شانه های فرکانس نوری با قدرت بالا نقش بسیار مهمی در طیف سنجی دقیق غیرخطی، تولید شانه فرکانس نوری فرابنفش شدید، تحقیقات ساعت هسته ای و اتمی و غیره ایفا می کنند. لیزرهای فیبر فمتوثانیه به دلیل مزایایی که دارند، راه حل ترجیحی برای تحقق شانه های فرکانس نوری با قدرت بالا هستند. ساختار ساده، عملکرد پایدار و تقویت آسان. با این حال، به دلیل نویز انتشار خودبهخودی اجتنابناپذیر (ASE)، نویز شدت پمپ، تخریب انسجام طیفی و لرزش فاز ناشی از مسیر نور در تقویت لیزر فیبر، پایداری فرکانس شانه نوری بهطور جدی تحتتاثیر قرار میگیرد. بنابراین، دستیابی به ثبات فرکانس بالا در حالی که تقویت توان بالا است، یک کار چالش برانگیز است.
برای رسیدگی به مشکلات فوق، بر اساس تحقیقات طولانی مدت فناوری شانه فرکانس نوری، گروه L07 از آزمایشگاه کلیدی فیزیک نوری، موسسه فیزیک، آکادمی علوم چین/مرکز تحقیقات ملی پکن برای فیزیک ماده متراکم، به طور متوالی مطرح کرده است. راهحلهای فنی اتخاذ منبع بذر فیبر نوری کمصدا، تقویت پالس صدای چیپ خطی، مدولاسیون فاز سریع کریستال الکترواپتیکی درون حفرهای و غیره، و تولید طیف ابرپیوسته با انسجام بالا توسط فیبر کریستال فوتونیک مخروطی کششی و ترکیب با طراحی ساختاری یکپارچه، کنترل دما، جداسازی ارتعاش و سایر طرح های مهندسی به طور موثری نویز شانه فرکانس نوری را کاهش داده است. اخیراً، هاینیان هان، محقق وابسته در این گروه، و شیائودانگ شائو، دانشجوی فوق دکتری، به ثبات فرکانس خارج از حلقه در مرتبه 10-19/1000 ثانیه در یک 20 وات با توان متوسط بالا دست یافتهاند. شانه فرکانس فیبر نوری مشخص است که این به پایداری فرکانس بهترین ساعتهای اتمی نوری فعلی رسیده است و همچنین نتیجه بهینهای است که تا کنون توسط شانههای فرکانس نوری با قدرت بالا به دست آمده است. شکل 1 نمودار شماتیک دو نمونه اولیه مهندسی شانه فیبر نوری پرقدرت یکسان و مقایسه شانه نوری دوگانه فوق حلقوی برای اندازه گیری پایداری فرکانس را نشان می دهد.
یک نوسان ساز لیزری فیبری با حالت چرخشی غیرخطی پلاریزه (NPR) به عنوان منبع پالس دانه فمتوثانیه در این مطالعه و یک خروجی لیزر فمتوثانیه پرقدرت با توان متوسط بیشتر از 20 وات و عرض پالس 75 استفاده شد. fs پس از تقویت پالس چیرپ خطی فیبر (CPA) به دست آمد. ثبات فرکانس قفل شده فرکانس تغییر فاز پاکت حامل (CEO) 1.5×10-17/s است. در قفل فرکانس نوری، پالس های فمتوثانیه خروجی از شاخه های مختلف اسیلاتور و تقویت کننده با لیزر مرجع فوق پایدار به طور جداگانه ضربه می خورند و اگر از سیگنال ضربه خورده تقویت کننده برای قفل استفاده شود، پایداری فرکانس اندازه گیری شده پرتوان. حلقه لیزر تقویت شده می تواند به 2×10-18/s برسد، در حالی که فقط در مورد CPA، پایداری فرکانس می تواند به 2×10-18/s برسد، و در مورد فقط CPA، فرکانس پایداری می تواند به 2×10-18/s برسد. -18/s، در حالی که تنها در صورت قفل کردن خروجی پالس فمتوثانیه از نوسانگر، اگر تقویت کننده اجازه داشته باشد آزادانه کار کند، پایداری فرکانس فقط می تواند به 10-15/s برسد که سه مرتبه است. از قدر بدتر تجزیه و تحلیل طیف توان نویز نشان می دهد که تقویت کننده مقدار زیادی نویز فرکانس پایین ایجاد می کند که تأثیر قابل توجهی بر پایداری طولانی مدت فرکانس شانه فرکانس نوری دارد و این تفاوت حتی تا چهار مرتبه بزرگی در زمان دروازه 1000 ثانیه، همانطور که در شکل 2 (الف) نشان داده شده است. علاوه بر این، نتایج تجزیه و تحلیل نویز فاز، که پایداری کوتاه مدت فرکانس را مشخص می کند، همچنین نشان می دهد که پس از یک سری اقدامات کنترل نویز، نویز فرکانس بالا معرفی شده توسط تقویت کننده بسیار کم است و بر روی آن تأثیر نمی گذارد. پایداری کوتاه مدت سیستم
به منظور ارزیابی عملکرد پایداری فرکانس این شانه فرکانس نوری با توان متوسط بالا در کاربردهای عملی، دو شانه فرکانس لیزر فیبر با توان بالا 20 وات برای اولین بار در این مطالعه اندازهگیری میشوند. نتایج اندازه گیری نشان می دهد که مقدار پایداری معمولی فرکانس خارج از حلقه 4.35×10-17/s در زمان ادغام 1 ثانیه است، و در زمان ادغام 1000 ثانیه به 6.54×10-19 کاهش می یابد. در شکل 2(b) نشان داده شده است، که درهای جدیدی را برای بسیاری از کاربردهایی که به قدرت بالا و پایداری فرکانس بالا شانه های نوری نیاز دارند باز می کند. این پیشرفت تحقیقاتی اخیراً در Optics Express تحت عنوان "شانه فرکانس نوری با قدرت بالا با ناپایداری فرکانس 10-19" منتشر شده است (Opt. Express 31(20)). (Optics Express 31(20)، 32813-32823 (2023)). نویسنده اول مقاله Xiaodong Shao است و ناظران مشترک Zhiyi Wei و Hainian Han هستند. این کار توسط برنامه آزمایشی آکادمی علوم چین (XDA1502040404، XDB210104004) و بنیاد ملی علوم طبیعی چین (60808007، 61378040، 11078022، 91850209) پشتیبانی شد.
یک شانه فرکانس فیبر نوری پرقدرت 20 واتی با ثبات فرکانس فوق حلقوی مرتبه 10-19.
شکل 1 (الف) عکس نمونه اولیه مهندسی شده شانه نوری فیبر نوری با توان بالا، (ب) نمودار شماتیک اندازه گیری ثبات فرکانس اضافی حلقه شانه فرکانس نوری با توان بالا
شکل 2 (الف) پایداری فرکانس نوسان ساز و تقویت کننده که به طور جداگانه قفل شده اند، (ب) پایداری فرکانس شانه فرکانس نوری با قدرت بالا با مقایسه خارج از حلقه
