高功率光學頻率梳在非線性精密光譜學、極紫外光學頻率梳產生、核原子鐘研究等方面起著十分重要的作用，光纖飛秒激光器由于結構簡單、性能穩定、易于放大等優點，是實現高功率光學頻率梳的首選方案。然而，由于光纖激光放大中難以避免的自發輻射（ASE）噪聲、泵浦強度噪聲、光譜相干性退化以及光程引起的相位抖動等噪聲，嚴重影響著光梳的頻率穩定度。因此如何在高功率放大的同時得到高的頻率穩定度是一個極具挑戰性的工作。

針對上述問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室L07組基于長期光學頻率梳技術研究的基礎，近年先后提出了采用低噪聲光纖種子源、線性啁啾脈沖放大、腔內電光晶體快速相位調制等技術方案，并通過拉錐光子晶體光纖產生高相干性超連續譜及結合結構一體化設計、控溫、隔振等各項工程化設計，有效地較低了光學頻率梳的噪聲。最近該組副研究員韓海年及博士后邵曉東等人在20W高平均功率的光纖光學頻率梳上，進一步實現了環外頻率穩定度達10?1?/1000s量級的結果。據知這已經達到目前最好光學原子鐘的頻率穩定度，也是迄今高功率光學頻率梳取得的最優結果。圖環外雙光梳比對測量頻率穩定度的原理圖。

圖1 高功率光學頻率梳環外頻率穩定度測量原理圖

研究中使用自建的非線性偏振旋轉鎖模（NPR）光纖激光振蕩器作為飛秒種子脈沖源，經線性光纖啁啾脈沖放大（CPA）后，得到了平均功率大于20 W、脈沖寬度75 fs的高功率飛秒激光輸出。載波包絡相移（CEO）頻率的鎖定頻率穩定度為1.5×10?1?/s。在進行光頻的鎖定時，從振蕩器和放大器不同分支輸出的飛秒脈沖與超穩參考激光分別拍頻，如果以放大器的拍頻信號進行鎖定，則測得高功率放大激光環內頻率穩定度可以達到2×10?1?/s，而在只鎖定振蕩器輸出的飛秒脈沖情況下，若任由放大器自由運轉，則頻率穩定度只能達到10?1?/s，差了三個量級。噪聲功率譜分析表明放大器引入了大量的低頻噪聲，其對光學頻率梳頻率的長期穩定性有著顯著影響，在1000 s門時間下，該差別甚至高達四個數量級，如圖 2 （a）所示。此外表征頻率短期穩定性的相位噪聲分析結果也表明，經過一系列的噪聲控制措施后，放大器引入的高頻噪聲很小，不影響系統的短期穩定性。

圖2 （a）振蕩器和放大器分別鎖定的頻率穩定度，（b）高功率光學頻率梳環外比對的頻率穩定度

為了評估該高平均功率光學頻率梳在實際應用中的頻率穩定度性能，本研究首次進行了兩臺 20W高功率光纖激光頻率梳環外頻率比對的測量。測量結果表明在1 s積分時間下，環外頻率的典型穩定度值為4.35×10?1?/s，1000 s 積分時間下降為6.54×10?1?，如圖2（b）所示，這將為很多需要高功率和高頻率穩定度光梳的應用打開新的大門。該研究進展最近以“High power optical frequency comb with 10?1?frequency instability”為題發表在Optics Express上。（Opt. Express 31(20), 32813-32823 (2023)）。

文章第一作者是邵曉東，合作導師為魏志義和韓海年。工作獲得了中國科學院先導專項(XDA1502040404, XDB210104004)及國家自然科學基金項目 (60808007, 61378040, 11078022, 91850209)的支持。

編輯：黃飛