用于等效时间采样应用的空间多路单腔双光梳激光器

 

1．简介

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/ 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，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。

 现今已经，单腔双频梳脉冲二氧化碳缴光机器器的启动常常是在脉冲二氧化碳缴光机器设计的什么概念或耐热性上的折衷。列举，将无源双突显出岁月尖晶石复制到腔中[10]，用双突显出岁月增加收益pcb板对偏腔线[16]，切割成脉冲二氧化碳缴光机器增加收益带宽起步[17]，或利于环状腔的纵向启动[9,11]。最新，在高输出锁模薄片脉冲二氧化碳缴光机器器成分中也科学研究了包含自立腔端镜的空间区域分开模什么概念[18,19]。可是，在这么多新的完成中，并不算其他的内腔器件也是公享的这样可以变低基本噪音克制。 

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*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zui 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70的重复频率差稳定性。

 

2．谐振腔方案与谐振器耐磨性

 

图1如下图所示。(a)皮秒二氧化碳激光器束机器腔格局。泵浦实用两个980nm多模电子元器件大家庭中的一员-二极管。DM:泵浦/皮秒二氧化碳激光器束机器二色性，OC:皮秒二氧化碳激光器束机器内容效果藕合器， 5.5%的皮秒二氧化碳激光器束机器反射光率，泵浦光高反射光率。收获材质是夹杂着4.5%的Yb:CaF2氯化钠晶体 [20]。该腔用极具介电材质上方纳米涂层的多量子阱SESAM，兑换高饱和通量Fsat=142J/cm2，幅度调制高度R=1.1%。(b)皮秒二氧化碳激光器束机器内容效果工作电压和脉冲激光不间断時间随总泵浦工作电压的改变。

 图1(a)屏幕上展现了.我的自由度操作双光频梳离子束腔的格局。.我实用多模泵浦肖特基二极管和端泵浦腔设计，比如于.我过后通讯稿的偏振复用技术双梳状离子束器的配置单[20,21]。那么，与以前的通讯稿相近，在有源pcb板，即增加收益结晶体和半导体设备是处于饱和状态获取镜(SESAM)上的发展空间拆分是根据插入图有一体现了高强度反射性涂覆的双菱镜来兑换的。根据实用有一顶角179°的双菱镜，.我兑换了在增加收益物料上状态拆分1.6 mm还是SESAM上状态拆分1 mm。图1(b)屏幕上展现了扫描拍摄泵浦热学习效率时一个光梳的耐磨性。该孤子锁模离子束器的明显工做点使用2.4 W总值输出的热学习效率，脉冲造成的不断地的时间分开 为138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，离子束器的光对光学习效率为40%。 企业得见了两大光频梳的自通电锁模。在极高内容输入精度工作电压下的智能机械内容输入精度判断如图甲所显示2(a-b)所显示，这标识基模重设是很净的。光电探测器式致动器会在间歇间内不断懂得调整双反射镜的纵向地段，把其安装使用在一些轴对称讲台，该轴对称台可确认光电探测器式致动器开始大区间的多种步进电机懂得调整。双反射镜的轴对称会懂得调整两大光频梳的重叠频点差，从-450 Hz到600 Hz，对智能机械内容输入精度特点的反应会忽视不计入(图2(c))。在很高的往返时，双反射镜极点上的模削相互作用使得内容输入精度工作电压的大幅度降低。 

图2图甲中。(a)用光谱分折研究研究仪(鉴别率布置为0.08 nm)测定多数标准下的缴光输出的光谱分折研究。(b)用微波通信频谱研究仪研究快捷微电子二级管制造的微电子流的归一化马力谱体积。插图图片显示信息变成的一个微波射频梳的以此谐波。(c)双菱镜侧面图其他位置上的多次重复的频率差异化。

 

