Οι χτένες οπτικών συχνοτήτων υψηλής ισχύος διαδραματίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στη μη γραμμική φασματοσκοπία ακριβείας, στη δημιουργία χτενών οπτικής συχνότητας ακραίων υπεριωδών ακτίνων, στην έρευνα πυρηνικού και ατομικού ρολογιού κ.λπ. Τα λέιζερ femtosecond ινών είναι η προτιμώμενη λύση για την υλοποίηση χτενών οπτικής συχνότητας υψηλής ισχύος λόγω των πλεονεκτημάτων απλής δομής, σταθερής απόδοσης και εύκολης ενίσχυσης. Ωστόσο, λόγω του αναπόφευκτου θορύβου αυθόρμητης εκπομπής (ASE), του θορύβου έντασης της αντλίας, της υποβάθμισης της φασματικής συνοχής και του τρεμούλιασμα φάσης που προκαλείται από τη διαδρομή φωτός στην ενίσχυση λέιζερ ινών, η σταθερότητα συχνότητας της οπτικής χτένας επηρεάζεται σοβαρά. Ως εκ τούτου, είναι μια πρόκληση η απόκτηση σταθερότητας υψηλής συχνότητας με ενίσχυση υψηλής ισχύος.
Για την αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, με βάση τη μακροπρόθεσμη έρευνα τεχνολογίας χτένας οπτικών συχνοτήτων, η ομάδα L07 του Key Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, China Academy of Sciences / Εθνικό Ερευνητικό Κέντρο του Πεκίνου για τη Φυσική της Συμπυκνωμένης Ύλης, παρουσίασε διαδοχικά τις τεχνικές λύσεις της υιοθέτησης της πηγής σποράς οπτικών ινών χαμηλού θορύβου, της γραμμικής ενίσχυσης παλμών με κελαηδήματα και της ενδοκοιλιακής ηλεκτροοπτικής κρυστάλλου γρήγορης διαμόρφωσης φάσης, κ.λπ., και της δημιουργίας του υπερσυνεχούς φάσματος υψηλής συνοχής από την έλκουσα κωνική φωτονική κρυσταλλική ίνα και συνδυασμός με Ο ενσωματωμένος δομικός σχεδιασμός, ο έλεγχος θερμοκρασίας, η απομόνωση κραδασμών και άλλα μηχανικά σχέδια έχουν μειώσει αποτελεσματικά τον θόρυβο της χτένας οπτικής συχνότητας. Πρόσφατα, ο Hainian Han, συνεργάτης ερευνητής στην ομάδα, και ο Xiaodong Shao, μεταδιδακτορικός συνεργάτης, πέτυχαν περαιτέρω σταθερότητα συχνότητας εκτός δακτυλίου της τάξης των 10-19/1000s σε 20W υψηλής μέσης ισχύος χτένα συχνότητας οπτικών ινών. Αυτό είναι γνωστό ότι έχει φτάσει στη σταθερότητα συχνότητας των σημερινών καλύτερων οπτικών ατομικών ρολογιών και είναι επίσης το βέλτιστο αποτέλεσμα που έχει επιτευχθεί με χτένες οπτικής συχνότητας υψηλής ισχύος μέχρι στιγμής. Το Σχήμα 1 δείχνει το σχηματικό διάγραμμα των δύο πανομοιότυπων πρωτοτύπων μηχανικής χτένας οπτικών ινών υψηλής ισχύος που αναπτύχθηκαν και τη σύγκριση εξω-δακτυλιοειδούς διπλής οπτικής χτένας για τη μέτρηση της σταθερότητας συχνότητας.
