基于光谱增强技术实现对532 nm波长激光频率标定*

赵瀚宇 曹士英 戴少阳 杨涛 左娅妮 胡明列

1) (天津大学精密仪器与光电子工程学院,教育部光电子信息技术重点实验室,天津 300072)

2) (中国计量科学研究院,时间频率计量科学研究所,北京 100029)

3) (中国计量科学研究院,国家市场监管重点实验室(时间频率与重力计量基准),北京 100029)

碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器在复现长度单位“米(m)”、绝对重力测量、引力波探测、精密光谱学、长度计量等领域有着重要应用,对其进行频率测量和标定对于激光器的性能评价具有重要意义.本文采用自行研制的掺Er 光纤光学频率梳作为光源,对其扩谱后的1 μm 波段进行光谱增强并结合倍频晶体将光学频率梳输出的1.5 μm 波段光脉冲扩展到532 nm 波段.其中掺Er 光纤光学频率梳输出功率20 mW,首先经过掺Er 光纤放大器将功率提到370 mW,经过脉冲压缩后脉冲宽度为45.7 fs,此后经过高非线性光纤扩谱实现光谱覆盖至1 μm,输出功率为180 mW.扩谱后的1 μm 波段激光经过掺Yb 光纤放大器放大至601 mW,经过压缩后脉冲宽度为84.6 fs,压缩后功率为420 mW.采用MgO:PPLN 晶体对压缩后激光进行倍频得到155 mW的532 nm 激光,倍频效率为36%.利用该系统分别对碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器输出的基频光1064 nm 和倍频光532 nm 进行拍频,获得了优于40 dB 信噪比的拍频信号,后续进行了超过10 h 的连续测量,测量结果与国际推荐值保持一致.

1 引言

高性能激光频率标准在复现长度单位“米(m)”[1]、绝对重力测量[2-4]、引力波探测[5-8]、频率计量[9,10]等领域有着重要应用.20 世纪80 年代,国际计量大会颁布了长度单位“m”的新的定义,并随之推荐了若干条可以复现单位“m”的高精度激光频率标准谱线.其中在长度计量领域应用最广泛的是碘在633 nm 和532 nm 处的跃迁谱线参考.常用的碘稳频633 nm He-Ne 激光器国际推荐值的不确定度为2.1×10-11,同时输出光中具有(6±0.3) MHz的调制频率[11],秒级频率稳定度最高为1×10-11.碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器具有532 nm/1064 nm双波长输出的优势,国际推荐值的不确定度为8.9×10-12[12],采用调制转移光谱技术进行频率锁定时,输出光中无调制[13].

近年来随着光刻机、集成电路制造、引力波探测、冷原子物理等领域的需求牵引,对更高稳定度指标稳频激光的需求日益强烈.碘稳频633 nm 激光已无法满足高端需求,急需进行技术升级和产品换代.与碘稳频633 nm He-Ne 激光器相比,碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器具有的稳定度高、功率高、无调制、光纤输出等诸多优点[13]而倍受关注.碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器在保持高性能指标的同时,开始向工程化、小型化、智能化的方向发展以适应更多应用场景.其中对碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器输出激光的频率监测,不仅可以直接反映激光器本身性能,还有助于对激光器锁定过程中的参数优化.

作为测量激光绝对频率和稳定度的有效工具[14],飞秒光学频率梳,简称“飞秒光梳”,是一种由众多频率稳定并且间隔严格相等的光频梳齿组成的宽带光谱,在时域上表现为一系列等间距的超短脉冲输出,其本质上是脉冲重复频率(fr)和载波包络偏移频率被(f0)精确锁定的飞秒激光器.飞秒光梳有两个基本参数: 重复频率和载波包络偏移频率.只需获得fr和f0两个参数并将其通过相位锁定的方式溯源到微波频率,则频域上第N个梳齿的频率fN可以通过表示为fN=Nfr±f0.此时,对于任何频率的连续激光,只要其频率位于飞秒光梳的光谱覆盖范围之内,就可通过(1)式得到激光频率:

其中fcw是被测激光频率.通过锁相环将fr和f0锁定到微波参考频率上,两者均为微波参考频率设定值.fb为待测激光与飞秒光梳临近梳齿的拍频频率,采用频率计数器进行测量.N为飞秒光梳中与待测激光频率最接近梳齿的序数,可以采用波长计、光谱仪、用吸收谱线参考频率进行确定,也可以通过大范围调节重复频率来获取[15].

