我們提出了一種將單個(gè)激光腔多路復(fù)用以支持一對(duì)噪聲相關(guān)但腔長(zhǎng)無關(guān)的模的新方法占键。這些模共享所有腔內(nèi)組件，并采取近公共路徑元潘，但不在任何有源器件上重疊畔乙。利用SESAM，我們被動(dòng)地鎖定了兩個(gè)獨(dú)立的模式翩概，并獲得了雙光頻梳運(yùn)行牲距。我們演示了中心波長(zhǎng)為1052nm,每路光頻梳脈沖的脈寬140 fs,重頻80 MHz輸出平均功率超過2.4W的激光器。這兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)是2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]钥庇。除了抑制快速時(shí)間波動(dòng)的高被動(dòng)穩(wěn)定性外牍鞠，這種新技術(shù)還可以對(duì)重復(fù)頻率差進(jìn)行緩慢反饋，以避免漂移评姨。我們通過復(fù)用元件演示了在重復(fù)頻率差上的一個(gè)慢反饋回路皮服，產(chǎn)生
的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
用于等效時(shí)間采樣應(yīng)用的空間多路單腔雙光梳激光器
1．介紹
雙光學(xué)頻率梳(簡(jiǎn)稱雙光梳)[1]的概念在光頻梳被提出后不久被引入[2-4]参咙。在時(shí)域上，雙光梳可以理解為兩個(gè)相干光脈沖序列硫眯，它們的重復(fù)頻率有輕微的偏移蕴侧。自問世以來，雙光梳光源及其應(yīng)用一直一個(gè)重要研究課題[5]两入。雙光梳光源與早期用于泵浦探測(cè)測(cè)量的激光系統(tǒng)有許多相似之處净宵。特別是，利用兩種不同重復(fù)頻率對(duì)超快現(xiàn)象進(jìn)行采樣的想法裹纳，早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)通過等效時(shí)間采樣概念的演示進(jìn)行了探索[6,7]择葡。在這種情況下，通過frep/
的因子剃氧，超快動(dòng)態(tài)過程在時(shí)域中被縮小到更慢的等效時(shí)間敏储。這里frep是采樣頻率，
是采樣頻率與激發(fā)重頻的差值朋鞍。這個(gè)概念很快通過一對(duì)相互穩(wěn)定的鎖模激光器實(shí)現(xiàn)已添，通常被稱為異步光采樣(ASOPS)[8]妥箕。雙光梳方法和ASOPS激光系統(tǒng)的一個(gè)顯著區(qū)別是兩個(gè)脈沖序列鎖在一起的相位和定時(shí)的精度。因?yàn)殡p光梳鎖模的發(fā)明更舞，特別是在一個(gè)自由運(yùn)行的激光腔產(chǎn)生兩個(gè)光頻梳畦幢，這個(gè)邊界已經(jīng)變得模糊。這種激光器zui初是在光纖[9]和固態(tài)[10,11]增益材料中實(shí)現(xiàn)的缆蝉，隨后出現(xiàn)了大量的激光腔多路復(fù)用方法[12]宇葱。由于脈沖在同一腔內(nèi)循環(huán)，它們經(jīng)歷類似的干擾刊头，導(dǎo)致相關(guān)的噪聲特性黍瞧，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用[13]來說已經(jīng)足夠了。類似地芽偏，與電子鎖定異步光采樣ASOPS系統(tǒng)相比雷逆，由于共腔結(jié)構(gòu)和鎖模激光器振蕩器的無源穩(wěn)定性，有降低時(shí)間抖動(dòng)的潛力[14,15]污尉。此外膀哲，由于這些系統(tǒng)顯著降低了復(fù)雜性(一個(gè)振蕩器，沒有復(fù)雜的鎖定電子設(shè)備)被碗，它們可以在雙光梳激光器通常無法達(dá)到的新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)際測(cè)量某宪。另一方面，自由運(yùn)行的激光器容易受到相對(duì)光學(xué)相位漂移和兩個(gè)脈沖序列之間重復(fù)頻率差異的影響锐朴，這必須加以考慮兴喂。
迄今為止，單腔雙頻梳激光器的運(yùn)行通常是在激光設(shè)計(jì)或性能上的折衷焚志。例如衣迷，將無源雙折射晶體插入腔中[10]，用雙折射增益元件對(duì)偏腔線[16]酱酬，分割激光增益帶寬[17]壶谒，或利用環(huán)形腔的雙向運(yùn)行[9,11]。zui近膳沽，在高功率鎖模薄片激光器結(jié)構(gòu)中也研究了涉及獨(dú)立腔端鏡的空間分離模概念[18,19]汗菜。然而，在這些新的實(shí)現(xiàn)中挑社，并不是所有的內(nèi)腔組件都是共享的以便降低常規(guī)噪聲抑制陨界。
