德国康斯坦茨大学的研究人员建立了超精密飞秒光学频率梳的设计准则，以最大限度地提高频率测量的稳定性。

图1：Konstanz大学的研究团队开发的第一台掺铒光纤激光系统，专为单电子系统的双色飞秒激光实验而设计。

德国康斯坦茨大学（University of Konstanz）和德国Toptica Photonics公司的Sarah Hutter及其同事最近在表征各种频率梳的特性时，发现了载波包络偏移（CEO）频率的线宽大幅下降的离散工作点——在最极端的情况下，CEO频率的线宽下降到700Hz。这是迄今为止光纤激光器记录到的最小的自由运行的 CEO线宽，因此该研究小组非常希望能更好地了解这一现象。

在 CLEO 2023学术会议上，博士生Sarah Hutter介绍了该研究小组的工作，其为针对特定测量任务而优化的自由运行超精密光学频率梳的设计，提供了明确的指导。

“与主动稳频相比，我们的方法不需要借助外在的昂贵或不易运输的资源，” Sarah Hutter说，“任何类型的主动稳频都有一个有限的锁定带宽，只能在这个特定的频段降低噪声。”

飞秒光学频率梳的设计 

频率梳是一种超短脉冲激光，康斯坦茨大学的研究团队开发的激光系统以光纤为基础，使其尽可能紧凑、稳定和便于运输，而不需要任何特殊的实验室设备。

该激光系统（见图1）采用掺铒光纤作为增益介质，因此，带宽中心位于1550nm （193THz），而振荡器采用的是附加脉冲锁模技术。 

“附加脉冲锁模是一种非谐振锁模方法，利用克尔效应引起的非线性相移，” Sarah Hutter解释说，“而克尔效应是一种非线性光学效应，描述了折射率与光强成正比的变化。”

激光系统的激光腔由一个非线性放大环形镜和一个短程自由空间部分组成，其中包括可调偏振光学器件，用于非互易相位偏差的敏感对准。由于这种非谐振锁模方法不会增加明显的色散，因此激光的色散接近于零。

当 Sarah Hutter 意识到不受泵浦噪声影响的光谱区域取决于泵浦功率和振荡器设计时，她顿时茅塞顿开。

“突然之间，我们所有的观察结果变得有意义了，并且也都可以解释了——这是一种奇妙的感觉。”她说这种感觉就好比终于把5000块拼图中的最后一块拼好了。“我对能够主动选择具有最窄梳线的光谱区域非常感兴趣。这意味着只需改变激光腔内的泵浦功率或光纤长度，就能针对不同的应用优化频率梳。”

而研究团队面临的一大挑战是确定影响光频梳齿的不同相位噪声源，并试图了解泵浦功率、腔内色散和重复率等各种激光参数如何影响仪器的性能。

“为了克服这个问题，我们对相位噪声进行了系统性分析，每次只改变一个参数，” Sarah Hutter说，“因此我们能够建立一个模型，并在超宽带频谱上设计出具有锐利梳齿的频率梳。为了通过实验表征这些超低噪声的频率梳，我们必须找到更稳定的参考激光器。我们将商用单线激光器锁定在光学腔内，从而解决了这个问题。”

广泛的潜在应用

飞秒光学频率梳是科学和工业领域进行高精度测量的关键。康斯坦茨大学研究团队的方法，适用于任何类型的飞秒光学频率梳，它为高精度光谱学、计量学和时域量子物理学之外的诸多潜在应用打开了大门（见图2）。

图2：用于时域量子物理应用的超稳定、紧凑型双分支掺铒光纤激光系统。

“我们希望将这些超稳定光学频率梳应用于时域量子物理学领域，”Sarah Hutter说，“更准确地说，我们的目标是获取亚周期电磁场的量子噪声。”

文/Sally Cole Johnson