20 世纪末,Udem等[16]首次使用超短脉冲测量了铯原子D1谱线的绝对光学频率.2000 年Jones等[17]基于谱线展宽技术研制出了飞秒光梳装置.早期的飞秒光梳主要是基于钛宝石飞秒激光器,其中心波长在780 nm 附近,具有输出功率高、脉冲宽度窄等特点,经过光子晶体光纤(PCF)耦合后可以很容易地实现一个倍频程(500—1000 nm)的光谱输出[18].2002 年Rovera等[19]利用PCF 将钛宝石光学频率梳扩谱获得了530—1064 nm 范围的光谱输出,耦合效率为50%,此后将扩谱后的脉冲分为两路,一路与碘稳频Nd:YAG 激光器的基频光1064 nm 拍频,另一路与倍频光532 nm 光进行拍频,在1064 nm 处的拍频信号信噪比为30 dB,用于对碘稳频激光进行频率测量.2007 年,方占军等[20]利用钛宝石光学频率梳对碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器进行频率测定,利用PCF 将光学频率梳光谱扩展至532 nm 波段,并且得到了30 dB的拍频信号信噪比.2015 年,Kobayashi等[21]采用掺Er 光纤光梳,对硬币大小的碘稳频激光器输出的基频光1062 nm 进行拍频测量,从而获得锁定后倍频光531 nm 的绝对频率.其中,基频光1062 nm与光梳拍频信号信噪比约为30 dB.

近年来,随着光纤制造技术以及光纤通信技术的快速发展,光纤飞秒激光器逐渐取代了钛宝石飞秒激光器成为光学频率梳的主力光源.在众多掺杂稀土元素的光纤中,掺Er 光纤成本低且增益带宽为1.5 μm 波段,在单模光纤中损耗最小.1.5 μm的各种光学器件成本也较低,使其相较于掺Yb 和掺Tm 光纤应用更加广泛.掺Er 光纤飞秒激光器不仅具有成本低、结构紧凑、灵活性高、稳定性高、易于集成化等显著优势,而且输出的光脉冲可以很容易地扩谱至一个倍频程(1100—2200 nm)[22-24].2014 年,刘欢等[24]使用掺Er 光纤飞秒激光器为光源,经过双向抽运掺Er 光纤放大器之后进入周期极化铌酸锂晶体(PPLN)倍频获得中心波长在780 nm、功率为170 mW 的脉冲,将倍频后光脉冲耦合进PCF 扩谱至532 nm 波段与碘稳频532 nm激光器进行拍频,获得了30 dB 的信噪比输出.

采用钛宝石飞秒光学频率梳或经过放大-倍频后的掺Er 光纤光梳结合PCF 光谱展宽,可以获得500—1000 nm 的宽带光谱,并实现对于碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器的频率测量.但由于PCF纤芯较细,加之空间耦合方案[20,24],会导致长时间测量时输出光谱不稳定,引起拍频信号信噪比下降,从而导致大量错误计数.

碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器具有1064 nm基频光输出,因此长时间的测量通常采取测量基频光1064 nm 的方式,通过级联光谱技术可以提升掺Er 光纤光梳扩谱后1 μm 处的功率,以保证基频光1064 nm 的拍频信噪比[25].但对于缺少基频光的其他类型532 nm 激光器的测量则无法适用,还需要在技术上解决飞秒光梳对532 nm 激光的直接频率测量问题.掺Er 光纤光梳直接扩谱形成的1 μm 波长点处功率较低,直接提取此波长点功率进行倍频,理论上可以实现532 nm 激光输出,但由于峰值功率低加之倍频效率低,直接将扩谱后的1064 nm 倍频到532 nm 与激光拍频难度较大.与其他基频光缺少合适的增益光纤不同,1 μm 波段可以级联接入掺Yb 光纤放大器,通过对扩谱后的1 μm 波段光谱进行放大后再倍频,从而提高光学频率梳在532 nm 波长点的输出功率,为后续拍频信噪比的改善提供条件.

