飞秒光学频率梳技术是当今激光技术领域的热门话题，在过去十余年间推动了精密光谱学、光学测量技术、量子精密操控、光钟等重大
科研技术领域的发展。基于锁模原理的飞秒光梳重复频率通常在100~250 MHz，但这对于例如频率测量、微波产生和超快光谱来说是
不够的。这里我们基于Menhir Photonics公司Menhir -1550 重复频率为1GHz交钥匙型锁模飞秒激光器，演示了对其载波包络偏置零
频（f0）的检测和稳定，以及利用连续激光器对梳齿的光学稳定，展示了这种激光器在频率测量和光谱学方面的应用前景。
1.介绍
飞秒光学频率梳技术是当今激光技术领域的热门话题，在过去十余年间推动了精密光谱学、光学测量技术、量子精密操控、光钟等重大
科研技术领域的发展。
基于锁模原理的飞秒光梳重复频率通常在100~250 MHz，但这对于例如频率测量、微波产生和超快光谱来说是不够的。这里我们基于
Menhir Photonics公司Menhir -1550 重复频率为1GHz交钥匙型锁模飞秒激光器，演示了对其载波包络偏置零频（f0）的检测和稳定，
以及利用连续激光器对梳齿的光学稳定，展示了这种激光器在频率测量和光谱学方面的应用前景。
2.实验设置与结果
激光器平均功率大于50mW，提供以1560nm为中心的类孤子光谱，>12 nm的光谱带宽支持205fs脉冲宽度。重复频率由一个带宽为
70kHz的快速压电致动器(PZT)控制，泵浦源调制带宽>100 kHz。
激光器输出光束被分成两路，一路与1550nm赫兹量级线宽连续激光器拍频，得到激光器某一个梳齿的相位噪声信息；另一路用于载波
包络相位零频探测，首先通过一个色散补偿光纤(PM-DCF)，然后通过两级功率放大和光栅对压缩脉冲，产生脉宽260fs、平均功率3.3
W激光脉冲。随后脉冲被送入约30cm长ND-HNLF，根据FROG测量结果，其脉冲宽度小于70fs，平均功率1.8 W，峰值功率约为13
kW。然后连接~ 30厘米长HNLF产生倍频程频谱，波长覆盖从970~2200nm。用ppln晶体对2000nm波段进行倍频后与1000nm基频光
一同输入共线f-to-2f干涉仪，生成一个信噪比大于30dB、分辨率~300 kHz f0信号。
图1：载波包络零频f0与fbeat探测；插图：倍频程光谱~970-2200nm
图2a显示对fbeat进行测量的实验结果，可以得到自由运转下fbeat相位噪声为22.4 rad (100Hz~10MHz，时间抖动18.5fs)。这种测量受
限于CW激光器> 50 kHz偏移频率,但足以看出1 GHz激光器的低噪声特性。将fbea信号稳定到一个主参考射频发生器使用数字鉴相器产
生误差信号，首先将该误差信号反馈到泵浦电流上，得到残余相位噪声为190 mrad [100 Hz~ 10 MHz](即160 as)，该伺服系统受到激
光动力学产生的9 kHz反馈带宽的限制。将误差信号反馈到PZT上，100 Hz~10 MHz相位噪声只有59 mrad(即49 as时间抖动)。用一个
12位频率计数器记录在1小时内fbeat信号的变化，显示100s内残余不稳定性< 2x10-17。两种fbeat稳定方法表明泵浦电流和PZT均可以
用于相位锁定。
图2b是通过f-to-2f干涉检测到的载波包络零频f0实验结果，得到自由运行下f0中心频率为581 MHz，线宽< 200 kHz，对应相位噪声107
rad [100 Hz- 5 MHz]。鉴于PZT腔长的变化对f0影响很小，这里用泵浦电流对其进行稳定。误差信号经滤波、数字乘法器（60倍）产生
一个9.657MHz的信号，然后被稳定到主参考射频发生器使用相位鉴别器和反馈到激光器泵浦电流上。相干锁定后，残余相位为145
mrad，对应8.7 rad [100 Hz- 5 MHz]。图2b给出了实际f0计算得到的相位噪声，表明基于泵浦电流稳定受到伺服-泵浦8.5 kHz的限制。
3.结论
以上实验表明，得益于利用PZT和泵浦电流对该激光器进行稳定，MENHIR-1550是一个很有前途的频率梳应用工具。
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