阿秒级时间抖动的飞秒光纤激光振荡器

Ultrashort pulse train from free running femtosecond lasers shows superior short-term stability, with quantum-limited timing jitter approaching few attoseconds. Such attosecond precision optical oscillators have great potential to break the bottleneck of modern high precision and high speed signal processing fields, and supply precise clock signals for high speed and high resolution analog to digital conversion, satellite format flying and attosecond pump-probe experiment. This proposal researches on high quality optical oscillators with quantum limited timing jitter based on femtosecond fiber lasers. By using attosecond resolution balanced optical cross-correlation method, the inner mechanisms that the abundant nonlinear optical effects coupled to timing jitter will be studied, revealing the new physical mechanisms that contribute to timing jitter, and achieving the guidelines for reducing the high frequency timing jitter of fiber oscillators to theratical limit. Based on which, high quality femtosecond fiber laser oscillators with attosecond timing jitter will be realized. As an application of such attosecond timing jitter oscillators, the low jitter clocking signal distribution by fiber link will be demonstrated.

自由运转状态下的飞秒激光振荡器输出的超短脉冲序列具有极佳的短期稳定性，其时间抖动的理论极限达到阿秒量级。这种具有阿秒时间精度的光学振荡器有望突破现代高精度与高速信息处理领域的发展瓶颈，并且为高速-高分辨率的模拟-数字信号转换，卫星编队飞行及阿秒泵浦-探测等前沿研究领域提供具有极限分辨本领的时钟信号。本项目旨在基于光纤飞秒激光技术研究具有量子极限时间抖动的高品质光学振荡器。利用具有阿秒时间分辨本领的平衡光学互相关方法，定量研究飞秒光纤激光振荡器内丰富的非线性过程耦合至时间抖动的关键物理机制，探索将飞秒光纤激光振荡器的高频时间抖动推向理论极限的技术途径。在此基础上，实现阿秒级时间抖动的高品质光纤激光振荡器，并演示低抖动时钟信号经过光纤链路的发布。

本项目针对高速-高分辨率的模拟-数字信号转换、卫星编队飞行及阿秒泵浦-探测等前沿研究领域对具有极限分辨本领的时钟信号的需求，开展阿秒时间抖动的光纤飞秒激光振荡器的研究。项目执行过程中，项目组建立了含噪声源的飞秒光纤激光振荡器的数值模型，通过数值仿真探索了飞秒激光振荡器的腔内动力学过程对脉冲时间抖动的耦合机制，给出了被动稳定腔长、优化谐振腔色散、合理设计腔内光学滤波等抑制时间抖动的方法。实验建立了基于平衡光学互相关技术的光纤飞秒激光振荡器的时间抖动测试平台，基于数值仿真的设计准则，在实验中优化飞秒激光振荡器的参数，实现了阿秒级时间抖动的高品质光纤激光振荡器。为了展示这种低抖动的飞秒激光振荡器的应用价值，课题组进一步开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量实验，实验结果表明，利用本项目的研究成果优化飞秒激光振荡器的时间抖动，绝对测距精度可以改善数倍。在本项目的资助下，项目组在本领域取得了一系列的创新性研究成果。首先，基于增强的光谱呼吸效应产生了七个光学周期飞秒激光，通过该工作，项目组掌握了飞秒激光振荡器的谐振腔动力学过程的主动调控技术，为探索谐振腔动力学过程向脉冲序列时间抖动的耦合机制打下了基础。第二，基于光谱滤波效应优化光纤飞秒激光振荡器的量子极限时间抖动，该工作为光纤飞秒激光振荡器的时间抖动的最优化提供了一个简单易行的解决方案。第三，利用电光调制器主动抑制光纤飞秒激光振荡器的量子极限时间抖动，使振荡器获得了77阿秒的残余高频时间抖动。第四，基于低时间抖动的光纤飞秒激光振荡器开展了绝对距离测量实验，通过理论和实验研究，项目组发现，飞秒激光绝对距离测量的精度极限受到飞秒激光振荡器的时间抖动的制约，优化光纤飞秒激光振荡器的时间抖动对于促进超高精度光学计量领域发展具有重要价值。第五，对低时间抖动的光纤飞秒激光器的工作波段拓展开展了预先研究，基于光学参量振荡技术实现了由红外至紫外的波长调谐。在项目执行期内，发表论文14篇，培养硕士研究生4名，博士研究生1名，其中，毕业硕士研究生3名。