基于此,本文在掺Er 光纤光梳的基础上,通过对其中一路进行放大和光谱展宽实现光谱覆盖到1 μm,此后级联掺Yb 光纤放大器,提升1 μm波段输出功率,经过光栅对压缩后实现平均功率420 mW、脉冲宽度84.6 fs 的激光输出,进一步经过PPLN 晶体倍频实现平均功率为155 mW 的532 nm 激光输出.利用该装置分别对碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器输出的基频光1064 nm 和倍频光532 nm 进行拍频,得到了信噪比优于40 dB 的拍频信号,后续进行了超过10 h 的连续测量,测量结果与国际推荐值保持一致.

2 实验装置

2.1 掺Er 光纤光梳

基于光谱增强技术输出532 nm 激光的掺Er光纤光梳测量装置主要包括3 个部分,如图1 所示.第1 部分(图1 中A 部分)为掺Er 光纤光梳的基本结构,包括作为飞秒光梳种子光的基于非线性偏振旋转(NPE)锁模的掺Er 光纤飞秒激光器;第2 部分(图1 中B 部分)为1.5 μm 种子光的功率放大、脉冲压缩、1 μm 波段的光谱展宽及1 μm波段放大;第3 部分(图1 中C 部分)为1 μm 波段脉冲压缩、非线性倍频以及激光拍频.

图1 基于光谱增强技术输出532 nm 激光的掺Er 光纤光梳测量装置图(其中,A 部分为掺Er 光纤飞秒激光器,B 部分为掺Er 光纤放大器、光谱展宽、掺Yb 光纤放大器,C 部分为脉冲压缩器、非线性倍频及与激光拍频.LD1—5为980 nm 激光二极管,WDM 为波分复用器,1∶3 为分束器,EDF 为掺Er 光纤,Col1—8 为准直器,M1—3 为反射镜,ISO 为隔离器,λ/2为半波片,λ/4 为1/4波片,FR 为法拉第旋光器,PZT 为压电陶瓷促动器,FM 为折叠镜,G1,G2 为光栅,PPLN 为周期极化铌酸锂晶体,FL 为聚焦透镜,HRM 为中空屋脊棱镜,Beat module 为拍频模块,fr -servo 为重复频率伺服锁定系统,f0-servo 为载波包络偏移频率伺服锁定系统)Fig.1.Diagram of the frequency measurement of I2-stabilized Nd:YAG laser based on an Er-FOFC with the spectral enhancement technique.Part A is Er-doped fiber femtosecond laser.Part B is EDFA,supercontinuum fiber,YDFA.Part C is pulse compressor,SHG module and beat frequency module.LD1-5 is a 980 nm laser diode.WDM is a wavelength division multiplexer.1∶3 is an 1∶3 beam splitter.EDF is an erbium-doped fiber.Col1-8 is a fiber collimator.M1-3 is a mirror,and ISO is an isolator.λ/ 2 is a half wave plate,λ/ 4 is a 1/4 wave plate.FR is a Faraday rotator.PZT is a piezoelectric transducer.G1,G2 are gratings.PPLN is periodically polarized lithium niobate crystal.FL are spherical lenses.HRM is a hollow ridge prism,and beat module is a beat frequency module.fr -servo is repetition frequency servo locking-loop.f0 -servo is carrier envelope offset frequency servo locking-loop.

掺Er 光纤光梳的光源为σ 腔结构的基于NPE锁模的掺Er 光纤飞秒激光器,采用980 nm 半导体抽运光经过波分复用器件(WDM)耦合进光纤激光腔抽运掺Er 增益光纤产生1.5 μm 激光.在σ 腔结构的激光器中,将σ 腔的一个端镜黏接在PZT 上实现对重复频率的控制.与通过PZT 拉伸光纤的方式实现激光器重复频率控制的方式相比[26],此种方法避免了黏结在PZT 的光纤可能出现塑性形变导致重复频率调节范围变小的风险,而且PZT损坏后易于更换,更有利于光梳的长期稳定运行和后期维护.偏振分光片(PBS1)以及法拉第旋镜(FR)使从准直器Col1 的光经反射镜M1 反射后偏折耦合进准直Col2 形成闭合回路.通过调节三个波片改变腔内激光偏振状态实现NPE 锁模后从PBS2 输出,经反射镜M2 后耦合进Col3 中.从掺Er 光纤飞秒激光器输出的激光经过1∶3 分束器分成多路,分别满足不同的需要.其中两路用于探测飞秒光梳两个信号,其他路可分别进行不同波长扩展,实现不同覆盖范围的光谱输出.

