تلعب أمشاط التردد البصري عالية الطاقة دورًا مهمًا للغاية في التحليل الطيفي الدقيق غير الخطي، وتوليد أمشاط التردد البصري فوق البنفسجي الشديد، وأبحاث الساعة النووية والذرية، وما إلى ذلك. تعتبر ليزرات الفيمتو ثانية الليفية هي الحل المفضل لتحقيق أمشاط التردد البصري عالية الطاقة نظرًا لمزاياها. هيكل بسيط وأداء مستقر وسهل التضخيم. ومع ذلك، نظرًا لضوضاء الانبعاث التلقائي (ASE) التي لا يمكن تجنبها، وضوضاء شدة المضخة، وتدهور التماسك الطيفي، وارتعاش الطور الناجم عن مسار الضوء في تضخيم ألياف الليزر، فإن استقرار تردد المشط البصري يتأثر بشكل خطير. لذلك، يعد الحصول على استقرار التردد العالي أثناء تضخيم الطاقة العالية مهمة صعبة.
لمعالجة المشاكل المذكورة أعلاه، استنادًا إلى أبحاث تكنولوجيا مشط التردد البصري طويلة المدى، قامت مجموعة L07 من المختبر الرئيسي للفيزياء البصرية، معهد الفيزياء، الأكاديمية الصينية للعلوم / مركز بكين الوطني لأبحاث فيزياء المواد المكثفة، بطرح تباعًا الحلول التقنية لاعتماد مصدر بذور الألياف الضوئية منخفض الضوضاء، وتضخيم النبض الخطي، وتعديل الطور السريع البلوري الكهروضوئي داخل التجويف، وما إلى ذلك، وتوليد طيف الاستمرارية الفائقة عالي التماسك عن طريق سحب الألياف البلورية الضوئية المخروطية والدمج مع لقد أدى التصميم الهيكلي المتكامل والتحكم في درجة الحرارة وعزل الاهتزاز والتصميمات الهندسية الأخرى إلى تقليل ضوضاء مشط التردد البصري بشكل فعال. في الآونة الأخيرة، حقق هاينيان هان، وهو باحث مشارك في المجموعة، وشياودونغ شاو، زميل ما بعد الدكتوراه، استقرارًا للتردد خارج الحلقة بترتيب 10-19/1000 ثانية على طاقة متوسطة عالية تبلغ 20 وات. مشط تردد الألياف الضوئية. ومن المعروف أن هذا قد وصل إلى استقرار التردد لأفضل الساعات الذرية الضوئية الحالية، وهو أيضًا النتيجة المثالية التي حققتها أمشاط التردد الضوئية عالية الطاقة حتى الآن. يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي للنموذجين الأوليين المتطابقين لهندسة مشط الألياف الضوئية عالي الطاقة الذي تم تطويره ومقارنة المشط البصري المزدوج خارج الحلقي لقياس استقرار التردد.
تم استخدام مذبذب ألياف ليزر مستقطب دورانيًا غير خطي (NPR) تم تصميمه ذاتيًا كمصدر نبض بذرة الفيمتو ثانية في الدراسة، وإخراج ليزر الفيمتو ثانية عالي الطاقة بمتوسط طاقة أكبر من 20 وات وعرض نبضة يبلغ 75 تم الحصول على fs بعد تضخيم نبض الألياف الخطية (CPA). يبلغ استقرار التردد المقفل لتردد إزاحة طور غلاف الموجة الحاملة (CEO) 1.5×10-17/s. في قفل التردد البصري، يتم إخراج نبضات الفمتوثانية من فروع مختلفة للمذبذب ومكبر الصوت باستخدام الليزر المرجعي فائق الثبات بشكل منفصل، وإذا تم استخدام إشارة مكبر الصوت للقفل، فإن استقرار التردد المقاس للطاقة العالية يمكن أن تصل حلقة الليزر المضخمة إلى 2×10-18/s، بينما في حالة CPA فقط، يمكن أن يصل استقرار التردد إلى 2×10-18/s، وفي حالة CPA فقط، يكون التردد يمكن أن يصل الاستقرار إلى 2×10-18/ثانية. -18/s، بينما في حالة قفل خرج نبض الفيمتو ثانية فقط من المذبذب، إذا سمح للمضخم بالعمل بحرية، فإن استقرار التردد يمكن أن يصل فقط إلى 10-15/s، وهو ثلاثة أوامر من حيث الحجم أسوأ. يوضح تحليل طيف قدرة الضوضاء أن مكبر الصوت يقدم كمية كبيرة من الضوضاء منخفضة التردد، والتي لها تأثير كبير على الاستقرار طويل المدى لتردد مشط التردد البصري، ويصل الفرق إلى أربعة أوامر من الحجم عند زمن البوابة 1000 ثانية، كما هو مبين في الشكل 2 (أ). بالإضافة إلى ذلك، فإن نتائج تحليل ضوضاء الطور، والتي تميز استقرار التردد على المدى القصير، تظهر أيضًا أنه بعد سلسلة من إجراءات التحكم في الضوضاء، فإن الضوضاء عالية التردد التي يصدرها مكبر الصوت تكون صغيرة جدًا ولا تؤثر على استقرار النظام على المدى القصير.
من أجل تقييم أداء استقرار التردد لمشط التردد البصري عالي الطاقة هذا في التطبيقات العملية، تم قياس مشطين تردد ليزر ألياف عالي الطاقة بقدرة 20 وات لأول مرة في هذه الدراسة. تظهر نتائج القياس أن قيمة الاستقرار النموذجية للتردد خارج الحلقة هي 4.35×10-17/s عند وقت تكامل 1 ثانية، وتنخفض إلى 6.54×10-19 عند وقت تكامل 1000 ثانية، كما كما هو موضح في الشكل 2 (ب)، والذي سيفتح أبوابًا جديدة للعديد من التطبيقات التي تتطلب طاقة عالية واستقرارًا عالي التردد للأمشاط الضوئية. تم نشر هذا التقدم البحثي مؤخرًا في Optics Express تحت عنوان "مشط التردد البصري عالي الطاقة مع عدم استقرار التردد 10-19" (Opt. Express 31(20)). (البصريات اكسبريس 31(20)، 32813-32823 (2023)). المؤلف الأول للمقالة هو Xiaodong Shao، والمشرفان المشاركان هما Zhiyi Wei وHainian Han. تم دعم هذا العمل من قبل البرنامج التجريبي للأكاديمية الصينية للعلوم (XDA1502040404، XDB210104004) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (60808007، 61378040، 11078022، 91850209).
مشط تردد من الألياف الضوئية عالي الطاقة بقدرة 20 وات مع استقرار التردد خارج الحلقي من الدرجة 10-19.
الشكل 1 (أ) صورة للنموذج الأولي الهندسي لمشط الألياف الضوئية عالي الطاقة، (ب) رسم تخطيطي لقياس استقرار تردد الحلقة الإضافية لمشط التردد البصري عالي الطاقة
الشكل 2 (أ) استقرار تردد المذبذب ومكبر الصوت بشكل منفصل، (ب) استقرار تردد مشط التردد البصري عالي الطاقة مع المقارنة خارج الحلقة