在這篇文章中，我們提出了一種激光腔多路復(fù)用的新方法痛阻，通過在表面插入一個(gè)具有兩個(gè)獨(dú)立角度的單片器件菌瘪，例如雙棱鏡，使空間分離模式存在阱当。因此麻车，通過在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b雙棱鏡缀皱，可以將對(duì)單光頻梳操作z優(yōu)的空腔適應(yīng)為雙光頻梳空腔。利用這種方法动猬，在80 MHz重復(fù)頻率啤斗，在脈沖小于140fs的情況下，我們從單個(gè)固體激光器腔中獲得了2.4 W的平均功率。兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率差可在[- 450Hz, 600Hz]范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。表征得到脈沖之間的相對(duì)時(shí)序噪聲為僅為光周期的一小部分：在[20 Hz至100 kHz]的綜合帶寬下為2.2 fs凉唐。這是迄今為止報(bào)告的在這個(gè)頻率范圍內(nèi)自由運(yùn)行的雙梳激光器中z低的相對(duì)時(shí)間噪聲翔曲。此外纵竖，我們?cè)诙嗦窂?fù)用元件上應(yīng)用壓電反饋來抵消低頻環(huán)境干擾和漂移，因此我們可以在超過5小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為70
的重復(fù)頻率差穩(wěn)定性。
2．諧振腔設(shè)計(jì)與振蕩器性能
圖1所示。(a)激光腔布局链瓦。泵浦使用一個(gè)980nm多模二極管。DM:泵浦/激光二色性盯桦，OC:激光輸出耦合器慈俯， 5.5%的激光透過率，泵浦光高透過率拥峦。增益介質(zhì)是摻雜4.5%的Yb:CaF2晶體 [20]贴膘。該腔采用具有介電介質(zhì)頂部涂層的多量子阱SESAM，獲得高飽和通量Fsat=142?J/cm2略号，調(diào)制深度?R=1.1%刑峡。(b)激光輸出功率和脈沖持續(xù)時(shí)間隨總泵浦功率的變化。
圖1(a)顯示了我們的自由運(yùn)行雙光頻梳激光腔的布局玄柠。我們使用多模泵浦二極管和端泵浦腔結(jié)構(gòu)突梦，類似于我們之前報(bào)道的偏振復(fù)用雙梳狀激光器的配置[20,21]。然而羽利，與過去的報(bào)道相反宫患，在有源元件，即增益晶體和半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)上的空間分離是通過插入一個(gè)具有高度反射涂層的雙棱鏡來獲得的铐伴。通過使用一個(gè)頂角179°的雙棱鏡，我們獲得了在增益介質(zhì)上模式分離1.6 mm和在SESAM上模式分離1 mm俏讹。圖1(b)顯示了掃描泵浦功率時(shí)單個(gè)光梳的性能当宴。該孤子鎖模激光器的z大工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)2.4 W平均輸出功率，脈沖持續(xù)時(shí)間分別為138 fs(comb1)和132 fs(comb2)泽疆，激光器的光對(duì)光效率為40%户矢。
我們得到了兩個(gè)光頻梳的自啟動(dòng)鎖模。在z高輸出功率下的激光輸出診斷如圖2(a-b)所示殉疼，這表示基模鎖定是很干凈的梯浪。壓電致動(dòng)器可以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)雙棱鏡的橫向位置捌年，把其安裝在一個(gè)平移臺(tái)上，該平移臺(tái)可通過壓電致動(dòng)器進(jìn)行大范圍的任意步進(jìn)調(diào)節(jié)挂洛。雙棱鏡的平移可以調(diào)整兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率差礼预，從-450 Hz到600 Hz，對(duì)激光輸出性能的影響可以忽略不計(jì)(圖2(c))虏劲。在較大的行程時(shí)托酸，雙棱鏡頂點(diǎn)上的模削效應(yīng)導(dǎo)致輸出功率的降低柒巫。
圖2所示励堡。(a)用光譜分析儀(分辨率設(shè)置為0.08 nm)測(cè)量對(duì)數(shù)尺度下的激光輸出光譜。(b)用微波頻譜分析儀分析快速光電二極管產(chǎn)生的光電流的歸一化功率譜密度堡掏。插圖顯示放大的兩個(gè)射頻梳的一次諧波应结。(c)雙棱鏡側(cè)面不同位置的重復(fù)頻率差異。
