Les peignes de fréquence optique haute puissance jouent un rôle très important dans la spectroscopie de précision non linéaire, la génération de peignes de fréquence optique ultraviolette extrême, la recherche sur l'horloge nucléaire et atomique, etc. Les lasers femtosecondes à fibre sont la solution préférée pour réaliser des peignes de fréquence optique haute puissance en raison des avantages de structure simple, de performances stables et d'amplification facile. Cependant, en raison du bruit inévitable d'émission spontanée (ASE), du bruit d'intensité de pompe, de la dégradation de la cohérence spectrale et de la gigue de phase provoquée par le trajet de la lumière dans l'amplification laser à fibre, la stabilité de fréquence du peigne optique est sérieusement affectée. Il est donc difficile d’obtenir une stabilité à haute fréquence tout en ayant une amplification de puissance élevée.
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, sur la base de la recherche à long terme sur la technologie des peignes de fréquence optique, le groupe L07 du Laboratoire clé de physique optique, Institut de physique, Académie chinoise des sciences/Centre national de recherche de Pékin pour la physique de la matière condensée, a successivement proposé les solutions techniques consistant à adopter la source d'amorçage de fibre optique à faible bruit, l'amplification d'impulsions à gazouillis linéaire et la modulation de phase rapide de cristal électro-optique intracavité, etc., et à générer le spectre de supercontinuum à haute cohérence par la fibre de cristal photonique à cône de traction et à la combiner avec La conception structurelle intégrée, le contrôle de la température, l'isolation des vibrations et d'autres conceptions techniques ont efficacement réduit le bruit du peigne de fréquence optique. Récemment, Hainian Han, chercheur associé au groupe, et Xiaodong Shao, chercheur postdoctoral, ont atteint une stabilité de fréquence hors anneau de l'ordre de 10-19/1 000 s sur une puissance moyenne élevée de 20 W. peigne de fréquence à fibre optique. On sait que cela a atteint la stabilité de fréquence des meilleures horloges atomiques optiques actuelles, et constitue également le résultat optimal obtenu jusqu'à présent par les peignes de fréquence optique de haute puissance. La figure 1 montre le diagramme schématique des deux prototypes d'ingénierie de peigne à fibre optique haute puissance identiques développés et la comparaison de peigne optique double extra-annulaire pour mesurer la stabilité de fréquence.
Un oscillateur laser à fibre à verrouillage de mode rotationnel (NPR) à polarisation non linéaire auto-construit a été utilisé comme source d'impulsions de départ femtoseconde dans l'étude, ainsi qu'une sortie laser femtoseconde haute puissance avec une puissance moyenne supérieure à 20 W et une largeur d'impulsion de 75 W. fs a été obtenu après amplification d'impulsions à modulation de fibre linéaire (CPA). La stabilité de fréquence verrouillée de la fréquence de déphasage de l'enveloppe de la porteuse (CEO) est de 1,5×10-17/s. Dans le verrouillage de fréquence optique, les impulsions femtosecondes émises par différentes branches de l'oscillateur et de l'amplificateur sont exploitées séparément avec le laser de référence super-stable, et si le signal exploité par l'amplificateur est utilisé pour le verrouillage, la stabilité de fréquence mesurée du laser haute puissance l'anneau laser amplifié peut atteindre 2×10-18/s, tandis que dans le cas du CPA uniquement, la stabilité de fréquence peut atteindre 2×10-18/s, et dans le cas du CPA uniquement, la fréquence la stabilité peut atteindre 2×10-18/s. -18/s, alors que dans le cas du verrouillage uniquement de la sortie d'impulsion femtoseconde de l'oscillateur, si l'amplificateur est autorisé à fonctionner librement, la stabilité de fréquence ne peut atteindre que 10-15/s, soit trois ordres d'une ampleur pire. L'analyse du spectre de puissance du bruit montre que l'amplificateur introduit une grande quantité de bruit basse fréquence, ce qui a un effet significatif sur la stabilité à long terme de la fréquence du peigne de fréquence optique, et la différence peut même atteindre quatre ordres de grandeur à un temps de porte de 1 000 s, comme le montre la figure 2 (a). De plus, les résultats de l'analyse du bruit de phase, qui caractérise la stabilité à court terme de la fréquence, montrent également qu'après une série de mesures de contrôle du bruit, le bruit haute fréquence introduit par l'amplificateur est très faible et n'affecte pas le stabilité à court terme du système.
Afin d'évaluer les performances de stabilité de fréquence de ce peigne de fréquence optique de puissance moyenne élevée dans des applications pratiques, deux peignes de fréquence laser à fibre haute puissance de 20 W sont mesurés pour la première fois dans cette étude. Les résultats de mesure montrent que la valeur de stabilité typique de la fréquence hors anneau est de 4,35×10-17/s à un temps d'intégration de 1 s et diminue à 6,54×10-19 à un temps d'intégration de 1 000 s, comme illustré sur la figure 2 (b), qui ouvrira de nouvelles portes pour de nombreuses applications nécessitant une puissance élevée et une stabilité à haute fréquence des peignes optiques. Ces progrès de recherche ont été récemment publiés dans Optics Express sous le titre « Peigne de fréquence optique haute puissance avec instabilité de fréquence 10-19 » (Opt. Express 31 (20)). (Optics Express 31(20), 32813-32823 (2023)). Le premier auteur de l'article est Xiaodong Shao et les co-directeurs sont Zhiyi Wei et Hainian Han. Ce travail a été soutenu par le programme pilote de l'Académie chinoise des sciences (XDA1502040404, XDB210104004) et de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Un peigne de fréquence à fibre optique haute puissance de 20 W avec une stabilité de fréquence extra-annulaire du 10-19ème ordre.
Fig. 1 (a) Photographie du prototype de principe du peigne optique à fibre optique haute puissance, (b) Schéma de principe de la mesure de la stabilité de fréquence extra-anneau du peigne de fréquence optique haute puissance
Fig. 2 (a) Stabilité de fréquence de l'oscillateur et de l'amplificateur verrouillés séparément, (b) Stabilité de fréquence d'un peigne de fréquence optique haute puissance avec comparaison hors anneau