2.2 532 nm 激光的获取

从掺Er 光纤光梳中分束后的一路激光进入后续放大和频率变换模块,用于实现532 nm 的激光输出.首先采用980 nm 半导体激光器(LD2,LD3)抽运掺Er 光纤,对飞秒激光器的种子光进行放大.由于放大级的回光会影响振荡级的锁模稳定性,所以在振荡级和放大级之间加入了隔离器(ISO).经过两级放大后通过单模光纤(SMF-28)以及调节1/2 波片和1/4 波片进行脉宽压缩.压缩后的光耦合进高线性光纤(HNLF)进行扩谱至1 μm.经过可翻转折叠镜(FM),可选择实现1 μm 波长输出,用于与1064 nm 激光拍频,或者进入后续1 μm 放大-倍频部分实现532 nm 波长输出,用于与532 nm 激光拍频.

选择进入后续1 μm 放大-倍频部分的激光,首先进入掺Yb 光纤放大器对扩谱后的种子光进行1 μm 波段的放大,其抽运源仍采用980 nm 半导体抽运光(LD4,LD5).经两级放大后从Col8 输出.由于1 μm 波段无法用光纤补偿放大器引入的正色散,故在光脉冲从Col8 输出经过1 μm 波长的1/2 波片后采用光栅对进行脉宽压缩,1/2 波片的设置是为了调整光束偏振以达到最佳的衍射效率.光栅对(G1,G2)选用刻痕为1000/mm,闪耀波长在1 μm 的透射式闪耀光栅,两个闪耀光栅厚度均为1 mm.光从Col8 输出后经过光栅对后被中空屋脊棱镜(HRM)反射,从略低于原来的位置反射,按原光路再次经过光栅对,完成脉冲压缩的过程.压缩后的脉冲经反射镜(M3)反射经过焦距为30 mm 的聚焦透镜(FL)聚焦到PPLN 晶体倍频产生中心波长为532 nm 的脉冲,再经过焦距为30 mm 的准直透镜(FL)后进入拍频模块.

2.3 激光拍频模块

激光拍频模块主要是将光学频率梳输出的激光和被测连续激光合束到光电探测器,并利用频谱分析仪记录拍频信号的信噪比,利用频率计数器记录拍频信号的频率.掺Er 光纤光梳与碘稳频激光器输出激光的拍频模块如图2 所示.

图2 激光拍频模块图 (其中,Comb 为光学频率梳,CW 为待测连续光,λ/2 为半波片,PBS 为偏振分光棱镜,G 为光栅,PD 为光电探测器,LPF 为低通滤波器,AMP 为信号放大器,Frequency counter 为微波频率计数器)Fig.2.Beat mote module.Comb is an optical frequency comb,and CW is the continuous wavelength laser to be measured.λ/ 2 is a half wave plate.PBS is a polarizing beam splitter prism.PD is a photodetector.G is a grating.LPF is a low-pass filter.AMP is an optical amplifier.Frequency counter is a microwave frequency counter.

对于1064 nm 和532 nm 激光的测量,拍频模块除了器件对应波段不同之外其余完全相同.两路激光在PBS 合束之前,分别经过各自1/2 波片调整偏振状态后,在经过偏振分光镜实现光路的空间重合.为了降低光电探测过程的散粒噪声,使用衍射光栅将不同频率成分的激光在空间上分离,选择待测激光的波长滤波后进入光电探测器进行拍频信号测量.

3 实验结果

掺Er 光纤飞秒光梳的核心部分——飞秒激光器,采用980 nm 激光二极管抽运.激光二极管LD1输出980 nm 激光通过WDM 进入光纤激光器腔内抽运增益光纤(Er110-4-125,LEIKKI),其增益系数110 dB/m,群速度色散约为+0.012 ps2/m.在1 W 的功率抽运下,掺Er 光纤激光器在未锁模运转状态下PBS2 直接输出功率130 mW.WDM两端尾纤各保留5.5 cm 和8.5 cm,两准直器尾纤分别为17 cm 和19 cm,增益光纤为37 cm,两准直器间的光程为17.5 cm.锁模后激光器的重复频率为200 MHz,PBS2 直接输出功率70 mW,经准直器Col3 耦合后输出功率为67 mW.锁模后的光谱如图3 所示,其3 dB 带宽为79.5 nm.