3．噪聲特性
接下來泉唁，我們?cè)u(píng)估了共腔方法獲得兩個(gè)脈沖序列與低相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)有效性鹅龄。首先，我們進(jìn)行相位噪聲特性游两，試圖獲得每個(gè)單獨(dú)的脈沖序列的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)砾层。我們?cè)谝粋€(gè)快速光電二極管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上檢測(cè)每個(gè)脈沖序列，并選擇帶有可調(diào)諧帶通濾波器的第6個(gè)重復(fù)頻率諧波贱案。該信號(hào)通過信號(hào)源分析儀(SSA) (E5052B, Keysight)進(jìn)行分析肛炮。得到的相位噪聲功率譜密度(PSD)和綜合時(shí)間抖動(dòng)如圖3所示。從測(cè)量中我們看到宝踪，每一個(gè)單獨(dú)的脈沖序列的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)非常小侨糟，相位噪聲PSD看起來幾乎相同。為了測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖序列之間的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的相關(guān)性瘩燥，我們開發(fā)了一種基于梳齒跳動(dòng)的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)秕重，該技術(shù)使用了兩個(gè)單頻連續(xù)激光器[22]。這種相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)可以揭示任意重復(fù)頻率差下自由運(yùn)行的雙梳激光的不相關(guān)噪聲厉膀。得到的不相關(guān)的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)在圖3中用黑線表示溶耘。我們發(fā)現(xiàn)相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)平均比絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)低25dB，這表明由于單腔結(jié)構(gòu)服鹅，有很好的共相位噪聲抑制凳兵。集成的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)為2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。這表明企软，即使在較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)庐扫，也可以從自由運(yùn)行的激光腔獲得亞周期相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)。
圖3所示。(a)使用信號(hào)分析儀測(cè)量每個(gè)脈沖序列的絕對(duì)(紅色和藍(lán)色)時(shí)序噪聲形庭。使用[22]中描述的方法測(cè)量的兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)序抖動(dòng)(黑色)铅辞。(b)時(shí)序噪聲曲線積分得到的時(shí)序抖動(dòng)。
我們開發(fā)了這種激光器用于等效時(shí)間采樣應(yīng)用萨醒，如泵浦探測(cè)光譜和皮秒超聲[20]斟珊。因此，我們還沒有詳細(xì)研究該光源如何適用于需要長(zhǎng)期相對(duì)光學(xué)相位穩(wěn)定性的高分辨率雙梳光譜验靡。在50毫秒的采集周期內(nèi)倍宾，可以觀測(cè)到一些射頻梳齒結(jié)構(gòu)。然而胜嗓，精確的雙光梳光譜學(xué)應(yīng)用仍然依賴于用一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波激光器跟蹤光學(xué)相位波動(dòng)高职，例如通過自適應(yīng)采樣方法，如[23]中的展示辞州。