前沿进展 | 首创新概念，刷新对高重频飞秒光纤激光器的认知

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，北京大学电子学院“区域光纤通信网与新型光通信系统”国家重点实验室张志刚、王爱民教授研究小组首次提出“laser/comb on silica”概念，研制成一种“固态-光纤激光器”，揭示了高重复频率飞秒光纤激光器的超低内禀噪声特性。
该成果以“Attosecond timing jitter from high repetition rate femtosecond “solid-state fiber lasers”为题于2022年7月28日发表在Optica上。

图1 论文截图

2022 | 前沿进展

02 研究背景

高重复频率(~GHz)飞秒激光器是光学频率梳产生和应用的基础光源。该研究小组早2015年已研制成功1 GHz光纤激光器。这类激光器输出平均功率高、脉冲短，可无放大直接做成光频梳。但高重复频率、高功率和高集成性并没有直接给激光器带来低噪声等指标，甚至业内普遍认为高重复频率必然伴随着高噪声，这极大阻碍了其在窄线宽光梳生成、低噪声微波提取、光频原子钟等重要领域的应用。在很多需要高重复频率的应用中，研究人员不得不采用低重复频率（80~250 MHz）加腔外频率倍增的方式来达到高重复频率。但是，低重复频率激光器常常伴随低输出功率、宽脉冲和较为复杂的放大压缩系统等缺陷。

03 研究创新点

该研究小组长期研究高重复频率飞秒光纤激光器，并始终认为GHz重复频率光纤激光器完全具备低噪声飞秒激光器输出的物理基础。这种认识是基于他们前期研制的1 GHz激光器，其中光纤不到10 cm，自由空间占一半多的腔长，可看成是以光纤作为增益介质的固体激光器，非线性和色散引起的噪声在很大程度上被抑制，因而噪声应该能够与低噪声固体激光器相比拟。

因此他们判断，复杂的光机调节结构引入的机械噪声是吞噬激光器自身真实噪声的“元凶”。如果能将光机结构的机械噪声抑制到最低，则有可能让其内禀噪声“水落石出”。

该小组受合作单位嘉兴旭锐电子公司“光积木”技术的启发，基于石英玻璃粘接工艺技术平台，提出了“laser/comb on silica”新概念，即将所有激光器元件集成到silica（熔融石英玻璃板）上，不用任何金属调整架，以将机械噪声抑制到最小。而激光器的增益介质是光纤，仍可用波分复用-准直器来做泵浦耦合，以保持作为光纤激光器的长期稳定特征。因此这种激光器也可叫“固态光纤激光器”，如图2 (a-b)。

目前这种激光器的重复频率已达1 GHz，输出功率大于500 mW。激光器体积为140 × 120 × 55 mm³，仍有较大的减小空间。

图2 (a) 固态光纤激光器结构设计；（b）激光器做在玻璃上：固态光纤激光器照片；（c）自由运转状态下12小时激光器重复频率的漂移; (d) 激光器时间抖动噪声功率谱和时间抖动积分

由于去掉了传统的光机结构，激光器显示出异常的稳定性。12小时内重复频率漂移小于1 kHz[图2 (c)]。经用平衡互相关法测量，这种激光器在自由运转下，时间抖动是130 阿秒，在10 kHz频偏处的单边带相位噪声约为–161 dBc/Hz[图2 (d)]，时间抖动值与低重频100 MHz的光纤激光器相同，仅略高于同重复频率的固体激光器。

04 总结与展望

该小组用玻璃平板上的超低噪声“固态-光纤激光器”， 打破了高重复频率光纤激光器高噪声的传统概念，刷新了人们对高重频飞秒光纤激光器的噪声的认知，并将促成GHz频率间隔、超低噪声、超小型光纤激光频率梳的诞生。此研究成果不仅可为双光梳测距、高采样速率光谱学、高效率激光精密加工提供小型化超稳定的激光光源，更为其在低噪声微波源产生、光频原子钟、天文光梳等重要领域的应用铺平了道路。

该工作获得自然科学基金、重点基金和天文联合基金重点支持项目的资助，主要完成者是电子学院2019级博士生杨若傲和深圳研究生院硕士生赵洺贺。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.457835

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编辑 | 方紫璇

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