基于飞秒光学频率梳的双通道光频测量设计

　　0 引言

　　实现激光频率的绝对测量一直是计量科学领域中很重要的研究方向，飞秒光学频率梳的出现推动了光频测量技术取得了巨大的进展。由于重复频率和载波包络相移一般属于微波频率范围，所以可以将其锁定至标准的原子钟上，并通过对飞秒激光的重复频率和载波包络相移进行锁相控制，建立起微波标准和光频标准的链接。飞秒光学频率梳被认为是光频测量、精密光谱学和高准确度测距领域中重要的测量工具[1 -4]。

　　通用的飞秒光学频率梳采用 f -2f 法对载波包络相移进行控制[5 -6]，该方法通过光子晶体光纤来产生飞秒激光的扩谱效应。光子晶体光纤对外界环境非常敏感，比如室外的低频振动、环境温度的波动和光学系统的稳定性等因素，从而导致飞秒光学频率梳的稳定时间较短。针对 f - 2f 法飞秒光学频率梳的缺点，2005 年日本 Fuji 研究小组首先提出了基于差频技术的单块飞秒光学频率梳技术[7]。该技术基于自相位调制效应和非线性光学效应，将钛宝石固体激光谐振腔中生成的飞秒脉冲直接注入到周期性铌酸锂晶体中，来产生信噪比高且稳定时间长的飞秒激光载波包络相移，此方法简化了飞秒激光脉冲载波包络相移的提取过程。

　　本文的设计方案基于单块飞秒光学频率梳技术。和以前国外类似的报道相比，本方案的飞秒光学频率梳具有 350 MHz 的重复频率和 7 fs 的飞秒脉冲宽度，通过锁相环技术将飞秒脉冲的重复频率和载波包络移同时锁定至标准的微波频率原子钟上。经过实验证明，该飞秒光学频率梳系统的稳定时间长达 9 h[8]。以往研究表明，多数和飞秒光学频率梳相关的测频技术大都关注如何提高光梳系统的输出功率和测量紫外至远红外光谱范围内的光频问题，很少有文献报道关于如何提高飞秒光学频率梳的测频能力问题。文中提出了一种基于飞秒光学频率梳的双通道光频测量设计方案，当两待测光波长相差较大时，可以通过飞秒光学频率梳和窄带高反镜的组合来实现两光频的同时测量。而当待测两光波长相差较小时，可以通过飞秒学频率梳和透射式光栅组合来实现两光频的同时测量。相比以前的测频技术，这种设计具有测量效率高、测量结构紧凑和成本低的优点。

　　1 激光装置

　　一般来说，高重复频率的飞秒光学频率梳有利于光频的测量。文中采用的是克尔棱镜锁模钛宝石飞秒激光器，激光器采用的是线性激光腔结构，仅由四个腔镜组成; 从飞秒激光振荡器出来的脉冲将通过主要由周期性铌酸锂晶体组成的差频腔，飞秒脉冲的重复频率为 350 MHz。飞秒激光频率梳的实验装置如图 1所示。