基于光参量振荡器的深紫外至中红外光频率梳的研究

A system generating high-accuracy optical frequency combs, especially with wavelengths available from deep ultraviolet (DUV) to mid-infrared (MIR), is a highly desired tool for frequency comb spectroscopy and metrology, and is very important for the applications in infrared frequency comb spectroscopy, optical frequency standards and fundamental physical constant measurements. Optical parametric oscillators (OPO's) are very good candidates for femtosecond frequency comb generation since in the nonlinear interaction, the carrier-envelope phase (CEP) slip frequencies are coupled with each other and the output optical frequencies are tunable. Hence we will try to obtain stabilized tunable signal or idler frequency combs from an OPO with its pumping laser's CEP free-running by utilizing those properties of OPOs. The outputs of the OPO could be converted to deep UV by cascaded frequency doubling. In this research, we will develop a high repetition rate and high power Ytterbium (Yb) doped fiber laser as the pumping source of the whole system, research high efficiency optical parametric frequency conversion and intracavity frequency doubling in periodically poled crystals, study the technique to obtain a supercontinuum spanning more than one octave by using a piece of photonic crystal fiber(PCF) and investigate high precision locking of the frequency combs. As a result, we will develop a compact and stable system generating frequency combs with tunable wavelengths available from deep UV to MIR.

从深紫外到中红外的高精度光频率梳是精密光梳光谱学和光梳计量学的重要工具，对红外光谱学、光频标以及基本物理量的测量等具有重大的意义。光参量振荡器（OPO）中各光脉冲的载波-包络相位（CEP）的变化是相互耦合在一起的，并且产生的脉冲波长具有大范围的可调谐性，这使其在产生飞秒光频率梳方面具有独特的优势。本项目将利用OPO的这些特性，在泵浦激光CEP自由运转的情况下得到高度稳定的信号光或闲频光的可调谐频率梳，并利用多次倍频的手段将波长扩展到深紫外波段。为此，本项目将研究高重复频率高功率的Yb光纤激光泵浦源、基于周期极化晶体的高效率光参量频率变换和腔内倍频、光子晶体光纤中超过一个倍频程超连续的产生以及光频率梳的精密锁定等内容，最终实现波长可涉及深紫外到中红外，结构简单稳定的可调谐光频率梳系统。

深紫外至中红外光学频率梳是精密光梳光谱学梦寐以求的有力工具，但是如何产生如此大跨度和窄线宽的光频率梳无论从物理机制还是技术角度来看，都具有极高的挑战性。本项目的设计方案是采用具有高平均功率的掺镱（Yb）光纤激光器作为整个系统的泵浦源，利用光参量变换和二次谐波产生等非线性过程对其进行频率变换，以期获得近十个倍频程的光谱跨度。其研究的关键技术难点在于高功率窄脉宽Yb光纤激光器、高效和多任务的非线性晶体设计、稳定的OPO运转、利用光子晶体光纤在Yb激光泵浦下产生一个倍频程的超连续、高精度的重复频率（Frep）和载波包络相位（Fceo）的锁相回路。本项目已经获得了大于20W平均功率，脉冲宽度小于60fs，重复频率为250MHz的Yb光纤激光光梳。其重复频率稳定的秒稳精度已经达到2.8X10^-13，载波包络相位偏移频率锁定精度达到3.3x10^-10。多任务飞秒OPO系统已经实现了集光参量和腔内倍频于一体的设计和实验运转，在OPO腔外获得了大于200mW的468nm蓝光输出（信号光的二次谐波），对应的闲频光波长为2680nm附近。经过BBO倍频，已经获得了234nm的深紫外光脉冲输出。此外，在对OPO光梳非常关键的准相位匹配晶体设计以及光子晶体光纤超连续产生方面也取得了阶段性的成果。在基于非线性包络方程（NEE）的算法上实现了多任务且具有非周期结构的准相位匹配晶体的设计，理论计算和实验结果非常匹配。利用非线性薛定谔方程，结合对光子晶体光纤结构的有限元分析，实现了对飞秒光脉冲超连续的产生过程的准确模拟，并对其内在的物理机制有了更深的了解。总体来看，目前深紫外至中红外光频率梳在上述关键方面都取得了重要突破，并完成了稳定的研究平台搭建，近期将有一系列的成果出现。