用于等效时间采样应用的空间多路单腔双光梳激光器

用于等效时间采样应用的空间多路单腔双光梳激光器

1

介绍

双光学频率梳(简称双光梳)[1]的概念在光频梳被提出后不久被引入[2-4]。在时域上，双光梳可以理解为两个相干光脉冲序列，它们的重复频率有轻微的偏移。自问世以来，双光梳光源及其应用一直一个重要研究课题[5]。双光梳光源与早期用于泵浦探测测量的激光系统有许多相似之处。特别是，利用两种不同重复频率对超快现象进行采样的想法，早在20世纪80年代就已经通过等效时间采样概念的演示进行了探索[6,7]。在这种情况下，通过frep/Dfrep的因子，超快动态过程在时域中被缩小到更慢的等效时间。这里frep是采样频率，Dfrep是采样频率与激发重频的差值。这个概念很快通过一对相互稳定的锁模激光器实现，通常被称为异步光采样(ASOPS)[8]。双光梳方法和ASOPS激光系统的一个显著区别是两个脉冲序列锁在一起的相位和定时的精度。因为双光梳锁模的发明，特别是在一个自由运行的激光腔产生两个光频梳，这个边界已经变得模糊。这种激光器最初是在光纤[9]和固态[10,11]增益材料中实现的，随后出现了大量的激光腔多路复用方法[12]。由于脉冲在同一腔内循环，它们经历类似的干扰，导致相关的噪声特性，这对于实际应用[13]来说已经足够了。类似地，与电子锁定异步光采样ASOPS系统相比，由于共腔结构和锁模激光器振荡器的优秀无源稳定性，有降低时间抖动的潜力[14,15]。此外，由于这些系统显著降低了复杂性(一个振荡器，没有复杂的锁定电子设备)，它们可以在双光梳激光器通常无法达到的新应用领域实现实际测量。另一方面，自由运行的激光器容易受到相对光学相位漂移和两个脉冲序列之间重复频率差异的影响，这必须加以考虑。

迄今为止，单腔双频梳激光器的运行通常是在激光设计或性能上的折衷。例如，将无源双折射晶体插入腔中[10]，用双折射增益元件对偏腔线[16]，分割激光增益带宽[17]，或利用环形腔的双向运行[9,11]。最近，在高功率锁模薄片激光器结构中也研究了涉及独立腔端镜的空间分离模概念[18,19]。然而，在这些最新的实现中，并不是所有的内腔组件都是共享的以便降低常规噪声抑制。

在这篇文章中，我们提出了一种激光腔多路复用的新方法，通过在表面插入一个具有两个独立角度的单片器件，例如双棱镜，使空间分离模式存在。因此，通过在适当的位置安装双棱镜，可以将对单光频梳操作最优的空腔适应为双光频梳空腔。利用这种方法，在80 MHz重复频率，在脉冲小于140fs的情况下，我们从单个固体激光器腔中获得了2.4 W的平均功率。两个光频梳的重复频率差可在[- 450Hz, 600Hz]范围内调节。表征得到脉冲之间的相对时序噪声为仅为光周期的一小部分：在[20 Hz至100 kHz]的综合带宽下为2.2 fs。这是迄今为止报告的在这个频率范围内自由运行的双梳激光器中最低的相对时间噪声。此外，我们在多路复用元件上应用压电反馈来抵消低频环境干扰和漂移，因此我们可以在超过5小时内实现标准偏差为70mHz的重复频率差稳定性。

2

谐振腔设计与振荡器性能

图1所示。(a)激光腔布局。泵浦使用一个980nm多模二极管。DM:泵浦/激光二色性，OC:激光输出耦合器， 5.5%的激光透过率，泵浦光高透过率。增益介质是掺杂4.5%的Yb:CaF2晶体 [20]。该腔采用具有介电介质顶部涂层的多量子阱SESAM，获得高饱和通量Fsat=142J/cm2，调制深度R=1.1%。(b)激光输出功率和脉冲持续时间随总泵浦功率的变化。

