本文關(guān)鍵詞：脈沖光纖激光器及超穩(wěn)光纖光學(xué)頻率梳的實(shí)驗(yàn)研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密依賴精密計(jì)量科學(xué)的推進(jìn)。光學(xué)頻率梳的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頻率和微波頻率之間的精密鏈接。同時(shí),光學(xué)頻率梳作為光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域革命性的重大突破,將精密計(jì)量科學(xué)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(xué)研究的強(qiáng)大工具,并且在時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞、基本物理定律驗(yàn)證、阿秒脈沖產(chǎn)生、系外行星探測(cè)等方面具有開(kāi)拓性的應(yīng)用前景。其中,光纖光學(xué)頻率梳因具有體積小、穩(wěn)定性、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為了當(dāng)前光學(xué)頻率梳發(fā)展的主流技術(shù)之一。另外,低相噪的光纖光學(xué)頻率梳因?yàn)榫哂懈氖猃X線寬和更高的頻率穩(wěn)定性必將進(jìn)一步革新精密測(cè)量技術(shù),已成為超快光學(xué)領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)之一。鑒于光纖光學(xué)頻率的重要應(yīng)用前景,本論文在光纖光學(xué)頻率梳的種子源及穩(wěn)定性等方面開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究,其主要研究?jī)?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(xué)頻率梳種子源。針對(duì)光纖光學(xué)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(shí)現(xiàn)了幾種不同機(jī)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(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的控制;采用光纖輸出用于提高后續(xù)放大過(guò)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(shí)現(xiàn)了納秒量級(jí)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(shí)抖動(dòng)最低。2.初步實(shí)現(xiàn)摻鐿光纖光學(xué)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(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相移(ceof)的測(cè)量,獲得信噪比為40dB(100kHz分辨率)的ceof信號(hào),通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)泵浦電流和腔內(nèi)尖劈插入量實(shí)現(xiàn)ceof信號(hào)的精密鎖定,獲得1.2×10-17/s的頻率穩(wěn)定性。對(duì)于重復(fù)頻率(repf)的鎖定,提取repf的4次諧波即1GHz的微波信號(hào)送入鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)電路,通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓電陶瓷上的驅(qū)動(dòng)電壓改變腔長(zhǎng),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(jí)。鎖定前,自由運(yùn)轉(zhuǎn)下repf的時(shí)間抖動(dòng)(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(duì)repf的噪聲產(chǎn)生了一定的抑制作用。要想進(jìn)一步提高repf信號(hào)的頻率穩(wěn)定性,只有將參考源提升為光頻參考源。3.實(shí)現(xiàn)了摻鐿光纖光學(xué)頻率梳的光譜展寬,以增強(qiáng)光譜中972nm成分,用于與實(shí)驗(yàn)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(hào),為實(shí)現(xiàn)摻鐿光纖光學(xué)頻率梳直接鎖定至超穩(wěn)激光奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將振蕩器輸出種子光輸入兩級(jí)光纖放大系統(tǒng),經(jīng)光柵對(duì)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(qiáng)了972nm成分。4.實(shí)現(xiàn)了環(huán)內(nèi)穩(wěn)定度達(dá)10-18量級(jí)的超穩(wěn)摻鐿光纖光學(xué)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(xì)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(shí)現(xiàn)摻鐿光梳和光頻參考源的鎖定。拍頻信號(hào)在自由運(yùn)轉(zhuǎn)下的線寬約200kHz。鎖定之后,線寬被壓窄至毫赫茲量級(jí),頻率穩(wěn)定性達(dá)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(xué)頻率梳中最高的頻率穩(wěn)定性報(bào)道。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN248

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