Optički frekventni češljevi velike snage igraju vrlo važnu ulogu u nelinearnoj preciznoj spektroskopiji, generiranju ekstremnih ultraljubičastih optičkih frekvencijskih češlja, istraživanju nuklearnog i atomskog sata, itd. Fiber femtosekundni laseri su preferirano rješenje za realizaciju češlja s optičkim frekvencijama velike snage zbog prednosti jednostavne strukture, stabilnih performansi i lakog pojačanja. Međutim, zbog neizbježne spontane emisije (ASE) buke, šuma intenziteta pumpe, degradacije spektralne koherencije i faznog podrhtavanja uzrokovanog putanjom svjetlosti u pojačanju laserskog vlakna, stabilnost frekvencije optičkog češlja je ozbiljno ugrožena. Stoga je izazovan zadatak postići stabilnost visoke frekvencije uz pojačanje velike snage.
Kako bi se pozabavili navedenim problemima, na osnovu dugotrajnog istraživanja tehnologije optičkih frekvencija, grupa L07 iz Ključne laboratorije optičke fizike, Instituta za fiziku Kineske akademije nauka/Pekinškog nacionalnog istraživačkog centra za fiziku kondenzirane materije, sukcesivno je predložila tehnička rješenja usvajanja niskošumnog izvora optičkih vlakana, linearnog pojačanja impulsa s čirkom i brze fazne modulacije elektro-optičkog kristala unutar šupljine, itd., i generiranja spektra superkontinuuma visoke koherentnosti pomoću fotonskog kristalnog vlakna povlačenja konusa i kombiniranja sa Integrisani konstrukcijski dizajn, kontrola temperature, izolacija vibracija i drugi inženjerski dizajni su efikasno smanjili buku optičkog frekventnog češlja. Nedavno su Hainian Han, istraživač saradnik u grupi, i Xiaodong Shao, postdoktorski saradnik, dodatno postigli stabilnost frekvencije izvan prstena reda veličine 10-19/1000s na 20W visoke prosječne snage optički frekventni češalj. Poznato je da je to postiglo stabilnost frekvencije trenutnih najboljih optičkih atomskih satova, a ujedno je i optimalni rezultat koji su do sada postigli češljevi optičkih frekvencija velike snage. Slika 1 prikazuje šematski dijagram dva identična razvijena inženjerska prototipa sa optičkim vlaknima velike snage i poređenje ekstra-prstenastog dvostrukog optičkog češlja za mjerenje stabilnosti frekvencije.
Kao femtosekundni izvor impulsa u studiji je korišten samoizgrađeni nelinearno polarizirani laserski oscilator s rotacijskim zaključavanjem moda (NPR), a femtosekundni laserski izlaz velike snage s prosječnom snagom većom od 20 W i širinom impulsa od 75 fs je dobijen nakon linearnog chirped impulsnog pojačanja (CPA). Zaključana stabilnost frekvencije frekvencije faznog pomaka omotača nosioca (CEO) je 1,5×10-17/s. U optičkom zaključavanju frekvencije, femtosekundni impulsi koji izlaze iz različitih grana oscilatora i pojačala odvojeno se prisluškuju superstabilnim referentnim laserom, a ako se za zaključavanje koristi signal pojačala, izmjerena stabilnost frekvencije velike snage pojačani laserski prsten može doseći 2×10-18/s, dok u slučaju samo CPA, stabilnost frekvencije može doseći 2×10-18/s, au slučaju samo CPA, frekvencija stabilnost može doseći 2×10-18/s. -18/s, dok u slučaju zaključavanja samo femtosekundnog impulsnog izlaza iz oscilatora, ako je pojačalu dozvoljeno da radi slobodno, stabilnost frekvencije može dostići samo 10-15/s, što je tri reda magnitude gore. Analiza spektra snage buke pokazuje da pojačalo unosi veliku količinu niskofrekventnog šuma, što značajno utiče na dugoročnu stabilnost frekvencije optičke frekvencije češlja, a razlika je čak četiri reda veličine pri vreme gejta od 1000 s, kao što je prikazano na slici 2 (a). Osim toga, rezultati analize faznog šuma, koji karakterizira kratkoročnu stabilnost frekvencije, također pokazuju da je nakon niza mjera kontrole buke, visokofrekventni šum koji unosi pojačalo vrlo mali i ne utiče na kratkoročna stabilnost sistema.
Kako bi se procijenile performanse stabilnosti frekvencije ovog optičkog frekventnog češlja velike prosječne snage u praktičnim primjenama, dva 20W optička laserska frekventna češlja su po prvi put izmjerena u ovoj studiji. Rezultati mjerenja pokazuju da je tipična vrijednost stabilnosti frekvencije van prstena 4,35×10-17/s pri integracijskom vremenu od 1 s, a opada na 6,54×10-19 pri 1000 s vremena integracije, kao prikazano na slici 2(b), što će otvoriti nova vrata za mnoge aplikacije koje zahtijevaju veliku snagu i stabilnost visoke frekvencije optičkih češlja. Ovo istraživanje je nedavno objavljeno u Optics Express-u pod naslovom "Češalj optičke frekvencije velike snage sa nestabilnošću frekvencije 10-19" (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Prvi autor članka je Xiaodong Shao, a ko-supervizori su Zhiyi Wei i Hainian Han. Ovaj rad je podržan od strane Pilot programa Kineske akademije nauka (XDA1502040404, XDB210104004) i Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Češalj za frekvenciju od optičkih vlakana velike snage od 20W sa stabilnošću frekvencije izvan prstena 10-19. reda.
Slika 1 (a) Fotografija projektovanog principa prototipa optičkog češlja velike snage, (b) Šematski dijagram mjerenja stabilnosti frekvencije izvan prstena češlja optičke frekvencije velike snage
Slika 2 (a) Stabilnost frekvencije oscilatora i pojačala zaključanih odvojeno, (b) Stabilnost frekvencije češlja velike snage optičke frekvencije sa poređenjem izvan prstena
