本文關(guān)鍵詞：脈沖光纖激光器及超穩(wěn)光纖光學頻率梳的實驗研究　出處：《中國科學院大學(中國科學院物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展緊密依賴精密計量科學的推進。光學頻率梳的出現(xiàn),實現(xiàn)了光學頻率和微波頻率之間的精密鏈接。同時,光學頻率梳作為光學精密測量領(lǐng)域革命性的重大突破,將精密計量科學推至新的極致。寬光譜、高穩(wěn)定性等特性使其成為精密光譜學研究的強大工具,并且在時間頻率標準傳遞、基本物理定律驗證、阿秒脈沖產(chǎn)生、系外行星探測等方面具有開拓性的應(yīng)用前景。其中,光纖光學頻率梳因具有體積小、穩(wěn)定性、操作簡單等優(yōu)點,已經(jīng)成為了當前光學頻率梳發(fā)展的主流技術(shù)之一。另外,低相噪的光纖光學頻率梳因為具有更窄的梳齒線寬和更高的頻率穩(wěn)定性必將進一步革新精密測量技術(shù),已成為超快光學領(lǐng)域的前沿研究熱點之一。鑒于光纖光學頻率的重要應(yīng)用前景,本論文在光纖光學頻率梳的種子源及穩(wěn)定性等方面開展了實驗研究,其主要研究內(nèi)容和獲得的結(jié)果如下:1.研制了最窄脈寬和最低相噪的光纖光學頻率梳種子源。針對光纖光學頻率梳的核心光源—種子源,研究了摻鉺光纖激光器(Er-doped fiber laser,EDFL)特性,實現(xiàn)了幾種不同機制的超短脈沖激光輸出。首先,基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)(Nonlinear Polarization Rotation,NPR)研制了一套摻鉺光纖振蕩器,腔內(nèi)置有電光調(diào)制晶體用于實現(xiàn)重復頻率的控制;采用光纖輸出用于提高后續(xù)放大過程中的功率穩(wěn)定性。其次,利用二維納米材料制備了新型可飽和吸收體(Saturable absorber,SA),并基于脈沖激光混合調(diào)制技術(shù),實現(xiàn)了納秒量級調(diào)Q和鎖模脈沖輸出。與其他同類型的光纖激光器相比,本文所研制的光纖激光器的脈寬最窄、光譜最寬、定時抖動最低。2.初步實現(xiàn)摻鐿光纖光學頻率梳梳齒和偏移頻率的整體控制,參考源為射頻參考源。自行搭建?-2?系統(tǒng)實現(xiàn)載波包絡(luò)相移(ceof)的測量,獲得信噪比為40dB(100kHz分辨率)的ceof信號,通過負反饋調(diào)節(jié)泵浦電流和腔內(nèi)尖劈插入量實現(xiàn)ceof信號的精密鎖定,獲得1.2×10-17/s的頻率穩(wěn)定性。對于重復頻率(repf)的鎖定,提取repf的4次諧波即1GHz的微波信號送入鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)電路,通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓電陶瓷上的驅(qū)動電壓改變腔長,獲得2×10-12/s的頻率穩(wěn)定性,受限于參考源的穩(wěn)定度為10-12/s量級。鎖定前,自由運轉(zhuǎn)下repf的時間抖動(Time jitter)為320ps(積分范圍為1Hz到1MHz),鎖定之后的Time jitter為52ps。證明PLL電路對repf的噪聲產(chǎn)生了一定的抑制作用。要想進一步提高repf信號的頻率穩(wěn)定性,只有將參考源提升為光頻參考源。3.實現(xiàn)了摻鐿光纖光學頻率梳的光譜展寬,以增強光譜中972nm成分,用于與實驗室的972nm連續(xù)光(Continous Wave,CW)拍頻得到高信噪比的穩(wěn)定拍頻信號,為實現(xiàn)摻鐿光纖光學頻率梳直接鎖定至超穩(wěn)激光奠定基礎(chǔ)。在實驗過程中,將振蕩器輸出種子光輸入兩級光纖放大系統(tǒng),經(jīng)光柵對壓縮,種子光的脈寬為6.7ps,功率約30mW,放大壓縮到110fs的脈沖寬度和2W的平均輸出功率。然后空間耦合至光子晶體光纖(Photonic crystal fiber,PCF),產(chǎn)生350nm-1650nm的馬鞍形超連續(xù)光譜(Supercontinuum,SC),增強了972nm成分。4.實現(xiàn)了環(huán)內(nèi)穩(wěn)定度達10-18量級的超穩(wěn)摻鐿光纖光學頻率梳。我們首先采用Pound-drever-hall(PDH)鎖定技術(shù)將972nm連續(xù)激光器鎖定至超高精細度和穩(wěn)定度的法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)腔,得到超穩(wěn)窄線寬激光器;其次,實現(xiàn)摻鐿光梳和光頻參考源的鎖定。拍頻信號在自由運轉(zhuǎn)下的線寬約200kHz。鎖定之后,線寬被壓窄至毫赫茲量級,頻率穩(wěn)定性達到2×10-18/s。Time jitter為278as(積分范圍為1Hz到1MHz)。據(jù)我們所知,該結(jié)果是迄今摻鐿光纖光學頻率梳中最高的頻率穩(wěn)定性報道。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN248

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本文編號：1312057