图1(a)显示了我们的自由运行双光频梳激光腔的布局。我们使用多模泵浦二极管和端泵浦腔结构，类似于我们之前报道的偏振复用双梳状激光器的配置[20,21]。然而，与过去的报道相反，在有源元件，即增益晶体和半导体饱和吸收镜(SESAM)上的空间分离是通过插入一个具有高度反射涂层的双棱镜来获得的。通过使用一个顶角179°的双棱镜，我们获得了在增益介质上模式分离1.6 mm和在SESAM上模式分离1 mm。图1(b)显示了扫描泵浦功率时单个光梳的性能。该孤子锁模激光器的最大工作点对应2.4 W平均输出功率，脉冲持续时间分别为138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，激光器的光对光效率为40%。

我们得到了两个光频梳的自启动锁模。在最高输出功率下的激光输出诊断如图2(a-b)所示，这表示基模锁定是很干净的。压电致动器可以在短时间内连续调节双棱镜的横向位置，把其安装在一个平移台上，该平移台可通过压电致动器进行大范围的任意步进调节。双棱镜的平移可以调整两个光频梳的重复频率差，从-450 Hz到600 Hz，对激光输出性能的影响可以忽略不计(图2(c))。在较大的行程时，双棱镜顶点上的模削效应导致输出功率的降低。

图2所示。(a)用光谱分析仪(分辨率设置为0.08 nm)测量对数尺度下的激光输出光谱。(b)用微波频谱分析仪分析快速光电二极管产生的光电流的归一化功率谱密度。插图显示放大的两个射频梳的一次谐波。(c)双棱镜侧面不同位置的重复频率差异。

3

噪声特性

接下来，我们评估了共腔方法获得两个脉冲序列与低相对时间抖动有效性。首先，我们进行相位噪声特性，试图获得每个单独的脉冲序列的绝对时间抖动。我们在一个快速光电二极管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上检测每个脉冲序列，并选择带有可调谐带通滤波器的第6个重复频率谐波。该信号通过信号源分析仪(SSA) (E5052B, Keysight)进行分析。得到的相位噪声功率谱密度(PSD)和综合时间抖动如图3所示。从测量中我们看到，每一个单独的脉冲序列的绝对时间抖动非常小，相位噪声PSD看起来几乎相同。为了测量两个脉冲序列之间的绝对时间抖动的相关性，我们开发了一种基于梳齿跳动的相对时间抖动测量技术，该技术使用了两个单频连续激光器[22]。这种相对时间抖动测量技术可以揭示任意重复频率差下自由运行的双梳激光的不相关噪声。得到的不相关的相对时序抖动在图3中用黑线表示。我们发现相对时间抖动平均比绝对时间抖动低25dB，这表明由于单腔结构，有很好的共相位噪声抑制。集成的相对定时抖动为2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。这表明，即使在较长的数据采集时间内，也可以从自由运行的激光腔获得亚周期相对定时抖动。

图3所示。(a)使用信号分析仪测量每个脉冲序列的绝对(红色和蓝色)时序噪声。使用[22]中描述的方法测量的两个脉冲序列之间的相对时序抖动(黑色)。(b)时序噪声曲线积分得到的时序抖动。

我们开发了这种激光器用于等效时间采样应用，如泵浦探测光谱和皮秒超声[20]。因此，我们还没有详细研究该光源如何适用于需要长期相对光学相位稳定性的高分辨率双梳光谱。在50毫秒的采集周期内，可以观测到一些射频梳齿结构。然而，精确的双光梳光谱学应用仍然依赖于用一个或多个连续波激光器跟踪光学相位波动，例如通过自适应采样方法，如[23]中的展示。从图3可以观察到，在700 Hz和1600 Hz附近有几个噪声峰值，这可能是由机械共振引起的，因此可以通过仔细的光学机械优化来消除。然而，这些共振降低了两个脉冲序列之间的相位相干性。由于较大的光带宽和相对较低的80 MHz的重频，混叠条件要求在500 Hz以下的重频差范围内使用。在这样的低频率下，机械噪声比如来自上述谐振，将影响相互相位相干性。更适合自由运转双光梳光谱的结构包括更高的重频和重频差异，如[13,22]，在此机制中提出的技术探索将是未来工作的主题。在这篇文章中，我们着重于将这种新光源应用于泵浦探测光谱的应用，在这里，激光的峰值功率可以用来直接激发非线性过程。80MHz的重频可以实现12.5 ns的大延迟扫描范围，超低的相对定时抖动可以用于精确的时间轴校准。

