全光纤超快激光器及光学频率梳

飞秒光学频率梳，简称“飞秒光梳”或“光梳”。光梳在频率域和时间域上均表现为等间距离散的梳齿，相当于数十万台的相位相互锁定的单频激光器共线同步输出。光梳频谱覆盖范围极广且单个梳齿线宽极窄，兼具赫兹量级的频率稳定度和飞秒量级的时间分辨率。如同米尺可用来测量距离一样，光梳可用来测量光学频率，每个梳齿即是频率尺上的刻度。光梳为微波频标、原子频标、光频标等多种频率标准提供了链接桥梁，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学领域提供了理想的测量工具。

光学频率梳基本架构

光梳的基本构架为锁模激光器，需要将锁模脉冲的重复频率fr和载波位相零频f0溯源至基准频率。2013年以前，光梳大多是基于钛宝石或掺稀土元素晶体的全固态光梳，或是基于非保偏光纤构建的光纤光梳，而这些光梳仅能在恒温恒湿的实验室环境运行，且需要频繁维护，不适应外场环境。因此，探索锁模激光器全保偏光纤化，确保脉冲的非线性演化进程不受外界环境干扰，成为实现光梳长期连续稳定运转的核心问题。此外，通过选取不同种类的掺杂光纤，光纤光梳可以实现比钛宝石光梳更宽范围的光谱输出，如1.0 μm波段的掺镱光纤光梳可覆盖600-1400 nm，1.5 μm波段的掺铒光纤光梳可覆盖1000-2200 nm，2.0 μm波段的掺铥光纤光梳可覆盖1350-2700 nm。

通常情况下，光纤光梳包括锁模光纤激光器、光功率放大器、脉冲压缩器、超连续谱单元、f-2f干涉仪、fr和f0信号锁相环。其中，锁模光纤激光器用于产生初始的低能量脉冲种子光；光功率放大器将种子光脉冲的平均功率进行提升；脉冲压缩器在时域上压窄脉冲宽度，提升脉冲峰值功率；超连续谱单元通过光子晶体光纤或高非线性光纤将脉冲光谱拓展至超过1个倍频程；而后，f-2f干涉仪将超连续谱的低频成分倍频并与高频成分进行拍频；采用光电探测器获取f0信号和fr信号，并将它们与参考时钟源比较得到误差信号，再经电子电路处理并反馈至锁模光纤激光器的相应部件上。

控制激光器重复频率的方法

采用压电陶瓷（PZT）

仅对锁定fr而言，可采用压电陶瓷（PZT）控制激光谐振腔的几何长度，或通过抽运调制非线性（pump-induced Refractive Index Change, RIC）控制腔内传输介质的折射率。PZT具有体积小、分辨率高、推力可选、不发热等优势。

目前，基于PZT的重复频率锁定精度一般在毫赫兹。然而，利用PZT控制激光器重复频率的方案存在一些不足，比如位移迟滞非线性和蠕变效应、需要较高的操作电压、环境扰动比较敏感等等。

RIC技术

RIC技术是通过控制有源光纤上的抽运功率，调节增益光纤上能级反转粒子数以及激光增益，从而影响腔内脉冲的峰值功率和光谱宽度，并进一步影响高阶色散、自陡、非线性频移、群速度色散等，最终综合影响激光器的重复频率。在保偏光纤激光器中，采用RIC技术已实现了低至数十微赫兹的重复频率锁定精度。图1所示为采用RIC技术在基于非线性放大环镜锁模的掺铒光纤激光器上实现的重复频率锁定结果，1s积分时间下重复频率锁定标准偏差为77μHz。与PZT技术相比，RIC技术无须给锁模激光器增加机械部件，易于实现全光纤化。不足之处在于RIC技术尚无法实现fr和f0的同时锁定，仅适fr或f0的单一频率锁定。