從圖3可以觀察到怔锌，在700 Hz和1600 Hz附近有幾個(gè)噪聲峰值，這可能是由機(jī)械共振引起的变过，因此可以通過仔細(xì)的光學(xué)機(jī)械優(yōu)化來消除埃元。然而，這些共振降低了兩個(gè)脈沖序列之間的相位相干性媚狰。由于較大的光帶寬和相對(duì)較低的80 MHz的重頻岛杀，混疊條件要求在500 Hz以下的重頻差范圍內(nèi)使用。在這樣的低頻率下崭孤，機(jī)械噪聲比如來自上述諧振类嗤，將影響相互相位相干性。更適合自由運(yùn)轉(zhuǎn)雙光梳光譜的結(jié)構(gòu)包括更高的重頻和重頻差異辨宠，如[13,22]遗锣，在此機(jī)制中提出的技術(shù)探索將是未來工作的主題。在這篇文章中嗤形，我們著重于將這種新光源應(yīng)用于泵浦探測(cè)光譜的應(yīng)用精偿，在這里，激光的峰值功率可以用來直接激發(fā)非線性過程赋兵。80MHz的重頻可以實(shí)現(xiàn)12.5 ns的大延遲掃描范圍笔咽，超低的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)可以用于精確的時(shí)間軸校準(zhǔn)。
激光相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)是任何快速采樣應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)之一霹期。我們?cè)谝韵赂邉?dòng)態(tài)范圍測(cè)量配置中分析了我們的激光器的RIN叶组。我們使用一個(gè)光電二極管，每個(gè)光頻梳的平均梳齒功率同時(shí)設(shè)定為10mW经伙。為了獲得RIN光譜扶叉，我們使用SSA進(jìn)行基帶測(cè)量。首先帕膜，我們用一個(gè)低噪聲跨阻抗放大器(DLPCA-200, Femto)測(cè)量低頻分量(<200 kHz)枣氧。為了測(cè)量更高頻率的分量，我們用一個(gè)偏置TEE (BT45R, SHF通信技術(shù)AG)分割信號(hào)的交流和直流部分垮刹。交流部分用低噪聲電壓放大器(DUPVA-1-70, Femto)放大达吞。將兩個(gè)測(cè)量值拼接在一起，得到每個(gè)光頻梳的完整RIN譜荒典，如圖4所示酪劫。我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)光梳的綜合RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。
圖4所示各光梳的相對(duì)強(qiáng)度噪聲譜寺董。根據(jù)光電二極管的規(guī)格和測(cè)量的輸入功率計(jì)算散粒噪聲極限覆糟。
4．等效時(shí)間采樣應(yīng)用
為了使激光器應(yīng)用于泵浦探測(cè)光譜應(yīng)用，我們將它與一個(gè)光參量振蕩器(OPO)的一個(gè)輸出光束耦合遮咖。OPO能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)的多色泵浦探測(cè)測(cè)量滩字。此外，由于OPO是同步泵浦御吞，兩個(gè)脈沖序列之間的相對(duì)時(shí)間保持不變麦箍。我們用ppln晶體(HC Photonics)設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)諧振在1600nm的OPO。用2 W輸出的comb1泵浦可獲得876 mW的信號(hào)光陶珠。同時(shí)挟裂，我們還產(chǎn)生了OPO信號(hào)的二次諧波，以獲得800 nm的光揍诽，測(cè)量脈沖周期為151 fs诀蓉，平均功率為390 mW。從振蕩器輸出的comb2可輕松倍頻獲得526 nm的光寝姿，使該激光源成為各種波長(zhǎng)下理想的光譜學(xué)工具交排。
為了在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)也能獲得重頻差的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)慢反饋閉環(huán)饵筑。comb1和comb2的部分功率發(fā)送到基于BBO的光學(xué)互相關(guān)器埃篓。我們使用一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器，通過計(jì)算互相關(guān)信號(hào)之間的時(shí)間來跟蹤重頻差的波動(dòng)根资，類似于[20,21]中使用的方法架专。為此，我們使用了一個(gè)定制的FPGA模塊玄帕，該模塊能以100Hz或更高的采集速率下獲取comb1和comb2的重頻差部脚，精度優(yōu)于10-6。記錄的重頻差信號(hào)在計(jì)算機(jī)上處理裤纹，通過調(diào)節(jié)施加到壓電致動(dòng)器上的電壓來對(duì)復(fù)用元件進(jìn)行校正委刘。電壓信號(hào)以大約?frep的速率更新丧没。
