用于等效時間采樣應用的空間多路單腔雙光梳激光器

 

1．介紹書

雙光學頻率梳(簡稱雙光梳)[1]的概念在光頻梳被提出后不久被引入[2-4]。在時域上，雙光梳可以理解為兩個相干光脈沖序列，它們的重復頻率有輕微的偏移。自問世以來，雙光梳光源及其應用一直一個重要研究課題[5]。雙光梳光源與早期用于泵浦探測測量的激光系統有許多相似之處。特別是，利用兩種不同重復頻率對超快現象進行采樣的想法，早在20世紀80年代就已經通過等效時間采樣概念的演示進行了探索[6,7]。在這種情況下，通過frep/ 的因子，超快動態過程在時域中被縮小到更慢的等效時間。這里frep是采樣頻率，是采樣頻率與激發重頻的差值。這個概念很快通過一對相互穩定的鎖模激光器實現，通常被稱為異步光采樣(ASOPS)[8]。雙光梳方法和ASOPS激光系統的一個顯著區別是兩個脈沖序列鎖在一起的相位和定時的精度。因為雙光梳鎖模的發明，特別是在一個自由運行的激光腔產生兩個光頻梳，這個邊界已經變得模糊。這種激光器最初是在光纖[9]和固態[10,11]增益材料中實現的，隨后出現了大量的激光腔多路復用方法[12]。由于脈沖在同一腔內循環，它們經歷類似的干擾，導致相關的噪聲特性，這對于實際應用[13]來說已經足夠了。類似地，與電子鎖定異步光采樣ASOPS系統相比，由于共腔結構和鎖模激光器振蕩器的優秀無源穩定性，有降低時間抖動的潛力[14,15]。此外，由于這些系統顯著降低了復雜性(一個振蕩器，沒有復雜的鎖定電子設備)，它們可以在雙光梳激光器通常無法達到的新應用領域實現實際測量。另一方面，自由運行的激光器容易受到相對光學相位漂移和兩個脈沖序列之間重復頻率差異的影響，這必須加以考慮。

 到現在 ，單腔雙頻梳脈沖光器器器的開機運轉一般性是在脈沖光器器設計或性能指標上的折衷。列舉，將無源雙反射硫化鋅添加腔中[10]，用雙反射增益控制控制電氣元件對偏腔線[16]，分開脈沖光器器增益控制控制資源帶寬[17]，或合理利用圓形腔的雙軌開機運轉[9,11]。附近，在高額定功率鎖模薄片脈沖光器器器空間結構中也探索了在拆遷中遇到獨特腔端鏡的空間剝離模產品概念[18,19]。但是，在以下新的構建中，并沒有所有的內腔器件都有共享資源的方能大幅度降低平時背景噪聲減弱。 

在這篇文章中，我們提出了一種激光腔多路復用的新方法，通過在表面插入一個具有兩個獨立角度的單片器件，例如雙棱鏡，使空間分離模式存在。因此，通過在適當的位置安裝雙棱鏡，可以將對單光頻梳操作*優的空腔適應為雙光頻梳空腔。利用這種方法，在80 MHz重復頻率，在脈沖小于140fs的情況下，我們從單個固體激光器腔中獲得了2.4 W的平均功率。兩個光頻梳的重復頻率差可在[- 450Hz, 600Hz]范圍內調節。表征得到脈沖之間的相對時序噪聲為僅為光周期的一小部分：在[20 Hz至100 kHz]的綜合帶寬下為2.2 fs。這是迄今為止報告的在這個頻率范圍內自由運行的雙梳激光器中zui 低的相對時間噪聲。此外，我們在多路復用元件上應用壓電反饋來抵消低頻環境干擾和漂移，因此我們可以在超過5小時內實現標準偏差為70的重復頻率差穩定性。

 

2．諧振腔來設計與自由振蕩器功效

 

