高重复频率飞秒光纤激光器中的噪声特性研究

Timing jitter of femtosecond lasers is an important specification in the application of optical clocks, RF extraction, synchronization of electron accelerators, and is a kind of integrated intracavity noise. The timing jitter in solid state lasers has been decreased to sub-10as level. However, femtosecond fiber lasers are far away from that of solid state lasers. The process in femtosecond fiber lasers are more complex than in solid state lasers. The purpose of this proposed project is to measure and evaluate the timing jitter and the frequency noise in very short cavity femtosecond fiber lasers. The techniques used are the balanced cross-correlator and the phase noise spectrometer. The innovative point is that we take our GHz level fiber laser as the object and expect that the high repetition rate fiber laser must be the idea source for low timing jitter pulses. This research will lead to ultralow timing jitter femtosecond fiber lasers.

时间抖动是飞秒激光器在光频原子钟、射频提取和电子加速器同步等方面应用中的重要指标。时间抖动的来源是飞秒激光器腔内各种噪声。固体飞秒激光器的时间抖动已降低到小于10阿秒量级。飞秒光纤激光器尚未达到这个水平。相比固体激光器，光纤激光器的工作中经历的过程更复杂，产生噪声的原因也更多。分析表明，光纤激光器不同的脉冲形成机制，泵浦光噪声、振荡器增益、损耗、光纤的色散及非线性效应都可能带来锁模脉冲的时间抖动，而缩短腔内光纤特别是非增益光纤有可能减少以上噪声。本项目旨在研究超短光纤构成的高重复频率飞秒光纤激光器的时间抖动测量方法和来源，以期构建固体激光器同等水平时间抖动的飞秒光纤激光器。主要技术手段是利用平衡式互相关器和相噪仪等对几种激光器参数下的时间抖动和噪声进行测量。本项目的特色是以我研究组独立研制的GHz重复频率的飞秒光纤激光器为研究对象，而研究结果有可能使这种激光器成为超低噪声的飞秒光纤激光器。

高重复频率飞秒激光器是很多高端科学仪器的基础。虽然有很多高于1GHz重复频率的光纤激光器出现，本研究组研制的0.75-1GHz重复频率激光器仍然是输出功率最高、单脉冲能量最高、脉冲最短的飞秒光纤激光器。但是其噪声或脉冲的时间抖动，还没有被研究过。而噪声对于飞秒光纤激光器的应用，是十分重要的。本项目的主要研究内容，是高重复频率飞秒光纤激光器自由运转时的噪声或时间抖动及来源，提出抑制噪声的方法，并研制出低噪声的大频率间隔、高纵模（梳齿）功率的飞秒光纤激光器和光学频率梳。项目取得的主要研究成果如下：.(1)通过构筑的两套高重复频率光纤激光器系统和噪声测量装置“光学平衡互相关系统”，将测量的噪声基底降低了近4个数量级，准确地获取了超宽频率范围内的时间抖动功率谱密度图。通过仿真模拟和理论分析，确定了激光器时间抖动噪声的来源以非线性相移为主。证实了GHz重复频率的激光器自由运转时的相位噪声特性符合量子受限噪声与脉冲重复频率的平方成正比的规律。.(2)从自由运转的激光器噪声特性分析得出，在低频范围内，相对强度噪声是造成时间抖动噪声的主导因素。通过压制相对强度噪声，使时间抖动噪声功率谱下降了10dB。.(3)经过改进后的高速调制器件对重复频率和初始频率的快速锁定，将激光器0.1Hz~10MHz积分区间内的时间抖动压缩到5fs量级，秒不稳定度降低到1.5x10^(-18)。 .(4)低噪声高重复频率光纤激光器的优势是可以得到高信噪比的拍频信号。实验证明，我们的1GHz的光纤激光器可以同时与6个以上的光学参考频率拍频，信噪比都高于30dB。而如此高的信噪比用通常的放大再扩谱的方法是很难都达到的，显示了这种低噪声高重复频率光纤激光器或频率梳的优势。. 项目执行期间发表了期刊篇论文10篇，会议论文5篇，申请专利1项。所研制的低噪声飞秒激光器已经提供给日本电气通信大学、德国同步辐射中心、美国密西根大学和劳伦斯伯克利国家研究所及国内研究单位。还收到了国内外一些大学的合作要求，显示了研究成果的意义。