為了驗(yàn)證兩組多色脈沖序列的相對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們用另一種光學(xué)互相關(guān)裝置測(cè)量重頻差锡移，如圖5(a)所示呕童。我們將OPO倍頻輸出(800 nm，comb1)與直接激光輸出(1052 nm淆珊，comb2)相互關(guān)聯(lián)夺饲。在超過5小時(shí)的時(shí)間窗口中，我們發(fā)現(xiàn)重頻差波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為70
施符，如圖5(b)所示往声。
圖5所示。(a)帶兩個(gè)光學(xué)交叉相關(guān)器(XCORR)的多色等效時(shí)間采樣裝置戳吝。XCORR 1用于向激光提供慢反饋浩销，XCORR 2用于執(zhí)行環(huán)外測(cè)量。(b)使用XCORR 2的長(zhǎng)期重頻差
穩(wěn)定性听哭。
設(shè)置為300Hz撼嗓。
5．結(jié)論
我們展示了一種新穎的激光腔復(fù)用方法，該方法允許在同一振蕩器中存在兩個(gè)空間分離的準(zhǔn)共徑腔模式欢唾。我們可以實(shí)現(xiàn)同步的模式鎖定且警，每路輸出脈寬少于140 fs，平均功率超過2.4 W礁遣。我們還描述了綜合帶寬20 Hz到100 kHz范圍內(nèi)的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)在亞周期范圍內(nèi)斑芜。我們進(jìn)一步將這種強(qiáng)大的固態(tài)激光器與OPO耦合，以獲得泵浦探測(cè)采樣應(yīng)用的多色光輸出配置祟霍。為了消除任何可能改變重復(fù)頻率差的緩慢環(huán)境漂移杏头，我們?cè)陔p棱鏡位置上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于緩慢交叉校正的反饋環(huán)路，使我們獲得了長(zhǎng)期性能良好的雙光梳沸呐。因此醇王，我們的系統(tǒng)結(jié)合了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)：共腔雙光梳激光器的高被動(dòng)穩(wěn)定性和簡(jiǎn)單性，以及對(duì)鎖定激光系統(tǒng)漂移的免疫性崭添。我們的結(jié)果證明了新的激光腔多路復(fù)用方法的實(shí)用性寓娩，并顯示其在泵浦探測(cè)和等效時(shí)間采樣應(yīng)用中的巨大潛力。
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（本文譯自Spatially multiplexed single-cavity dual-comb laser for equivalent time sampling applications（J. Pupeikis,1,* B. Willenberg,1,* S. L. Camenzind,1 A. Benayad,2 P. Camy,2 C. R. Phillips,1,* And U. Keller1
1 Department of Physics, Institute for Quantum Electronics, ETH Zurich, Auguste-Piccard-Hof 1, 8093 Zurich, Switzerland 2 Centre de Recherche sur Les Ions, Les Matériaux et La Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie, 6 Boulevard Du Maréchal Juin, 14050, Caen Cedex 4, France）
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