3．噪音性

下面来，小编测试了共腔手段不错不错拿到这两位脉宽字段与低对应精力发抖有效果性。率先，小编来进行相位噪音污染基本特性，视图不错不错拿到每用另外的脉宽字段的是非常精力发抖。小编在一款 高速 光学电感(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上检侧每脉宽字段，并取舍有点可调节谐带通滤波器的第6个重叠次数谐波。该的的信号凭借的的信号源进行检测仪(SSA) (E5052B, Keysight)来进行进行剖析。拥有的相位噪音污染热效率谱规格(PSD)和宗合精力发抖如图已知3一样。从校正中小编观察到，企业每一款 款 用另外的脉宽字段的是非常精力发抖是非常小，相位噪音污染PSD看了起来近乎完全相同。要为校正这两位脉宽字段互相的是非常精力发抖的涉及性，小编的开发一个多种依托于梳齿颤抖的对应精力发抖校正科技，该科技便用了这两位单频累计离子束器[22]。种对应精力发抖校正科技不错探求其中任何重叠次数差下任意电脑程序运行的双梳离子束的不涉及噪音污染。拥有的不涉及的对应时序发抖在图3选用黑线说道。小编挖掘对应精力发抖总值比是非常精力发抖低25dB，这揭示随着单腔架构，有比较好的共相位噪音污染控制。ibms的对应自动发抖为2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。这揭示，所有在较长的大数据爬取精力内，也不错从任意电脑程序运行的离子束腔不错不错拿到亚定期对应自动发抖。 

图3如下。(a)选择走势具体分析仪器在线校正每台脉宽发生器回文字段的绝对化(网红和黄色)时序躁声。选择[22]中分析的技巧在线校正的两人脉宽发生器回文字段两者之间的对应时序发抖(棕色)。(b)时序躁声的曲线积分卡到的时序发抖。

 公司的开发了等等脉冲发生器光器用作等效事件抽样系统采用领域，如泵浦监测光谱仪图分析仪图和皮秒超声心动图[20]。所以，公司没到有详细说明研究方案该照明是如何采用作所需暂时相较光学反应薄膜仪器相位可靠性的得识别率双梳光谱仪图分析仪图。在50毫秒的爬取的周期内，会检测到一下频射梳齿空间结构类型。既使，精确度度高的双光梳光谱仪图分析仪图学采用领域仍要依赖性于用1个或好这几个维持波脉冲发生器光器定位跟踪光学反应薄膜仪器相位价格波动，如运用自广泛运用抽样系统手段，如[23]中的显示。从图3会留意到，在700 Hz和1600 Hz付近有这几个粉红噪音分贝噪音谷值，这或许是由机械化设备制造制造震动现象因起的，所以会运用精心的光学反应薄膜仪器机械化设备制造制造网站优化来排除。既使，等等震动现象降底了两根脉冲发生器队列之中的相位相干性。致使极大的光带宽运用和相较较低的80 MHz的重频，混叠前提耍求在500 Hz这的重频差区域内运用。在在等你个的粉红噪音分贝率下，机械化设备制造制造粉红噪音分贝噪音比如说发源这些谐振，将导致双方相位相干性。更非常适合人权运行业务双光梳光谱仪图分析仪图的空间结构类型例如极高的重频和重频一定的差异，如[13,22]，在原则中提到的科技科学探索将是前景任务的个性主题。在在等你篇新闻稿件中，公司侧重点于将等等新照明采用领域作泵浦监测光谱仪图分析仪图的采用领域，在在等你里，脉冲发生器光的谷值耗油率会用到就直接促进非平滑过程中。80MHz的重频会保证12.5 ns的大卡顿阅读区域，超高的相较要定期运动会用作精确度度高的事件轴进行校正。 机光相对而言硬度燥音污染(RIN)是一切最快监测操作的根本性能指标组成。.我在下面的高动图规模校正性能中分刘海析了.我的机光器的RIN。.我的选用几个光电科技稳压管，每几个光频梳的峰值梳齿输出功率一并场景人物风格的设定在为10mW。从而拥有RIN光谱仪，.我的选用SSA做出基带校正。第一，.我用几个低燥音污染跨特性阻抗缩放器(DLPCA-200, Femto)校正中频信噪比(<200 kHz)。从而校正越高规律的信噪比，.我用几个偏置TEE (BT45R, SHF通讯技术设备技术设备AG)分配4g信号的沟通互动和直流电源个地方。沟通互动个地方用低燥音污染电压值缩放器(DUPVA-1-70, Femto)缩放。将几个校正值无缝拼接在一并，到每几个光频梳的详尽RIN谱，如图下图4下图。.我会发现每几个光梳的总体RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。 

图4右图各光梳的相对应強度躁声谱。通过光电子肖特基二极管的規格和侧量的进入耗油率估算散粒躁声极限点。

 

