Optiske frekvenskammer med høy effekt spiller en svært viktig rolle i ikke-lineær presisjonsspektroskopi, generering av ekstrem ultrafiolett optisk frekvenskam, forskning på kjernefysisk og atomklokke, etc. Fiber femtosekundlasere er den foretrukne løsningen for å realisere optiske frekvenskammer med høy effekt på grunn av fordelene av enkel struktur, stabil ytelse og enkel forsterkning. På grunn av den uunngåelige spontane emisjonsstøyen (ASE), pumpeintensitetsstøy, spektral koherensforringelse og fasejitter forårsaket av lysbanen i fiberlaserforsterkning, blir frekvensstabiliteten til den optiske kammen imidlertid alvorlig påvirket. Derfor er det en utfordrende oppgave å oppnå høyfrekvent stabilitet mens høy effektforsterkning.
For å løse problemene ovenfor, basert på langsiktig forskning på optisk frekvenskamteknologi, har L07-gruppen fra Key Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Centre for Condensed Matter Physics, suksessivt fremmet de tekniske løsningene med å ta i bruk den støysvake optiske fiberfrøkilden, lineær chirped pulsforsterkning og intrakavitet elektro-optisk krystall rask fasemodulering, etc., og generere det høykoherens superkontinuumspekteret ved å trekke kjeglen fotonisk krystallfiber og kombinere med Den integrerte strukturelle designen, temperaturkontrollen, vibrasjonsisoleringen og andre tekniske design har effektivt redusert støyen fra den optiske frekvenskammen. Nylig har Hainian Han, en assosiert forsker i gruppen, og Xiaodong Shao, en postdoktor, ytterligere oppnådd en frekvensstabilitet utenfor ringen i størrelsesorden 10-19/1000s på en 20W høy-gjennomsnittlig effekt fiberoptisk frekvenskam. Dette er kjent for å ha nådd frekvensstabiliteten til de nåværende beste optiske atomklokkene, og er også det optimale resultatet oppnådd med høyeffekts optiske frekvenskammer så langt. Figur 1 viser det skjematiske diagrammet over de to identiske høyeffekts optiske fiberkamkonstruksjonsprototypene som er utviklet og den ekstra ringformede doble optiske kamsammenlikningen for å måle frekvensstabiliteten.
En selvbygd ikke-lineært polarisert rotasjonsmoduslåst (NPR) fiberlaseroscillator ble brukt som femtosekunds frøpulskilde i studien, og en høyeffekt femtosekundlaserutgang med en gjennomsnittlig effekt større enn 20 W og en pulsbredde på 75 fs ble oppnådd etter lineær fiber chirped puls amplification (CPA). Den låste frekvensstabiliteten til bærebølgeomhyllingsfaseforskyvningsfrekvensen (CEO) er 1,5×10-17/s. I den optiske frekvenslåsingen tappes femtosekundpulsene som sendes ut fra forskjellige grener av oscillatoren og forsterkeren med den superstabile referanselaseren separat, og hvis forsterkerens tappede signal brukes til låsingen, vil den målte frekvensstabiliteten til høyeffekten forsterket laserring kan nå 2×10-18/s, mens i tilfellet kun CPA, frekvensstabiliteten kan nå 2×10-18/s, og i tilfellet med bare CPA, frekvensen stabiliteten kan nå 2×10-18/s. -18/s, mens i tilfelle av bare å låse femtosekund-pulsutgangen fra oscillatoren, hvis forsterkeren tillates å kjøre fritt, kan frekvensstabiliteten bare nå 10-15/s, som er tre ordener av størrelsesorden verre. Støyeffektspektrumanalysen viser at forsterkeren introduserer en stor mengde lavfrekvent støy, som har en betydelig effekt på langtidsstabiliteten til den optiske frekvenskamfrekvensen, og forskjellen er til og med så høy som fire størrelsesordener kl. en porttid på 1000 s, som vist i fig. 2 (a). I tillegg viser resultatene av fasestøyanalysen, som karakteriserer den kortsiktige stabiliteten til frekvensen, også at etter en rekke støykontrolltiltak er høyfrekventstøyen introdusert av forsterkeren svært liten og påvirker ikke kortsiktig stabilitet i systemet.
For å evaluere frekvensstabilitetsytelsen til denne optiske frekvenskammen med høy gjennomsnittlig effekt i praktiske applikasjoner, måles to 20W høyeffekts fiberlaserfrekvenskammer for første gang i denne studien. Måleresultatene viser at den typiske stabilitetsverdien for frekvensen utenfor ringen er 4,35×10-17/s ved 1 s integreringstid, og synker til 6,54×10-19 ved 1000 s integreringstid, ettersom vist i fig. 2(b), som vil åpne opp nye dører for mange applikasjoner som krever høy effekt og høyfrekvent stabilitet av optiske kammer. Denne forskningsfremgangen ble nylig publisert i Optics Express under tittelen "High power optical frequency comb with 10-19 frequency instability" (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Første forfatter av artikkelen er Xiaodong Shao, og medveiledere er Zhiyi Wei og Hainian Han. Dette arbeidet ble støttet av pilotprogrammet til det kinesiske vitenskapsakademiet (XDA1502040404, XDB210104004) og National Natural Science Foundation of China (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
En 20W høyeffekts optisk fiberfrekvenskam med 10-19te ordens ekstra ringformet frekvensstabilitet.
Fig. 1 (a) Fotografi av den konstruerte prinsippprototypen til den fiberoptiske høyeffektkammen, (b) Skjematisk diagram av målingen av ekstraringfrekvensstabiliteten til den optiske høyeffektkammen
Fig. 2 (a) Frekvensstabilitet til oscillator og forsterker låst separat, (b) Frekvensstabilitet til høyeffekts optisk frekvenskam med sammenligning utenfor ringen