圖1如圖所示。(a)皮秒脈寬光器機器行業腔格局。泵浦在使用一款980nm多模場效應管。DM:泵浦/皮秒脈寬光器機器行業二色性，OC:皮秒脈寬光器機器行業內容輸出的合體器， 5.5%的皮秒脈寬光器機器行業利用率，泵浦光高利用率。增益值物質是添加4.5%的Yb:CaF2多晶體 [20]。該腔選取具備介電物質頂上納米涂層的多量子阱SESAM，贏得高過剩通量Fsat=142?J/cm2，配制深度1?R=1.1%。(b)皮秒脈寬光器機器行業內容輸出的工率和脈寬將持續事件隨總泵浦工率的變化。

 圖1(a)表現了咱們的任意進行雙光頻梳二氧化碳皮秒激光束手術腔的個人空間布局。咱們動用多模泵浦場效應管和端泵浦腔型式，相似于咱們已經新聞范文的偏振重復動用雙梳狀二氧化碳皮秒激光束手術器的運行環境[20,21]。或許，與過來的新聞范文對立，在有源器件，即收獲晶狀體和半導體技術飽和狀態消化吸收鏡(SESAM)上的個人空間剝離是動用加入這個都具有層面散射納米涂層的雙菱鏡來擁有的。動用動用這個頂角179°的雙菱鏡，咱們擁有了在收獲物料上模試剝離1.6 mm合在SESAM上模試剝離1 mm。圖1(b)表現了掃面泵浦導出時單獨某個光梳的效能。該孤子鎖模二氧化碳皮秒激光束手術器的最好工作的點相對應2.4 W評均導出導出，激光束脈沖快速精力分別是為138 fs(comb1)和132 fs(comb2)，二氧化碳皮秒激光束手術器的光對光高效率為40%。 我門得見了好幾個光頻梳的自重啟鎖模。在高打出瓦數下的機光束打出診斷報告如圖是2(a-b)所顯示，這表明基模鎖死是很純凈的。電容式致動器不錯在短期間內連著調低雙三反射鏡的橫著地位，把其組裝在一位直線運動變換臺子上，該直線運動變換臺可利用電容式致動器做好大區間的任一步進電機控制調低。雙三反射鏡的直線運動變換不錯修改好幾個光頻梳的重復使用次數差，從-450 Hz到600 Hz，對機光束打出機械性能的影晌不錯刪掉不計入(圖2(c))。在比較大的行程安排時，雙三反射鏡節點上的模削相應促使打出瓦數的下降。 

圖2如下。(a)用光譜淺析儀分享儀(辯認率布置為0.08 nm)檢測對數計算限度下的脈沖光輸入輸出光譜淺析儀。(b)用微波加熱頻譜分享儀分享加快光電場效應管存在的光電流的歸一化工作功率譜規格。插圖圖片顯視拖動的兩根rf射頻梳的一回諧波。(c)雙反射鏡側面圖不一樣的地位的連續頻段差別。

 

3．低頻噪音性能特點

接下去來，讓我門大家監測了共腔的辦法領取2個單智能離子束造成的造成的隊列與低相較精力間隔發抖合理性。第一，讓我門大家實施相位燥聲性質，命令領取所有用重新的單智能離子束造成的造成的隊列的完全精力間隔發抖。讓我門大家在一些迅速的光電高技術工藝設備整流二極管(DSC30S, Discovery Semiconductors Inc.)上檢查所有單智能離子束造成的造成的隊列，并選帶著可調節諧帶通濾波器的第6個重新工作頻繁諧波。該數據統計完成數據統計源研究測試儀(SSA) (E5052B, Keysight)實施研究分析一下。獲取的相位燥聲輸出譜取決于密度(PSD)和總體精力間隔發抖如下圖3如圖。從衡量中讓我門大家見到，每個人些用重新的單智能離子束造成的造成的隊列的完全精力間隔發抖很小，相位燥聲PSD看來基本上一樣。為了能衡量2個單智能離子束造成的造成的隊列中的完全精力間隔發抖的涉及性，讓我門大家規劃設計一堆種特征提取梳齒活躍 的相較精力間隔發抖衡量高技術工藝設備，該高技術工藝設備的使用了2個單頻抄襲離子束器[22]。各種相較精力間隔發抖衡量高技術工藝設備應該闡述無數個重新工作頻繁差下只有進行的雙梳離子束的不涉及燥聲。獲取的不涉及的相較時序發抖在圖3上用黑線顯示。讓我門大家出現相較精力間隔發抖大概比完全精力間隔發抖低25dB，這體現了會因為單腔組成，有很棒的共相位燥聲促使。結合的相較要定期發抖為2.2 fs [20 Hz, 100 kHz]。這體現了，即是在較長的數據統計錄入精力間隔內，也應該從只有進行的離子束腔領取亞時間是相較要定期發抖。 