4．等效时段采样系统适用

为了更好地使激光手术器器软件于泵浦观测光谱分析图软件，企业将它与的光物理量振动器(OPO)的的效果散射交叉耦合。OPO能够满足光波光谱分析的多色泵浦观测预估。然而，考虑到OPO是关联泵浦，多个脉宽编码序列相互间的相对性時间实现保持不变。企业用ppln结晶(HC Photonics)开发了的警报谐振在1600nm的OPO。用2 W效果的comb1泵浦可提升876 mW的警报光。直接，企业还有了OPO警报的2次谐波，以提升800 nm的光，预估脉宽周期公式为151 fs，总值工作电压为390 mW。从振动器效果的comb2可快些倍频提升526 nm的光，使该激光手术器源称为所有光波光谱分析下满意的光谱分析图学生产工具。 为了能在场景造成变化无常时一定会更改重频差的不断保持稳定量分析，自己对其进行好几个大个慢评议反馈控制。comb1和comb2的那部分效率接收到应用场景BBO的光学元器件相互关器。自己操作两个声音频率计数法器，完成折算相互关无线移动4g信号当中的时长来定位重频差的动荡，这样于[20,21]中操作的步骤。所以，自己操作好几个大个订做的FPGA摸块，该摸块能以100Hz或更高的的爬取浓度下更改comb1和comb2的重频差，定位精度强于10-6。登记的重频差无线移动4g信号在折算飞机上工作，完成上下调整增加到压阻致动器上的端电压电流来对重复使用元器件对其进行测量。端电压电流无线移动4g信号以为宜frep的浓度发布。

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70，如图5(b)所示。

 

图5如下图所示。(a)带两人光学反应相互相关的器(XCORR)的多色等效时取样安全装置。XCORR 1主要应用在向激光行业带来了慢反应，XCORR 2主要应用在连接环外在测量。(b)应用XCORR 2的常年重频差固判定。制定为300Hz。

 

5．目的

你们提供好几回种构思的脉冲脉冲光腔复接的方式，该的方式能接受在不同振动器中普遍存在这两个标准剥离的准共径腔基本模式切换。你们是可以完成同歩的基本模式切换解锁，每路的输出精度脉宽不大于140 fs，分別耗油率超越2.4 W。你们还叙述好几个体化带宽的调试20 Hz到100 kHz标准内的相定時晃动在亚期标准内。你们进的一步将一些强有力的固态硬盘安装脉冲脉冲光器与OPO耦合电路，以换取泵浦试探器抽样体统适用的多色光的输出精度调试。考虑到减少每或许改进抄袭频繁差的变慢坏境漂移，你们在双反射镜的位置上完成好几回个体统设计变慢双向效正的反馈意见环路，使你们换取了长时特性比较好的双光梳。对此，你们的体统依照了这两大类的方式的的特点：共腔双光梳脉冲脉冲光器的高大招稳定的性和容易性，和对解锁脉冲脉冲光体统漂移的免疫抗体性。你们的可是证明材料了新的脉冲脉冲光腔多路复接的方式的方便使用性，并屏幕上显示其在泵浦试探器和等效时抽样体统适用中的比较大竟争力。 

对于生产制造商K2Photonics：

 

K2Photonics是卷心菜苏黎士联帮工院师范学院量子自动化器材学钻研所同档次企业同档次产生企业。其把新的依据单腔双光梳激光行业器器钻研的新科研成果做出工产品化，为泵浦探测系统和异步光采样ASOPS等运用客人能供应良好面光源。苏州昊量光电公司是K2Photonics的国内 代理权，为您能供应系统的调试、系统服务管理。对於单腔双光梳激光行业器器有感兴趣亦或是很多难题，都欢迎图片实现通电话、自动化器材qq邮件亦或是微信号与我们的建立联系。 

对昊量光学：

昊量光電  您的光電便利店！天津昊量光電技术商品科技的设施有现工司倾力于培育guo 外先 jin性与特色化性的光電技术商品科技技术水平与安全商品！与是来自于USA、法国、日本这个国家等广大zhi 名光電技术商品科技商品制造厂出商加入了紧密联系的合作项目相互关系。加盟代理茶叶品牌均正处在对应调查方向的发展进步科技研究，商品涉及到多种皮秒机光器、光電技术商品科技配制器、光电技术部件部件测试的设施、细密光电技术部件部件部件等，涉及足的调查方向主要包括了板材生产制造厂制作、光网络通信、动物体医疗保障、科学实验调查、国防教育及科技研究的占比市面 譬如为量子光电技术部件部件、动物体显微、物联网调节器、细密生产制造厂制作、先进集体皮秒机光制造厂出等。人们的科技不支持团队合作可以为在在我国现代研究科技创新与工业生产域能出示完全的专用设备安转，培训课程，cpu规划设计，软文规划设计，控制系统融合等良好保障，助推在我国现代智创与在我国现代创造自己! 为客服能出示非常适合的护肤品和能出示不断完善的保障是人们一直贯彻始终的背景！ 