图3 掺Er 光纤飞秒激光器输出光谱Fig.3.Spectrum of the Er-doped fiber femtosecond laser.

在重复频率和载波包络偏移频率探测的基础上,通过频率锁定技术[26],可实现激光器重复频率和载波包络偏移频率超过30 天的长时间连续锁定[27].重复频率的锁定通过控制掺Er 光纤飞秒激光器中的PZT 实现,PZT 在100 V 电压驱动下,调节范围为1.8 kHz;载波包络偏移频率的锁定通过控制掺Er 光纤飞秒激光器的抽运源——激光二极管LD1 的驱动电流实现,其伺服带宽30 kHz,对载波包络偏移频率的调谐曲线为1 MHz/mA,调谐范围约为60 MHz.过大的调谐范围会由于抽运电流变化引起激光器状态改变,进而导致f0信噪比下降.锁定后重复频率的平均值为200 MHz,标准偏差为0.356 mHz.锁定后载波包络偏移频率的平均值为20 MHz,标准偏差为0.923 mHz.

从掺Er 光纤光梳中飞秒激光器分束后的其中一路进入后续放大模块,用于实现532 nm 的激光输出.飞秒激光脉冲通过一分三耦合器,耦合进1550 nm 放大器的种子光约20 mW.掺Er 光纤放大器共两级放大,均采用后向抽运方式,980 nm激光二极管LD2 与LD3 最大输出功率分别为978 mW 与961 mW.第一级放大器中增益光纤长度为70 cm,在978 mW 抽运下种子光功率可以放大到200 mW.第二级放大中增益光纤长度为60 cm,在961 mW 抽运下种子光功率可以放大到370 mW.

为了满足后续1 μm 放大要求,需要尽可能地拓宽超连续光谱,而超连续光谱的拓展的关键在于脉冲的功率以及脉冲宽度.由于在两级掺Er 光纤放大器中所用的增益光纤和WDM 尾纤均为正色散,因此利用负色散的单模光纤SMF-28 来补偿正色散所带来的光谱展宽.通过不断调整WDM 尾纤以及Col4 的尾纤长度,调节1/2 波片和1/4 波片组,最终把脉宽可以压缩到了45.7 fs.压缩后的强度自相关曲线如图4 所示,脉冲形状符合双曲正割曲线.

图4 种子光放大压缩后脉冲的自相关曲线Fig.4.Autocorrelation trace of the dechirped pulse after the Er-fiber amplifier.

压缩后的光脉冲通过Col5 耦合进HNLF 中,耦合后准直器Col5 输出359 mW,耦合效率约为97%,选用的HNLF 零色散点在1550 nm 附近.HNLF 的扩谱效果不仅仅与脉宽有关,光束的偏振状态和长度也会影响扩谱的效果.通过调整Col5 的尾纤长度以及HNLF 长度以及旋转1/2 波片和1/4 波片组合达到最佳扩谱效果.经过优化后Col5 的尾纤长度为20 cm,HNLF 长度为46 cm.展宽后的超连续光谱覆盖到了1000 nm,如图5 所示.扩谱后输出脉冲平均功率为180 mW.

图5 经高非线性光纤扩谱后超连续光谱Fig.5.Supercontinuum spectrum after high nonlinear optical fiber.

扩谱后的光进入到掺Yb 光纤放大器对其中的1 μm 波段激光进行放大.掺Yb 光纤放大器采用两级放大结构,均采用后向抽运方式.为了保护两级放大器抽运源(LD4,LD5)抽运,在WDM 和抽运源之间加入了980 nm 光隔离器.LD4 和LD5经过光隔离器后的最大输出功率分别为900 mW和865 mW.两级放大器采用的掺Yb 增益光纤(SCF-Yb550/125-19)长度分别为27 cm 和23 cm.经过第一级放大后,脉冲的平均功率提到了390 mW,此后在经过第二级放大器后,平均功率达到601 mW.经过两级掺Yb 放大器后所获得的光谱如图6(a)所示,从光谱图可以看出被放大的波段覆盖至1064 nm,达成了倍频至532 nm 所需要的条件.采用透射式闪耀光栅对进行1 μm 的脉冲进行压缩,闪耀光栅对光栅常数为1000 线/mm,入射角度约为32°,光栅对距离为1.2 cm.压缩后光脉冲平均功率为420 mW,压缩后脉宽84.6 fs,其强度自相关曲线如图6(b)所示,脉冲形状符合双曲正割拟合.

