I pettini di frequenza ottica ad alta potenza svolgono un ruolo molto importante nella spettroscopia di precisione non lineare, nella generazione di pettini di frequenza ottica nell'ultravioletto estremo, nella ricerca sugli orologi nucleari e atomici, ecc. I laser a fibra a femtosecondi sono la soluzione preferita per realizzare pettini di frequenza ottica ad alta potenza grazie ai vantaggi di struttura semplice, prestazione stabile e facile amplificazione. Tuttavia, a causa dell'inevitabile rumore dell'emissione spontanea (ASE), del rumore dell'intensità della pompa, della degradazione della coerenza spettrale e del jitter di fase causato dal percorso della luce nell'amplificazione del laser a fibra, la stabilità della frequenza del pettine ottico è gravemente compromessa. Pertanto è un compito impegnativo ottenere stabilità ad alta frequenza durante l'amplificazione ad alta potenza.
Per affrontare i problemi di cui sopra, sulla base della ricerca a lungo termine sulla tecnologia del pettine di frequenza ottica, il gruppo L07 del Laboratorio Chiave di Fisica Ottica, Istituto di Fisica, Accademia Cinese delle Scienze/Centro Nazionale di Ricerca per la Fisica della Materia Condensata di Pechino, ha successivamente proposto le soluzioni tecniche che prevedono l'adozione della sorgente di semi di fibra ottica a basso rumore, l'amplificazione lineare degli impulsi cinguettati e la modulazione di fase rapida del cristallo elettro-ottico intracavità, ecc., e la generazione dello spettro supercontinuo ad alta coerenza mediante la fibra di cristallo fotonico del cono di trazione e la combinazione con Il design strutturale integrato, il controllo della temperatura, l'isolamento dalle vibrazioni e altri progetti ingegneristici hanno ridotto efficacemente il rumore del pettine di frequenza ottica. Recentemente, Hainian Han, un ricercatore associato del gruppo, e Xiaodong Shao, un ricercatore post-dottorato, hanno ulteriormente raggiunto una stabilità della frequenza fuori anello dell'ordine di 10-19/1000 su un apparecchio ad alta potenza media da 20 W. pettine di frequenza in fibra ottica. È noto che questo ha raggiunto la stabilità di frequenza degli attuali migliori orologi atomici ottici, ed è anche il risultato ottimale ottenuto finora dai pettini di frequenza ottici ad alta potenza. La Figura 1 mostra il diagramma schematico dei due prototipi identici di ingegneria del pettine in fibra ottica ad alta potenza sviluppati e il confronto del doppio pettine ottico extra-anulare per misurare la stabilità della frequenza.
Nello studio è stato utilizzato un oscillatore laser a fibra con modalità di rotazione (NPR) polarizzato non lineare autocostruito come sorgente di impulsi seme a femtosecondi nello studio e un'uscita laser a femtosecondi ad alta potenza con una potenza media superiore a 20 W e una larghezza di impulso di 75 fs è stato ottenuto dopo l'amplificazione dell'impulso cinguettato in fibra lineare (CPA). La stabilità della frequenza bloccata della frequenza di spostamento di fase dell'inviluppo portante (CEO) è 1,5×10-17/s. Nel bloccaggio della frequenza ottica, gli impulsi al femtosecondo emessi dai diversi rami dell'oscillatore e dell'amplificatore vengono prelevati separatamente con il laser di riferimento superstabile e, se per il bloccaggio viene utilizzato il segnale prelevato dall'amplificatore, la stabilità della frequenza misurata dell'alta potenza l'anello laser amplificato può raggiungere 2×10-18/s, mentre nel caso del solo CPA, la stabilità della frequenza può raggiungere 2×10-18/s e, nel caso del solo CPA, la frequenza la stabilità può raggiungere 2×10-18/s. -18/s, mentre nel caso in cui si blocchi solo l'impulso al femtosecondo in uscita dall'oscillatore, se l'amplificatore può funzionare liberamente, la stabilità della frequenza può raggiungere solo 10-15/s, ovvero tre ordini di grandezza peggiore. L'analisi dello spettro di potenza del rumore mostra che l'amplificatore introduce una grande quantità di rumore a bassa frequenza, che ha un effetto significativo sulla stabilità a lungo termine della frequenza del pettine di frequenza ottica, e la differenza arriva addirittura a quattro ordini di grandezza a un tempo di gate di 1000 s, come mostrato in Fig. 2 (a). Inoltre, i risultati dell'analisi del rumore di fase, che caratterizza la stabilità a breve termine della frequenza, mostrano anche che dopo una serie di misure di controllo del rumore, il rumore ad alta frequenza introdotto dall'amplificatore è molto piccolo e non influisce sulla stabilità a breve termine del sistema.
Al fine di valutare le prestazioni di stabilità della frequenza di questo pettine di frequenza ottica ad alta potenza media in applicazioni pratiche, in questo studio vengono misurati per la prima volta due pettini di frequenza laser a fibra ad alta potenza da 20 W. I risultati della misurazione mostrano che il valore tipico di stabilità della frequenza fuori dall'anello è 4,35×10-17/s con un tempo di integrazione di 1 s e diminuisce a 6,54×10-19 con un tempo di integrazione di 1000 s, come mostrato in Fig. 2 (b), che aprirà nuove porte per molte applicazioni che richiedono elevata potenza e stabilità ad alta frequenza dei pettini ottici. Questo progresso della ricerca è stato recentemente pubblicato su Optics Express con il titolo "Combattitore di frequenza ottico ad alta potenza con instabilità di frequenza 10-19" (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Il primo autore dell'articolo è Xiaodong Shao, mentre i co-supervisori sono Zhiyi Wei e Hainian Han. Questo lavoro è stato sostenuto dal programma pilota dell'Accademia cinese delle scienze (XDA1502040404, XDB210104004) e dalla National Natural Science Foundation of China (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Un pettine di frequenza in fibra ottica ad alta potenza da 20 W con stabilità di frequenza extra-anulare del 10-19esimo ordine.
Fig. 1 (a) Fotografia del prototipo di principio ingegnerizzato del pettine ottico in fibra ottica ad alta potenza, (b) Diagramma schematico della misurazione della stabilità di frequenza dell'extra-anello del pettine di frequenza ottico ad alta potenza
Fig. 2 (a) Stabilità di frequenza dell'oscillatore e dell'amplificatore bloccati separatamente, (b) Stabilità di frequenza del pettine di frequenza ottico ad alta potenza con confronto fuori dall'anello
