钛蓝宝石激光器原理图(激光器泵浦源工作原理)

钛蓝宝石激光器原理图

假如你有一个频率源,频率极高,频率精度极高,频率稳定度极高,而且可以同时产生无数个这样的频率,你会用它来干什么。

fn代表光梳梳齿;frep是重复频率或者说梳齿间距;fceo是载波包络相移频率,有时也被叫做偏移频率或者初始频率f0。

如果T发生变化,光梳就会在频谱上出现放缩,如果Tceo发生变化,整个光梳就发生偏移。之所以要说明这两点是因为我们要介绍真实的光梳实现结构了。

一般地,把重复频率和载波包络相移频率都稳定之后的脉冲激光器叫做光学频率梳(简称光梳),光梳的频谱看上去就像一个梳子一样,故此得名。

激光器泵浦源工作原理

只有看到这部分,我们才能真正地感受到光梳的强大,它在各种高要求高精度领域都有广泛的应用。我们先看下面这张图

对于f0,我们采用特殊结构的光纤(光子晶体光纤或高非线性光纤)光谱展宽超过一个倍频程,可以得到2n*frep+f0,再使用光学倍频技术将fn的信号倍频得到2*(n*freq+f0),讲这两个信号做一个拍频就得到f0。下图可以比较清晰地展示该原理。

上图为光学原子钟的基本结构示意图。伺服系统使激光频率ν尽可能保持在吸收线的中心频率ν0。图中的插图分别是一个离子阱(左)和一个光学晶格(右),分别用于存储单个离子或大量中性原子。在频率梳中对激光频率ν进行分频,以导出射频νout或秒脉冲。S表示探测到的吸收谱线信号。

光频梳产生的原理会有些复杂,而且很多文章都是从光学的角度出发的,对学电子人理解起来不是很友好,今天我就借鉴这个飞秒激光频率梳视频中的思路来讲。

激光器的基本结构图

不难发现,时钟精度的提升主要得益于它们振荡频率的提升:石英钟的振荡频率在32768≈3.3⋅10^4Hz,铯微波原子钟的振荡频率在9192631770≈9.2⋅10^9Hz,而锶光学原子钟的振荡频率是429228004229873≈4.3⋅10^14Hz.

其稳定度可以达到-16次方,假设我们平常使用的晶振的频率稳定度为10ppm,换算过来也就是-5次方,云泥之别。

年,法国巴黎天文台LNE-SYRTE使用Menlo的FC1500-ULN光学频率梳实现了世界纪录级的超低相噪12GHz微波源

最初的光学频率梳由钛蓝宝石(Ti∶Sapphire)和光纤激光为主导,但基于二极管激光泵浦的全固态激光器(DiodePumpedSolid-StateLasers,DPSSL)的飞秒固态光频梳结合了上述两种光频梳技术的优势,已成为光频梳领域的一个重要分支。下图是一个固态光梳的结构图