图1 RIC技术的重频锁定精度

主动和被动锁定f0

对锁定f0而言，可采用主动和被动两种方式。主动方式是利用f-2f干涉仪获得f0信号后，主动反馈至控制锁模激光器的部件上，如调制抽运光抽运源，这一点与RIC技术类似。被动方式主要是通过非线性差频消除两个同源脉冲的相位漂移。该方法是将源于一台激光器的飞秒脉冲进行非线性频率变换（如光参量或超连续谱），选取谱带中的高频和低频进行光学差频，即产生载波相位自稳定的超短脉冲。被动方式无需复杂反馈回路，频率锁定精度没有主动方式高。f0信号的强度、位置、线宽等指标与振荡器腔内脉冲演化进程密切相关。通过控制振荡器的抽运功率和腔内脉冲的偏振态，或利用声光移频器进行前馈控制均可实现f0信号的锁定。图2为在非线性放大环镜锁模的掺铒光纤激光器上实现的偏频锁定结果。目前，在±2℃在实验室环境下，f0锁定时长超过1周。

图2 闭环情况下载波包络偏移频率，频率扫描范围200 kHz，频率分辨率为100 Hz

光纤光梳产业化发展

光纤光梳光源特别是光纤超短脉冲激光器产品化的发展趋势和应用领域日益清晰。国外早在2000年左右就开始了超短脉冲光纤激光器产品化的探索工作，并涌现出如Menlosystems、Toptica、IMRA等知名公司。德国Menlosystem公司是全球领先的光梳光源供应商，推出了多个版本的光纤光梳光源，包括紧凑型光梳、低噪声光梳、中红外光梳等产品型号。德国Toptica公司于2004年起建立超快光纤激光体系，现已将业务拓展到光梳领域，结合光学差频方法，可提供420 nm至2200 nm波段范围内选择输出。

近十年，在国家科技和产业政策的引导下，华东师范大学、西安光机所、国家授时中心等高校科研院所逐步开始了光纤光梳的工程样机开发。另一方面，国内的超快激光器公司也如雨后春笋式爆发，如朗研科技、安扬激光、国神光电、频准激光等专注于超快激光器的公司，以及大族激光、华日激光、德龙激光等激光加工设备企业都相继推出了超快激光器产品。上海朗研光电科技有限公司（朗研科技）在国家重大仪器专项项目和国家重点研发计划项目的支持下，以“产学研”的形式开发包括XFiber Elite/Pro/Advance、SyncLaser等多个系列的超快激光器产品，以及XFFC系列光纤光学频率梳。

图3 上海朗研光电创新研发的光学频率梳及超快激光光源仪器，具有光机电一体化集成、稳定性高的特点，内置软件可实现输出远程控制。

在应用端需求的牵引下，在多种差异化的光纤激光器结构和桌面化系统的基础上，朗研科技研发的超快激光器通过了多家第三方单位的严苛测试，如高低温循环测试、三维振动测试、高空跌落测试、长途运输测试等。光源产品在工业加工生产线7×24小时不间断运转超过2年以上。

随着中国装备制造业的迅猛发展，全球超快激光技术和应用爆发式增长，特别表现在工业精细加工、晶圆隐形切割、玻璃切割、疾病诊断和治疗、THz产生和探测、生物医学双光子或Cars显微成像、激光直写和3D打印、基础科学研究等领域。目前，光纤超快激光器的产业化形式十分乐观，中低功率核心器件已基本实现国产化，高功率器件在未来的几年内也日趋成熟，逐步达到量产规模。但目前，光纤超快激光器（特别是光学频率梳）的装调方式尚处于全手工阶段，各大公司的量产能力尚待提升。因此，系统整机售价的降低、更大规模应用的开发尚需时日。

作者简介

郝强1，沈旭玲2，曾和平1,2

1上海现代光学系统实验室，光学信息与计算机工程学院，上海理工大学

2精密光谱科学与技术国家重点实验室，华东师范大学

封面图来源：

http://www.xhylaser.com/view_1129.html