图6 1 μm 波段激光放大及压缩后曲线(a) 经掺Yb 光纤放大后的光谱图;(b) 光栅对压缩后脉冲自相关曲线Fig.6.Spectra and autocorrelation traces the dechirped pulse after the Yb-fiber amplifier: (a) Spectra;(b) autocorrelation trace.

压缩后脉冲经反射镜进入PPLN 晶体进行倍频.系统中采用的PPLN 晶体为多通道结构,晶体周期6.97 μm,晶体通光截面尺寸为0.5 mm×1 mm.为了提升倍频效率以获得尽可能高的532 nm脉冲功率,PPLN 通光长度为10 mm,晶体前后表面分别镀有对1064 nm 和532 nm 中心波长的宽带减反膜,反射率小于1%.在PPLN 上加装了温控装置,以调节倍频光的中心波长,温控装置调节范围20—95 ℃,调节精度0.01 ℃,最终在温控装置设置温度61.25 ℃时倍频光输出波长覆盖532 nm,如图7 所示.倍频脉冲平均功率155 mW,倍频效率约为36%.

将掺Er 光纤光梳获得的532 nm 激光与碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器的532 nm 倍频光耦合进入拍频模块进行拍频,经过系统优化在分辨率带宽(RBW)为100 kHz 的条件下,可以很容易实现40 dB 信噪比的拍频信号,如图8(a)所示.与采用将放大后种子光经PPLN 倍频后耦合进PCF 直接扩谱覆盖到532 nm 波段进行拍频的结果相比[24],信噪比提升了13 dB,并且在几天的连续监测过程中未发现有信噪比下降的风险.这说明采用本方案不仅可以获得高信噪比的拍频信号,更重要的是可以形成信噪比非常稳定的拍频信号,有利于后续对稳频激光器的长期的频率监测.

图8 掺Er 光纤光梳与碘稳频532 nm 激光器拍频信号(a)与倍频光532 nm 激光拍频信号;(b)与基频光1064 nm激光拍频信号Fig.8.Beat note signal between the Er-FOFC and an I2-stabilized Nd:YAG laser: (a) Beat note signal at 532 nm;(b) beat note signal at 1064 nm.

为了更有效地对比532 nm 波段的频率测量结果,在光梳光经HNLF 后使用折叠镜分出一路脉冲,与小型化碘稳频532 nm 激光器的基频光1064 nm 波段耦合进拍频装置进行拍频,拍频信号如图8(b)所示,在RBW 为100 kHz 条件下,信噪比优于40 dB.

4 激光测量结果

考虑到光学频率梳测量结果的可溯源性,本系统以国家时间频率基准——激光冷却铯原子喷泉钟(NIM5)为信号,通过其定期校准的10 MHz 氢钟信号作为光学频率梳的参考信号,也可以通过溯源到国际单位制(SI)秒定义的氢钟提供的10 MHz信号作为光学频率梳的参考信号.前者形成独立自主的激光波长向国家时间频率基准的溯源,后者实现激光波长向SI 秒定义的溯源,均形成了激光波长与时间频率基准的连接.氢钟输出10 MHz 标准频率信号,1 s 频率稳定度优于1×10-13,氢钟到SI秒定义链路不确定度优于5×10-16.

碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的国际推荐频率值为(563260223513±5) kHz,不确定度为8.9×10-12.被测碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器是中国计量科学研究院自行研制的稳频激光标准.激光器为半导体抽运Nd:YAG 半非平面单块环形激光器,倍频晶体为单次通过PPKTP,可输出2 W的1064 nm 基频光和100 mW 的532 nm 倍频光.为了验证测量结果,采用分别测量基频光1064 nm和倍频光532 nm 绝对频率的方式获得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的频率值.