圖3表達。(a)在適用的信號進行檢測儀衡量每位單脈寬隊列的必然(紅和粉色)時序低頻噪音。在適用[22]中介紹的方式方法衡量的的兩個單脈寬隊列當中的相比較時序顫抖(黑色的)。(b)時序低頻噪音直線會員積分收獲的時序顫抖。

 大家發掘了這一離子束器廣泛中用等效時監測操作，如泵浦發現光譜分析圖儀圖圖和皮秒超聲檢查[20]。以至于，大家已經有完整深入分析該燈光要怎樣適廣泛中用需用長年相比光電相位比較穩確定的比較高的分數辨率雙梳光譜分析圖儀圖圖。在50毫秒的采集程序周期時內，是應該測量到很多微波射頻梳齒成分。既使，正確的雙光梳光譜分析圖儀圖圖學操作一樣忽略于用另一個或諸多接連波離子束器追蹤光電相位起伏，列如 根據自適于監測策略，如[23]中的展現出。從圖3是應該觀測到，在700 Hz和1600 Hz符近有好多個燥音頂值，這也許是由自動化共震因起的，以至于是應該根據縝密的光電自動化SEO優化來除掉。既使，這個共震變低了兩人脈沖脈沖光回文序列區間內的相位相干性。根據很大的光帶寬的配置和相比較低的80 MHz的重頻，混疊因素耍求在500 Hz低于的重頻差時範圍內的使用。在也許的底頻率下，自動化燥音例如來自于就能達到諧振，將應響彼此相位相干性。更適于公民權運行的雙光梳光譜分析圖儀圖圖的成分還有較高的重頻和重頻不同之處，如[13,22]，在在這樣的新機制中提交的新技術探討將是未來的工作中的內容主題。在在這篇句子中，大家特別于將這一新燈光應廣泛中用泵浦發現光譜分析圖儀圖圖的操作，在這里英文，離子束的頂值最大功率是應該用做會增強非規則化的時候。80MHz的重頻是應該實行12.5 ns的大延時掃面時範圍，非常低的相比要定期震動是應該廣泛中用正確的時軸校對。 二氧化碳繳光對于強度嗓聲(RIN)是一點短時間采樣系統廣泛應用的關鍵所在叁數之六。咱們在如下高靜態時間范圍測量配制中分頭析了咱們的二氧化碳繳光器的RIN。咱們選擇一家光電公司肖特基二極管，所有光頻梳的大概梳齒輸出功率的同時重設為10mW。要想榮獲RIN光譜分析，咱們選擇SSA來基帶測量。要，咱們用一家低嗓聲跨電位差變成器(DLPCA-200, Femto)測量超低頻高壓發生器權重(<200 kHz)。要想測量更好率的權重，咱們用一家偏置TEE (BT45R, SHF通迅技術AG)分開信息的洽談和整流局部。洽談局部用低嗓聲工作電壓變成器(DUPVA-1-70, Femto)變成。將二個測量值無縫拼接在同吃，取得所有光頻梳的全面RIN譜，如圖已知4如圖所示。咱們出現 所有光梳的全方位的RIN值< 3.1х10-5 [1 Hz, 1 MHz]。 

圖4右圖各光梳的相對于抗拉強度燥音譜。可根據光電技術電子元器件大家庭中的一員-二極管的型號和測試的設置輸出統計散粒燥音終極。

 

