超稳单频光纤激光光源的噪声极限机理及其抑制机制研究

Ultra-stable single-frequency fiber laser sources (intensity and phase noise approaching the noise limit) are widely required in the field of high-precise measurement such as optical atomic clock, monitoring the earth's magnetic field, gravitational wave detection. The intensity noise (power fluctuations) and phase noise (frequency fluctuations) of single-frequency laser directly constraint the measurement accuracy of the high-precise measurement system. This project focus on the noise mechanism and suppression of single-frequency fiber laser sources, concentrating on the core issue of reducing the intensity and phase noise to the noise limit and realizing ultra-stable laser operation to further improve the accuracy in the application of high-precise measuring. The project starts with the origins of the intensity and phase noise in single-frequency fiber laser system, investigates the effects of laser cavity design parameters, external optical device parameters, and system environments on the noise properties; and then the noise suppression techniques at different frequency band; finally studies the interaction mechanism between various noise suppression unit in the integrated ultra-stable single-frequency fiber laser system. The successful implementation of the project would provide important theoretical basis and technical support for the noise limit and suppression mechanism of ultra-stable single frequency fiber laser sources in the application of high-precise measurement..

超稳（强度噪声与相位噪声均接近极限）单频激光光源在高精密测量领域的光原子钟、地球磁场监测、引力波探测等方向有重要的应用前景。单频激光的强度噪声（对应功率稳定性）与相位噪声（对应频率稳定性）直接制约了高精密测量应用系统的测量精度。本项目主要针对单频光纤激光光源的噪声机制及抑制方法，围绕使其强度噪声与相位噪声均接近极限以实现超稳这一核心科学问题，并使其能够实现在高精密测量应用中测试精度进一步提升的科学目标。项目通过从单频光纤激光光源系统强度噪声与相位噪声的起源出发，研究其与腔内各设计参数、腔外光器件参数、系统环境等因素之间的关系与规律，研究单频光纤激光光源系统各频带噪声的抑制技术与方法，探索研究集成的超稳单频光纤激光光源系统各噪声抑制单元之间的相互影响机制。项目成功实施将为高精密测量应用领域中超稳单频光纤激光光源的噪声极限机理及其抑制机制提供重要的理论基础与技术支撑。

单频光纤激光器得益于全光纤结构、窄线宽以及良好光束质量等特点，在光纤通信、激光雷达、相干合束等领域具有应用价值。然而单频光纤激光器的强度噪声和相位噪声特性制约了其在精密时频传递、光泵磁力仪以及引力波探测等精密激光应用领域的发展应用。研究强度噪声与相位噪声均接近极限的超稳单频激光光源是激光噪声研究的重要目标。.本项目围绕强度噪声与相位噪声均接近极限这一核心科学问题，对单频光纤激光器的噪声机理和噪声抑制展开研究，主要内容：（1）单频光纤激光光源强度噪声产生机理；（2）单频光纤激光光源相位噪声产生机理；（3）单频光纤激光光源强度噪声抑制的极限机制；（4）单频光纤激光光源相位噪声抑制的极限机制；（5）宽频带同时抑制强度噪声与相位噪声至极限的超稳单频激光光源集成。.本项目取得重要结果：.（1）噪声产生机理方面：①研究了能量传递上转换效应和量子亏损对频率噪声存在的影响，建立了频率噪声与谐振腔增益光纤长度的关系。②分析了增益介质机理和腔损耗机理对频率噪声的影响，构建了频率噪声与光纤激光的相对强度噪声的关系；③建立了完备的单频光纤激光频率噪声理论模型，给出了单频光纤激光频率噪声的计算表达式。.（2）强度噪声抑制方面：①通过半导体光放大器的强度噪声抑制作用，在0.1~50 MHz的频段内相对强度噪声小于-150 dB/Hz，结合ASE滤除和SBS管控，实现了大于23 W近散粒噪声极限的单频激光功率输出。②通过消除半导体光放大器增益饱和噪声抑制过程中的偏振灵敏度，同时结合倍频技术，研制出超低强度噪声780 nm单频光纤激光器。③实现了双向光纤放大器对1950nm单频激光的强度噪声抑制，大于5 W的单频输出激光的RIN降低了24 dB。.（3）相位噪声抑制方面：①采用自注入锁定与半导体光放大器相结合的技术，实现了20 dB以上的相位噪声抑制幅度，最小可达-158.3 dB•rad/Hz1/2/m。②通过优化泵浦噪声实现了相位噪声抑制，激光线宽由1.3 kHz压窄至650 Hz。③利用BOA的非线性放大作用结合光电反馈，并结合4He原子极化光谱技术和两级频率调整技术，实现了超低RIN绝对频率稳定的单频光纤激光输出。