基於光纖雷射器的可見光頻率梳、20GHz可見光波段天文光學頻率梳

成果簡介：

光學頻率梳是很多高端研究的基礎科學儀器，例如原子躍遷頻率的精密測量、光鐘的頻率的測量、引力波的測量、微重力的測量、系外類地行星的探測等。利用頻率梳測量頻率時，需要頻率梳的頻率間隔在200MHz以上，以便波長計數器計量波數。特別地，類地行星觀測需要20GHz以上頻率間隔的頻率梳來定標光譜儀，這個頻率間隔一般的光纖雷射器無法達到，目前只能依靠法布裡-珀羅（FP）濾波裝置進行頻率倍增。由於FP透射光譜的有限線寬會導致邊模洩露，從而影響天文光譜儀的定標精度，因此需要源雷射頻率梳本身的頻率間隔儘量大，以抑制邊模。可見，研製高重複頻率（大頻率間隔）的頻率梳已經成為國際雷射器和頻率梳領域研究的熱點和難點。目前該產品的國內市場基本上被德國Menlo System公司生產的基於摻鐿光纖雷射器的可見光域頻率梳壟斷，我國亟需研製出具有自主智慧財產權的光梳設備。

2011年，北京大學信息學院張志剛教授申請的「基於光纖雷射器的可見光頻率梳」得到第三期「儀器創製與關鍵技術研發」基金的支持。在基金經費支持下，通過關鍵配件的購置和加工，該項研究得以順利開展。課題組瞄準研製穩定的、可供頻率測量的、基於飛秒光纖雷射器的可見光域雷射頻率梳這一目標，開展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重複頻率、1um波長的鎖模光纖雷射器，作為頻率梳「種子源」；（2）研究初始頻率和腔內色散的關係，以得到更高信噪比的初始頻率信號；（3）利用合適的色散補償元件對種子源輸出的脈衝進行色散補償，並進行多級反向放大，使其輸出功率滿足頻率梳要求；（4）試驗多種光子晶體光纖，以獲得更寬的、覆蓋可見光域的光譜。通過以上工作的開展，課題組成功研製出了國際首創的500MHz光學頻率梳樣機，而Menlo公司同類產品重複頻率僅為250M。這一技術的產品化將打破外國公司在國內市場的壟斷，填補國內外市場的空白。

在第三期項目工作的基礎上，張志剛課題組的王愛民副教授申請的「20GHz可見光波段天文光學頻率梳的研製」項目在2012年得到了第四期「儀器創製與關鍵技術研發」基金的支持。在第四期基金的支持下，項目組發展了前期500MHz高重複頻率的光學頻率梳的研究成果，開展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技術對500MHz重複頻率的穩定光梳進行倍頻，獲得20GHz、1m波段的穩定光學頻率梳；（2）對20GHz光學頻率梳進行功率放大、脈衝壓縮和倍頻，實現515nm波段的藍光飛秒光梳源；（3）利用拉錐光子晶體光纖對飛秒藍光光梳進行可見光擴譜，達到400-750nm的光譜覆蓋。通過這些工作，課題組成功研製出了一套可直接與天文望遠鏡對接的20G天文光梳頻率標準系統，其工作達到該領域國際前沿水平。

這兩期項目目前已經結題，其成果已進入產品化階段，科技轉化前景良好。相關成果受到了北京市科委的高度重視。

課題組瞄準研製穩定的、可供頻率測量的、基於飛秒光纖雷射器的可見光域雷射頻率梳這一目標，開展了一系列富有成效的工作。課題組成功研製出了一套可直接與天文望遠鏡對接的20G天文光梳頻率標準系統，其工作達到該領域國際前沿水平。