Ένας αυτο-κατασκευασμένος μη γραμμικά πολωμένος ταλαντωτής ινών λέιζερ με περιστροφική λειτουργία κλειδώματος (NPR) χρησιμοποιήθηκε ως πηγή παλμού σποράς femtosecond στη μελέτη και μια έξοδος λέιζερ υψηλής ισχύος femtosecond με μέση ισχύ μεγαλύτερη από 20 W και πλάτος παλμού 75 Το fs λήφθηκε μετά από γραμμική ενίσχυση παλμών με κελαηδίαση ινών (CPA). Η σταθερότητα κλειδωμένης συχνότητας της συχνότητας μετατόπισης φάσης φακέλου φορέα (CEO) είναι 1,5×10-17/s. Στο κλείδωμα οπτικής συχνότητας, οι παλμοί femtosecond που εξάγονται από διαφορετικούς κλάδους του ταλαντωτή και του ενισχυτή αξιοποιούνται με το υπερσταθερό λέιζερ αναφοράς ξεχωριστά και εάν το σήμα του ενισχυτή χρησιμοποιείται για το κλείδωμα, η μετρούμενη σταθερότητα συχνότητας της υψηλής ισχύος ο ενισχυμένος δακτύλιος λέιζερ μπορεί να φτάσει το 2×10-18/s, ενώ στην περίπτωση μόνο του CPA, η σταθερότητα συχνότητας μπορεί να φτάσει το 2×10-18/s και στην περίπτωση μόνο του CPA, η συχνότητα η σταθερότητα μπορεί να φτάσει τα 2×10-18/s. -18/s, ενώ στην περίπτωση κλειδώματος μόνο της εξόδου παλμού femtosecond από τον ταλαντωτή, εάν ο ενισχυτής επιτρέπεται να λειτουργεί ελεύθερα, η σταθερότητα συχνότητας μπορεί να φτάσει μόνο 10-15/s, που είναι τρεις τάξεις μεγέθους χειρότερο. Η ανάλυση φάσματος ισχύος θορύβου δείχνει ότι ο ενισχυτής εισάγει μεγάλη ποσότητα θορύβου χαμηλής συχνότητας, ο οποίος έχει σημαντική επίδραση στη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της συχνότητας χτενίσματος οπτικής συχνότητας και η διαφορά είναι ακόμη και τέσσερις τάξεις μεγέθους σε χρόνος πύλης 1000 s, όπως φαίνεται στο Σχ. 2 (α). Επιπλέον, τα αποτελέσματα της ανάλυσης θορύβου φάσης, που χαρακτηρίζει τη βραχυπρόθεσμη σταθερότητα της συχνότητας, δείχνουν επίσης ότι μετά από μια σειρά μέτρων ελέγχου του θορύβου, ο θόρυβος υψηλής συχνότητας που εισάγεται από τον ενισχυτή είναι πολύ μικρός και δεν επηρεάζει την βραχυπρόθεσμη σταθερότητα του συστήματος.
Προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση σταθερότητας συχνότητας αυτής της χτένας οπτικής συχνότητας υψηλής μέσης ισχύος σε πρακτικές εφαρμογές, δύο χτένες συχνότητας λέιζερ υψηλής ισχύος 20W μετρώνται για πρώτη φορά σε αυτή τη μελέτη. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων δείχνουν ότι η τυπική τιμή σταθερότητας της συχνότητας εκτός δακτυλίου είναι 4,35×10-17/s σε χρόνο ολοκλήρωσης 1 s και μειώνεται σε 6,54×10-19 σε χρόνο ολοκλήρωσης 1000 s, όπως φαίνεται στο Σχ. 2(β), το οποίο θα ανοίξει νέες πόρτες για πολλές εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ισχύ και σταθερότητα υψηλής συχνότητας οπτικών χτενών. Αυτή η πρόοδος της έρευνας δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Optics Express με τον τίτλο "High power optical frequency comb with 10-19 frequency instability" (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Ο πρώτος συγγραφέας του άρθρου είναι ο Xiaodong Shao και οι συνεπιβλέποντες είναι οι Zhiyi Wei και Hainian Han. Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Πιλοτικό Πρόγραμμα της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (XDA1502040404, XDB210104004) και το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Μια χτένα συχνότητας οπτικών ινών υψηλής ισχύος 20W με σταθερότητα συχνότητας εξω-δακτυλιοειδούς 10-19ης τάξης.
Εικ. 1 (α) Φωτογραφία του κατασκευασμένου αρχικού πρωτοτύπου της χτένας οπτικών ινών υψηλής ισχύος, (β) Σχηματικό διάγραμμα της μέτρησης της σταθερότητας της συχνότητας εκτός δακτυλίου της χτένας οπτικής συχνότητας υψηλής ισχύος
Εικ. 2 (α) Σταθερότητα συχνότητας του ταλαντωτή και του ενισχυτή κλειδωμένα χωριστά, (β) Σταθερότητα συχνότητας χτένας οπτικής συχνότητας υψηλής ισχύος με σύγκριση εκτός δακτυλίου
