Lược tần quang công suất cao đóng vai trò rất quan trọng trong quang phổ chính xác phi tuyến, tạo lược tần quang cực tím, nghiên cứu đồng hồ hạt nhân và nguyên tử, v.v. Laser sợi femto giây là giải pháp được ưu tiên để hiện thực hóa lược tần quang công suất cao nhờ những ưu điểm cấu trúc đơn giản, hiệu suất ổn định và khuếch đại dễ dàng. Tuy nhiên, do tiếng ồn phát xạ tự phát (ASE) không thể tránh khỏi, tiếng ồn cường độ bơm, sự suy giảm kết hợp quang phổ và độ lệch pha gây ra bởi đường ánh sáng trong khuếch đại laser sợi quang, độ ổn định tần số của lược quang bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Vì vậy, việc đạt được độ ổn định tần số cao trong khi khuếch đại công suất cao là một nhiệm vụ đầy thách thức.
Để giải quyết các vấn đề trên, trên cơ sở nghiên cứu công nghệ lược tần số quang học dài hạn, nhóm L07 thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật lý quang học, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc/Trung tâm Nghiên cứu Vật lý Vật chất ngưng tụ Quốc gia Bắc Kinh, đã liên tiếp đưa ra các giải pháp kỹ thuật sử dụng nguồn hạt sợi quang có độ ồn thấp, khuếch đại xung chir tuyến tính và điều chế pha nhanh tinh thể quang điện nội bộ, v.v., và tạo ra phổ siêu liên tục có độ kết hợp cao bằng cách kéo sợi tinh thể quang tử hình nón và kết hợp với Thiết kế cấu trúc tích hợp, kiểm soát nhiệt độ, cách ly rung và các thiết kế kỹ thuật khác đã giúp giảm tiếng ồn của lược tần số quang một cách hiệu quả. Gần đây, Hainian Han, một nhà nghiên cứu cộng tác trong nhóm và Xiaodong Shao, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, đã tiếp tục đạt được độ ổn định tần số ngoài vòng ở mức 10-19/1000 ở mức công suất trung bình cao 20W. lược tần số sợi quang. Điều này được biết là đã đạt đến độ ổn định tần số của các đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất hiện nay, và cũng là kết quả tối ưu đạt được từ các lược tần quang học công suất cao cho đến nay. Hình 1 thể hiện sơ đồ của hai nguyên mẫu kỹ thuật lược sợi quang công suất cao giống hệt nhau đã được phát triển và so sánh lược quang kép ngoài hình khuyên để đo độ ổn định tần số.
Một bộ tạo dao động laser sợi quang khóa chế độ quay (NPR) phân cực phi tuyến tính tự chế tạo đã được sử dụng làm nguồn xung hạt femto giây trong nghiên cứu và đầu ra laser femto giây công suất cao với công suất trung bình lớn hơn 20 W và độ rộng xung là 75 fs thu được sau khi khuếch đại xung chirped sợi tuyến tính (CPA). Độ ổn định tần số bị khóa của tần số dịch pha đường bao sóng mang (CEO) là 1,5×10-17/s. Trong khóa tần số quang, xung femto giây đầu ra từ các nhánh khác nhau của bộ dao động và bộ khuếch đại được chạm riêng biệt bằng laser tham chiếu siêu ổn định và nếu tín hiệu chạm của bộ khuếch đại được sử dụng để khóa, thì độ ổn định tần số đo được của bộ khuếch đại công suất cao vòng laser khuếch đại có thể đạt tới 2×10-18/s, trong khi trong trường hợp chỉ CPA, độ ổn định tần số có thể đạt tới 2×10-18/s và trong trường hợp chỉ CPA, tần số độ ổn định có thể đạt tới 2×10-18/s. -18/s, trong khi trong trường hợp chỉ khóa đầu ra xung femto giây từ bộ dao động, nếu bộ khuếch đại được phép chạy tự do thì độ ổn định tần số chỉ có thể đạt 10-15/s, tức là ba bậc về mức độ tồi tệ hơn. Phân tích phổ công suất nhiễu cho thấy bộ khuếch đại tạo ra một lượng lớn nhiễu tần số thấp, điều này ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định lâu dài của tần số lược tần số quang và sự chênh lệch thậm chí còn cao tới bốn bậc độ lớn ở thời gian cổng là 1000 giây, như trong Hình 2 (a). Ngoài ra, kết quả phân tích tiếng ồn pha, đặc trưng cho sự ổn định ngắn hạn của tần số, cũng cho thấy sau một loạt các biện pháp kiểm soát tiếng ồn, tiếng ồn tần số cao do bộ khuếch đại đưa ra là rất nhỏ và không ảnh hưởng đến sự ổn định ngắn hạn của hệ thống.
Để đánh giá hiệu suất ổn định tần số của lược tần số quang công suất trung bình cao này trong các ứng dụng thực tế, lần đầu tiên trong nghiên cứu này, hai lược tần số laser sợi quang công suất cao 20W được đo. Kết quả đo cho thấy giá trị ổn định điển hình của tần số ngoài vòng là 4,35×10-17/s tại thời điểm tích phân 1 giây và giảm xuống 6,54×10-19 tại thời gian tích phân 1000 giây, như được hiển thị trong Hình 2(b), điều này sẽ mở ra những cánh cửa mới cho nhiều ứng dụng đòi hỏi công suất cao và độ ổn định tần số cao của lược quang. Tiến trình nghiên cứu này gần đây đã được xuất bản trên Optics Express với tiêu đề "Kết hợp tần số quang công suất cao với tần số không ổn định 10-19" (Opt. Express 31(20)). (Quang học tốc hành 31(20), 32813-32823 (2023)). Tác giả đầu tiên của bài báo là Xiaodong Shao, và các đồng giám sát là Zhiyi Wei và Hainian Han. Công trình này được hỗ trợ bởi Chương trình thí điểm của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (XDA1502040404, XDB210104004) và Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (60808007, 61378040, 11078022, 91850209).
Bộ kết hợp tần số cáp quang công suất cao 20W có độ ổn định tần số ngoài hình khuyên bậc 10-19.
Hình 1 (a) Ảnh chụp nguyên lý thiết kế nguyên lý của lược quang sợi quang công suất cao, (b) Sơ đồ đo độ ổn định tần số vòng ngoài của lược tần số quang công suất cao
Hình 2 (a) Độ ổn định tần số của bộ tạo dao động và bộ khuếch đại được khóa riêng biệt, (b) Độ ổn định tần số của lược tần số quang công suất cao với so sánh ngoài vòng