在利用单次测量倍频光532 nm 绝对频率的方式获得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的频率值时,掺Er 光纤光学频率梳重复频率fr的锁定值为199969.97 kHz,载波包络偏移频率f0的锁定值为20000 kHz.由于在测量倍频光532 nm 绝对频率时,采用的是光学频率梳基频光倍频的方式获取532 nm 波段输出,所以在计算频率时载波包络偏移频率f0的前面要乘以系数2.频率计数器记录拍频频率fb的频率值,采样时间为1 s,总测量时间约为10 h,有效点数38067,如图9(a)所示.拍频频率fb的平均值为70265.271 kHz.碘稳频532 nm激光中声光调制器移频fAOM为-40000 kHz.由碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的国际推荐频率值估算的梳齿序数为N=2816724.在判断f0和fb前符号的基础上,通过记录fb值,利用(1)式可以得到待测激光的绝对频率.此后,去除待测激光中声光调制器移频后,可以得到碘127I2的a10峰R(56)32-0 吸收线的频率值为563260223513 kHz,测量相对扩展不确定度为2.4×10-15.

图9 掺Er 光纤光梳与碘稳频532 nm 激光器拍频信号计数结果(a) 与倍频光532 nm 激光拍频信号计数结果;(b) 与基频光1064 nm 激光拍频信号计数结果Fig.9.Beat note signal counting results between the Er-FOFC and an I2-stabilized Nd:YAG laser: (a) Beat note signal counting result at 532 nm;(b) beat note signal counting result at 1064 nm.

在利用单次测量基频光1064 nm 绝对频率的方式获得碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的频率值时,掺Er 光纤光学频率梳重复频率fr的锁定值为199969.9593 kHz,载波包络偏移频率f0的锁定值为20000 kHz.频率计数器记录拍频频率fb的频率值,采样时间为1 s,总测量时间约为16 h,有效点数59239,如图9(b)所示.拍频频率fb的平均值为20063.161 kHz.碘稳频532 nm 激光中声光调制器移频-40000 kHz,折合到基频光1064 nm移频为-20000 kHz.由碘127I2的a10峰R(56) 32-0吸收线的国际推荐频率值估算的梳齿序数为N=1408362.在判断f0和fb前符号的基础上,通过记录fb值,利用(1)式可以得到待测激光的绝对频率.此后,去除待测激光中声光调制器移频后,可以得到碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的频率值为563260223513 kHz,测量相对扩展不确定度为1.9×10-15.

从测量结果可以看出,无论是采用对碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器的基频光1064 nm 还是倍频光532 nm 的频率测量,所得到的碘127I2的a10峰R(56) 32-0 吸收线的频率值均在国际推荐值的不确定度范围之内.两次测量结果的微小差异由于采用的是非同时测量引入,从国际推荐值的不确定度范围考虑,可以予以忽略.

5 总结

本文主要介绍了掺Er 光纤光学频率梳向532 nm波段的扩展的研究工作,在自行搭建的掺Er 光纤NPE 锁模飞秒激光器引出一路做放大-压缩-扩谱-放大-压缩-倍频的光谱扩展方案,完成了1550 nm波段的光梳光谱向532 nm 波段的扩展,1550 nm波段放大后输出平均功率370 mW,扩谱后平均功率180 mW,再次经过1 μm 波段放大后输出功率601 mW,经过光栅对压缩后功率420 mW,再经过PPLN:MgO 光谱成功覆盖532 nm 波段,功率为155 mW.利用该系统分别对碘稳频532 nm Nd:YAG 激光器输出的基频光1064 nm 和倍频光532 nm进行拍频,均获得了优于40 dB 信噪比的拍频信号,后续进行了超过10 h 的连续测量,测量结果与国际推荐值保持一致.

对碘稳频532 nmNd:YAG 激光器进行频率标定,不仅有助于对复现“m”的定义,将长度单位“m”溯源至“s”,也可以满足在自由落体型绝对重力仪系统中,重力基准溯源体系下面的频率/长度标准溯源系统长度标准溯源装置的建设需求.对于其他波段激光器如515 nm,也可用类似本文提出的方法获得高信噪比且稳定的拍频信号,推进我国在光钟以及绝对重力探测领域的研究发展.