光學(xué)頻率梳是很多高端研究的基礎(chǔ)科學(xué)儀器,例如原子躍遷頻率的精密測量、光鐘的頻率的測量、引力波的測量、微重力的測量、系外類地行星的探測等。利用頻率梳測量頻率時,需要頻率梳的頻率間隔在200MHz以上,以便波長計數(shù)器計量波數(shù)。特別地,類地行星觀測需要20GHz以上頻率間隔的頻率梳來定標光譜儀,這個頻率間隔一般的光纖激光器無法達到,目前只能依靠法布里-珀羅(FP)濾波裝置進行頻率倍增。由于FP透射光譜的有限線寬會導(dǎo)致邊模泄露,從而影響天文光譜儀的定標精度,因此需要源激光頻率梳本身的頻率間隔盡量大,以抑制邊模。可見,研制高重復(fù)頻率(大頻率間隔)的頻率梳已經(jīng)成為國際激光器和頻率梳領(lǐng)域研究的熱點和難點。目前該產(chǎn)品的國內(nèi)市場基本上被德國Menlo System公司生產(chǎn)的基于摻鐿光纖激光器的可見光域頻率梳壟斷,我國亟需研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光梳設(shè)備。
2011年,北京大學(xué)信息學(xué)院張志剛教授申請的“基于光纖激光器的可見光頻率梳”得到第三期“儀器創(chuàng)制與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”基金的支持。在基金經(jīng)費支持下,通過關(guān)鍵配件的購置和加工,該項研究得以順利開展。課題組瞄準研制穩(wěn)定的、可供頻率測量的、基于飛秒光纖激光器的可見光域激光頻率梳這一目標,開展了一系列富有成效的工作,包括:(1)搭建高重復(fù)頻率、1um波長的鎖模光纖激光器,作為頻率梳“種子源”;(2)研究初始頻率和腔內(nèi)色散的關(guān)系,以得到更高信噪比的初始頻率信號;(3)利用合適的色散補償元件對種子源輸出的脈沖進行色散補償,并進行多級反向放大,使其輸出功率滿足頻率梳要求;(4)試驗多種光子晶體光纖,以獲得更寬的、覆蓋可見光域的光譜。通過以上工作的開展,課題組成功研制出了國際首創(chuàng)的500MHz光學(xué)頻率梳樣機,而Menlo公司同類產(chǎn)品重復(fù)頻率僅為250M。這一技術(shù)的產(chǎn)品化將打破外國公司在國內(nèi)市場的壟斷,填補國內(nèi)外市場的空白。
在第三期項目工作的基礎(chǔ)上,張志剛課題組的王愛民副教授申請的“20GHz可見光波段天文光學(xué)頻率梳的研制”項目在2012年得到了第四期“儀器創(chuàng)制與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”基金的支持。在第四期基金的支持下,項目組發(fā)展了前期500MHz高重復(fù)頻率的光學(xué)頻率梳的研究成果,開展了更加深入的工作,包括:(1)利用FP技術(shù)對500MHz重復(fù)頻率的穩(wěn)定光梳進行倍頻,獲得20GHz、1m波段的穩(wěn)定光學(xué)頻率梳;(2)對20GHz光學(xué)頻率梳進行功率放大、脈沖壓縮和倍頻,實現(xiàn)515nm波段的藍光飛秒光梳源;(3)利用拉錐光子晶體光纖對飛秒藍光光梳進行可見光擴譜,達到400-750nm的光譜覆蓋。通過這些工作,課題組成功研制出了一套可直接與天文望遠鏡對接的20G天文光梳頻率標準系統(tǒng),其工作達到該領(lǐng)域國際前沿水平。
這兩期項目目前已經(jīng)結(jié)題,其成果已進入產(chǎn)品化階段,科技轉(zhuǎn)化前景良好。相關(guān)成果受到了北京市科委的高度重視。
課題組瞄準研制穩(wěn)定的、可供頻率測量的、基于飛秒光纖激光器的可見光域激光頻率梳這一目標,開展了一系列富有成效的工作。課題組成功研制出了一套可直接與天文望遠鏡對接的20G天文光梳頻率標準系統(tǒng),其工作達到該領(lǐng)域國際前沿水平。