关键词:
光学频率梳
布里渊激光腔
色散调控
Faraday不稳定性
Floquet分析
摘要:
光学频率梳(光频梳)在频域表现为具有等频率间隔的梳齿,在时域表现为具有固定重复频率的脉冲序列。光频梳将光学频率与微波频率联系在一起,可作为一把频率标尺,在精密光谱学、光钟、相干光通信、光学任意波产生、超精密测距等领域具有重要的应用价值。目前,实现光频梳的方法主要有以下几种:1)基于锁模激光器产生飞秒光频梳,2)基于光学微腔产生光频梳,3)基于电光调制器产生光频梳,4)基于行波四波混频效应产生光频梳。对于前两种光频梳产生方式,受锁模激光器和光学微腔腔长调节范围的限制,所产生光频梳的梳齿间隔难以实现大范围调谐。对于基于电光调制器产生的光频梳,受制于目前电光调制器的工作带宽,其梳齿间隔难以达到百GHz以上。对于基于光纤中行波四波混频效应产生的光频梳,虽然其能实现梳齿间隔大范围调谐,但是存在噪声高、线宽宽等问题。2019年,我们课题组提出了利用腔内布里渊激光作为泵浦光产生孤子光频梳的思路,通过调控布里渊激光间的频率间隔,实现了梳齿间隔调谐范围覆盖GHz~THz的光频梳。但是,目前其存在光谱不平坦、功率转化效率低等问题,特别是腔内不稳定性产生机理有待阐明。本人攻读博士期间,围绕布里渊激光腔中平坦、高效光频梳的产生,以及腔内不稳定性产生机理开展了系统的研究,取得了以下研究结果:(1)提出并实现了基于色散调控布里渊激光腔的光谱平坦孤子光频梳。通过在全负色散布里渊激光腔中引入正色散光纤,精细调控腔内净色散至近零,实现了对腔内孤子脉冲的整形,从而产生了平顶的亮孤子脉冲和光谱平坦的孤子光频梳。与以往的双曲正割型(sech)光孤子相比,由于上述平顶亮孤子脉冲与双波长布里渊激光在时域上有较大的交叠,因此上述孤子光频梳具有较高的转化效率,其值可达~6%。此外,通过改变腔内双波长布里渊激光间的频率间隔,实现了梳齿间隔调谐范围覆盖50 GHz~500 GHz的光谱平坦孤子光频梳。(2)阐明了单波长布里渊激光腔内的不稳定性产生机理,在实验上同时观察到图灵(Turing)和法拉第(Faraday)不稳定性现象。通过数值求解池田映射(Ikeda map)方程,并结合Floquet分析方法,发现了单波长布里渊激光腔中存在Turing和Faraday不稳定性,并在实验上同时观察到这两种不稳定性。进一步,利用Floquet分析方法,研究了腔内色散、损耗和非线性系数对Faraday不稳定性的影响。结果表明,腔内色散的周期性变化导致了腔内Faraday不稳定性的发生;而腔内损耗的大小和非线性系数的周期性变化会影响Faraday不稳定性的增益大小。(3)阐明了双波长布里渊激光腔内的不稳定性产生机理,首次观察到Faraday不稳定性导致的分频现象,并实现了基于分频现象的多个光频梳产生。通过理论和实验研究,发现在色散周期性变化的双波长布里渊激光(其频率间隔为Δf)腔中会产生Faraday不稳定性导致的梳状频率边带,其频率间隔等于Δf/n(n为正整数),即:首次观察到Faraday不稳定性导致的分频现象。当腔内双波长布里渊激光功率较大时,上述梳状频率边带会与腔内双波长布里渊激光发生相互作用,从而导致了多个光频梳的产生。