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研究背景

       飞秒光频梳在时域上由相同间距的超短脉冲串构成，频域上由一系列离散、等间距且具有稳定相位关系的频率分量组成，可以实现原子钟精度的绝对频率测量，是天然的时频基准。飞秒光频梳在精密测量、光谱学、冷原子等相关领域中有着重要的应用意义。

       目前，在中红外波段，飞秒光频梳为精密光谱学带来一套新的工具，可用于二氧化碳、氨气等特殊气体检测。此外，对分子结构和动力学的透彻理解通常涉及到宽频率范围内的详细光谱分析。借助中红外光频梳，也可以在大动态范围内精确研究分子样品的组成变化。

创新工作

       天津大学超快激光研究室胡明列教授团队基于光纤结构，设计并搭建了高功率中红外飞秒光频梳。如图1所示，该系统利用正色散高非线性光纤进行频率扩谱，消除光谱展宽过程中反常色散带来的噪声敏感性；再利用一段掺铥光纤构成的自泵浦预放大器，产生中心波长为1925 nm、平均功率为50 mW的飞秒激光；然后将该飞秒激光注入掺铥光纤放大器中，通过啁啾脉冲放大压缩技术输出中心波长2000 nm、脉冲宽度240 fs及平均功率22.72 W的飞秒脉冲。

图1 高功率中红外飞秒光频梳实验装置图

       图2(a)展示了基于掺铒光纤飞秒光频梳产生的种子光和掺铥光纤放大器输出的光谱，图2(b)是掺铥光纤放大器放大压缩输出脉冲的自相关轨迹及其双曲正割拟合，脉冲宽度为240 fs。

图2 掺铥光纤放大器输出特性。(a)种子光和放大器输出光谱；(b)压缩脉冲的自相关轨迹

       为了分析高功率中红外飞秒光频梳的噪声特性，采用信号源分析仪分别测试了输出脉冲的相对强度噪声和脉冲序列的相位噪声，其相对强度噪声和时间抖动的积分值分别为1.16%和472 fs(积分范围10 Hz~1 MHz)。

       同时为了验证高功率中红外飞秒光频梳是否满足频率测量的需求，搭建了如图3所示的拍频信号探测光路。高功率中红外飞秒光频梳注入到氟碲酸盐高非线性光纤产生覆盖1000-4000 nm的超连续光谱[图4(a)]，和1064 nm碘稳频Nd：YAG激光器输出激光进行拍频，获得信噪比为40 dB的拍频信号，满足频率计数器的计数要求。

图3 拍频信号探测系统光路图

图4 (a) 利用氟碲酸盐光纤获得的超连续光谱；(b) 高功率中红外光频梳与 Nd∶YAG 激光器的拍频信号

结论

       报道了一种光纤结构的高功率中红外飞秒光频梳，测试了其噪声特性，并通过拍频信号探测系统验证了其满足频率测量的要求。高功率中红外飞秒光频梳的发展为分子物质结构和动力学的光谱分析提供了强大的工具，有助于光频梳进一步向分子指纹谱范围(3~20 μm)扩展。

参考文献： 中国光学期刊网

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