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、王爱民研究小组首次提出“laser/comb on silica”概念，研制成功一种“固态-光纤激光器”，并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
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。该研究小组早在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。但其高重复频率、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，并且有较大的减小空间。
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，从而促成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、太赫兹波产生、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。
该工作获得国家自然科学基金重点项目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://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-8-874&id=482220