4．等效精力監測適用

要使二氧化碳激光器器用于泵浦遙測器光譜分析圖用，大家將它與是一光物理量震蕩器(OPO)的是一輸出光柱耦合電路。OPO能夠滿足主光的波長的多色泵浦遙測器側量。雖然，猶豫OPO是此外泵浦，兩只智能編碼序列兩者之間的較為時期維持改變。大家用ppln結晶體(HC Photonics)來設計了是一數據信息諧振在1600nm的OPO。用2 W輸出的comb1泵浦可提升876 mW的數據信息光。此外，大家還出現了OPO數據信息的第二次諧波，以提升800 nm的光，側量智能期限為151 fs，月均熱效率為390 mW。從震蕩器輸出的comb2可枯燥倍頻提升526 nm的光，使該二氧化碳激光器源當上各項主光的波長下自然的光譜分析圖學手段。 是為了在氛圍會出現變化時也獲得了重頻差的常年不穩性，我保證 一堆大個慢評價閉環控制。comb1和comb2的部位公率接收到根據BBO的光學玻璃彼此關器。我操作兩個概率記數器，采用算起彼此關移動預警區間內的時刻來跟蹤軟件重頻差的浮動，像于[20,21]中操作的工藝。似乎，我操作一堆大個來樣加工的FPGA電源控制器，該電源控制器能以100Hz或越高的采樣傳輸速度下調用comb1和comb2的重頻差，的精密度具有10-6。備案的重頻差移動預警在算起機里整理，采用上下調整釋放到電容式致動器上的直流的電壓來對復用技術pcb板通過校核。直流的電壓移動預警以為宜?frep的傳輸速度提升。

為了驗證兩組多色脈沖序列的相對長期穩定性，我們用另一種光學互相關裝置測量重頻差，如圖5(a)所示。我們將OPO倍頻輸出(800 nm，comb1)與直接激光輸出(1052 nm，comb2)相互關聯。在超過5小時的時間窗口中，我們發現重頻差波動標準差為70，如圖5(b)所示。

 

圖5提示。(a)帶3個光纖二氧化碳激光切割機的交叉式涉及器(XCORR)的多色等效期限采樣系統配置。XCORR 1用以向二氧化碳激光供應慢評議，XCORR 2用以繼續執行環外在線測量。(b)運行XCORR 2的暫時重頻差固相關性。如何設置為300Hz。

 

5．分析方法

我門展覽沒事種趣味性的離子束腔連續使用技術，該技術不能在一致諧振器中都存在一個生態環境離心分離的準共徑腔傳統模式英文。我門可不可以建立云同步的傳統模式英文凍結，每路打印工作輸出脈寬小于140 fs，大概功效大于2.4 W。我門還講述了宗合速率20 Hz到100 kHz事件范圍之內內的對應訂時震動在亞周期性事件范圍之內內。我門進這一步將本身強悍的固態硬盤離子束器與OPO交叉性耦合，以可以刷快泵浦偵測取樣使用的多色光打印工作輸出調試。成了解除任意也許 優化連續規律差的變慢生態環境漂移，我門在雙菱鏡所在位置上建立沒事個由于變慢交叉性矯正的匯報環路，使我門可以刷快了長遠效能充分的雙光梳。故而，我門的系統性組合了這兩者技術的特征：共腔雙光梳離子束器的高普通攻擊不穩性和簡短性，以其對凍結離子束系統性漂移的免役性。我門的數據材料了新的離子束腔多路連續使用技術的趣味性性，并界面顯示其在泵浦偵測和等效事件取樣使用中的大實力。 

介紹生產方式商K2Photonics：

 

K2Photonics是國外蘇黎士聯幫理工枝術學院枝術學院量子網絡學分析所品牌企業品牌產生企業。其把新的來源于單腔雙光梳脈沖激光束器分析的新成果展開始商業產品化，為泵浦觀測和異步光采樣ASOPS等采用投資者提拱很理想光照。東莞昊量光學看作K2Photonics的中國有代理加盟，為您提拱工程專業的電機選型又可能枝術產品。面對單腔雙光梳脈沖激光束器有的興趣又可能任何人方面，都迎接能夠 溝通電話、網絡電郵又可能小程序與我們的溝通。 

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（小編譯自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）

 

考生論文

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, ?. 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).