—30%,飛秒脈沖經(jīng)過光子晶體光纖后功率損失較大,這不利于放大和測頻的應(yīng)用.但相比自參考測量法,差頻測量對飛秒振蕩器的要求較高,為了保證差頻及自相位調(diào)制效應(yīng)同時產(chǎn)生,要求飛秒振蕩器輸出的飛秒脈沖譜寬足夠?qū)?600—1000nm),脈寬足夠窄(<10fs).我們實驗室使用商用寬帶啁啾鏡建成了寬譜7fs鈦寶石振蕩器,在此基礎(chǔ)上,利用差頻技術(shù)對這臺振蕩器輸出的飛秒激光脈沖的載波包絡(luò)相移進(jìn)行了測量.3.飛秒脈沖的準(zhǔn)直差頻測量飛秒激光脈沖的實驗裝置如圖2所示,方框中的鈦寶石振蕩器與文獻(xiàn)中的啁啾鏡補(bǔ)償色散的寬譜振蕩器類似,只是為了更好地補(bǔ)償腔內(nèi)的高階色散,我們在腔內(nèi)加入了一對尖劈,如圖3所示,同時腔內(nèi)尖劈的作用還在于通過調(diào)節(jié)插入量改變飛秒脈沖的載波包絡(luò)相移.經(jīng)過改造后的振蕩器輸出飛秒脈沖重復(fù)頻率為160MHz,在4W的抽運光功率下輸出的飛秒激光脈沖平均功率在400mW左右,輸出譜寬范圍為600—1000nm.根據(jù)理論計算,具有如此寬譜的飛秒脈沖其持續(xù)時間在10fs以下,此時就必須考慮在腔外進(jìn)行色散補(bǔ)償才能保證得到傅里葉變換極限的脈沖寬度.圖2中放在腔外的一對啁啾鏡和一對尖劈用以提供合適的正負(fù)色散,從而保證得到的飛秒脈沖是無啁啾的.將這樣的飛秒脈沖再通過一個焦距為25mm的凹面銀鏡聚焦到一塊厚度為2mm的PP-MgO:LN晶體(HCPhotonics)上,PP-MgO:LN晶體是電極化準(zhǔn)相位匹配晶體,其電極化周期為11.21μm,適合常溫下620nm—1000nm寬譜范圍內(nèi)0型(e+e→e)匹配的差頻光產(chǎn)生.接著用一個同樣焦距的凹面銀鏡對出射光進(jìn)行準(zhǔn)直,最后可以用合適的全反鏡將準(zhǔn)直后的基頻光導(dǎo)出來留做種子光,只讓產(chǎn)生的紅外光經(jīng)過一個長通濾光片(1400nm截止濾光片)后射入紅外InGaAs光電二極管進(jìn)行接收,這里因為我們暫時沒有用到基頻光所以沒有將其導(dǎo)出來,而是將全部的光都經(jīng)過濾光片后再接收.4.紅外區(qū)的飛秒調(diào)制作用用PPLN晶體差頻法取代光子晶體光纖來測量飛秒脈沖的載波包絡(luò)相移關(guān)鍵在于振蕩器的光譜和脈寬特性,首先振蕩器輸出的飛秒脈沖的光譜寬度要滿足差頻產(chǎn)生的要求.圖4是寬譜鈦寶石振蕩器輸出的飛秒脈沖的光譜曲線圖,可以看出光譜覆蓋了從600nm到1000nm的范圍,滿足差頻晶體620—1000nm的譜寬要求,而且這樣的譜寬可以支持大約7fs的超短光脈沖,通過仔細(xì)調(diào)節(jié)腔外的啁啾鏡和尖劈插入可以獲得無啁啾的最短飛秒脈沖輸出,從而保證聚焦到PPLN晶體中時可以同時產(chǎn)生較強(qiáng)的自相位調(diào)制效應(yīng)和差頻效應(yīng),這兩種效應(yīng)都會將基頻光擴(kuò)展到紅外區(qū),圖5是我們用光譜儀(Ando,AQ6315A)測量到的PPLN晶體后產(chǎn)生的紅外光,由于產(chǎn)生的紅外光很弱,而透過的800nm的基頻光仍然很強(qiáng),所以在測量時需要用合適的濾光片將基頻光及產(chǎn)生的400nm倍頻光都濾掉,然后用透鏡聚焦后才能測到對比度較高的紅外光譜.可以看出,紅外光光譜范圍是從1100nm到1700nm,這是差頻和自相位調(diào)制共同作用產(chǎn)生的,而1600nm處的波峰代表此處的差頻效應(yīng)較強(qiáng),實驗中我們發(fā)現(xiàn)光譜強(qiáng)度對匯聚到PPLN晶體上的飛秒激光的焦點比較敏感,稍稍移動焦點的位置紅外光譜就有可能消失或變?nèi)?證明晶體中非線性效應(yīng)的產(chǎn)生與焦點位置有很大關(guān)系.為了探測在紅外區(qū)發(fā)生的拍頻效應(yīng),我們用長通濾光片和紅外APD接收大于1400nm的光譜,同時用頻譜儀記錄拍頻信號,如圖6所示,圖中最高峰代表重復(fù)頻率160MHz,最左邊的譜線代表載波包絡(luò)頻移的拍頻信號,中間的是重復(fù)頻率與拍頻的差頻,頻譜儀的分辨率設(shè)為100kHz,調(diào)節(jié)腔內(nèi)尖劈的插入可以看到頻譜儀上拍頻信號在移動,證明這確實是載波包絡(luò)頻移信號,而且信噪比達(dá)到了34dB,為下一步的電路鎖定提供了前提條件.5.系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高PPLN晶體差頻法測量飛秒激光脈沖的載波包絡(luò)頻移具有結(jié)構(gòu)簡單,容易調(diào)節(jié)等優(yōu)點,而且利用它取代借助光子晶體光纖測量頻移的自參考測量法可以極大地提高系統(tǒng)的