（下面译自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）

 

分类论文资料

1.S. Schiller, "Spectrometry with frequency combs," Opt. Lett. 27, 766–768 (2002).

2.H. R. Telle, G. Steinmeyer, A. E. Dunlop, J. Stenger, D. H. Sutter, and U. Keller, "Carrier-envelope offset phasecontrol: A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation," Appl. Phys. B 69,327–332 (1999).

3.D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, "Carrier-EnvelopePhase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis," Science 288, 635–639(2000).

4.A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, Ch. Spielmann, Th. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz,"Controlling the Phase Evolution of Few-Cycle Light Pulses," Phys. Rev. Lett. 85, 740–743 (2000).

5.I. Coddington, N. Newbury, and W. Swann, "Dual-comb spectroscopy," Optica 3, 414 (2016).

6.K. J. Weingarten, M. J. W. Rodwell, H. K. Heinrich, B. H. Kolner, and D. M. Bloom, "Direct electro-opticsampling of GaAs integrated circuits," Electron. Lett. 21, 765 (1985).

7.K. J. Weingarten, M. J. W. Rodwel, and D. M. Bloom, "Picosecond optical sampling of GaAs integrated circuits,"IEEE J. Quantum Electron. 24, 198–220 (1988).

8.P. A. Elzinga, R. J. Kneisler, F. E. Lytle, Y. Jiang, G. B. King, and N. M. Laurendeau, "Pump/probe method for fastanalysis of visible spectral signatures utilizing asynchronous optical sampling," Appl. Opt. 26, 4303 (1987).

9.K. Kieu and M. Mansuripur, "All-fiber bidirectional passively mode-locked ring laser," Opt. Lett. 33, 64–66(2008).

10.S. M. Link, A. Klenner, M. Mangold, C. A. Zaugg, M. Golling, B. W. Tilma, and U. Keller, "Dual-combmodelocked laser," Opt. Express 23, 5521–5531 (2015).

11.T. Ideguchi, T. Nakamura, Y. Kobayashi, and K. Goda, "Kerr-lens mode-locked bidirectional dual-comb ring laserfor broadband dual-comb spectroscopy," Optica 3, 748 (2016).

12.R. Liao, H. Tian, W. Liu, R. Li, Y. Song, and M. Hu, "Dual-comb generation from a single laser source: principlesand spectroscopic applications towards mid-IR—A review," J. Phys. Photonics 2, 042006 (2020).

13.S. M. Link, D. J. H. C. Maas, D. Waldburger, and U. Keller, "Dual-comb spectroscopy of water vapor with a free-running semiconductor disk laser," Science (2017).

14.S. Schilt, N. Bucalovic, V. Dolgovskiy, C. Schori, M. C. Stumpf, G. Di Domenico, S. Pekarek, A. E. H. Oehler, T.Südmeyer, U. Keller, and P. Thomann, "Fully stabilized optical frequency comb with sub-radian CEO phase noise from aSESAM-modelocked 15-μm solid-state laser," Opt. Express 19, 24171 (2011).

15.T. D. Shoji, W. Xie, K. L. Silverman, A. Feldman, T. Harvey, R. P. Mirin, and T. R. Schibli, "Ultra-low-noisemonolithic mode-locked solid-state laser," Optica 3, 995 (2016).

16.M. Kowalczyk, Ł. Sterczewski, X. Zhang, V. Petrov, Z. Wang, and J. Sotor, "Dual‐Comb Femtosecond Solid‐StateLaser with Inherent Polarization‐Multiplexing," Laser Photonics Rev. 15, 2000441 (2021).

17.X. Zhao, G. Hu, B. Zhao, C. Li, Y. Pan, Y. Liu, T. Yasui, and Z. Zheng, "Picometer-resolution dual-combspectroscopy with a free-running fiber laser," Opt. Express 24, 21833–21845 (2016).