激光相对强度噪声(RIN)是任何快速采样应用的关键参数之一。我们在以下高动态范围测量配置中分析了我们的激光器的RIN。我们使用一个光电二极管，每个光频梳的平均梳齿功率同时设定为10mW。为了获得RIN光谱，我们使用SSA进行基带测量。首先，我们用一个低噪声跨阻抗放大器(DLPCA-200, Femto)测量低频分量(<200 kHz)。为了测量更高频率的分量，我们用一个偏置TEE (BT45R, SHF通信技术AG)分割信号的交流和直流部分。交流部分用低噪声电压放大器(DUPVA-1-70, Femto)放大。将两个测量值拼接在一起，得到每个光频梳的完整RIN谱，如图4所示。我们发现每个光梳的综合RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。

图4所示各光梳的相对强度噪声谱。根据光电二极管的规格和测量的输入功率计算散粒噪声极限

4

等效时间采样应用

为了使激光器应用于泵浦探测光谱应用，我们将它与一个光参量振荡器(OPO)的一个输出光束耦合。OPO能够实现波长的多色泵浦探测测量。此外，由于OPO是同步泵浦，两个脉冲序列之间的相对时间保持不变。我们用PPLN晶体(HC Photonics)设计了一个信号谐振在1600nm的OPO。用2 W输出的comb1泵浦可获得876 mW的信号光。同时，我们还产生了OPO信号的二次谐波，以获得800 nm的光，测量脉冲周期为151 fs，平均功率为390 mW。从振荡器输出的comb2可轻松倍频获得526 nm的光，使该激光源成为各种波长下理想的光谱学工具。

为了在环境发生变化时也能获得重频差的长期稳定性，我们实现了一个慢反馈闭环。comb1和comb2的部分功率发送到基于BBO的光学互相关器。我们使用一个频率计数器，通过计算互相关信号之间的时间来跟踪重频差的波动，类似于[20,21]中使用的方法。为此，我们使用了一个定制的FPGA模块，该模块能以100Hz或更高的采集速率下获取comb1和comb2的重频差，精度优于10-6。记录的重频差信号在计算机上处理，通过调节施加到压电致动器上的电压来对复用元件进行校正。电压信号以大约Dfrep的速率更新。

为了验证两组多色脉冲序列的相对长期稳定性，我们用另一种光学互相关装置测量重频差，如图5(a)所示。我们将OPO倍频输出(800 nm，comb1)与直接激光输出(1052 nm，comb2)相互关联。在超过5小时的时间窗口中，我们发现重频差波动标准差为70mHz，如图5(b)所示。

图5所示。(a)带两个光学交叉相关器(XCORR)的多色等效时间采样装置。XCORR 1用于向激光提供慢反馈，XCORR 2用于执行环外测量。(b)使用XCORR 2的长期重频差Dfrep稳定性。Dfrep设置为300Hz。

5

结论

我们展示了一种新颖的激光腔复用方法，该方法允许在同一振荡器中存在两个空间分离的准共径腔模式。我们可以实现同步的模式锁定，每路输出脉宽少于140 fs，平均功率超过2.4 W。我们还描述了综合带宽20 Hz到100 kHz范围内的相对定时抖动在亚周期范围内。我们进一步将这种强大的固态激光器与OPO耦合，以获得泵浦探测采样应用的多色光输出配置。为了消除任何可能改变重复频率差的缓慢环境漂移，我们在双棱镜位置上实现了一个基于缓慢交叉校正的反馈环路，使我们获得了长期性能良好的双光梳。因此，我们的系统结合了这两种方法的优点：共腔双光梳激光器的高被动稳定性和简单性，以及对锁定激光系统漂移的免疫性。我们的结果证明了新的激光腔多路复用方法的实用性，并显示其在泵浦探测和等效时间采样应用中的巨大潜力。