[论文解读] Attosecond timing jitter optical pulse trains from femtosecond mode-locked Yb-fiber lasers

Youjian Song, Chur Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 1

一句话总结

该论文通过采用亚20阿秒分辨率的平衡光学互相关技术，在自由运行、80 MHz重复频率的掺镱光纤锁模激光器中实现了175阿秒（均方根）的记录最低时间抖动。在接近零腔内色散条件下，实现了超低抖动，同时在优化的锁模条件下也抑制了相对强度噪声。

ABSTRACT

We demonstrate ultra-low timing jitter optical pulse trains from free- running, 80 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber lasers. Timing jitter of various mode-locking conditions at close-to-zero intra-cavity dispersion (-0.004 to +0.002 ps2 range at 1040 nm center wavelength) is characterized using a sub-20-attosecond-resolution balanced optical cross-correlation method. The measured lowest rms timing jitter is 175 attoseconds when integrated from 10 kHz to 40 MHz (Nyquist frequency) offset frequency range, which corresponds to the record-low timing jitter from free-running mode-locked fiber lasers so far. We also experimentally found the mode-locking conditions of fiber lasers where both ultra-low timing jitter and relative intensity noise can be achieved.

研究动机与目标

• 在无需外部稳定化的前提下，实现自由运行锁模掺镱光纤激光器的超低时间抖动。
• 在接近零腔内色散条件下，表征不同锁模条件下的时间抖动。
• 识别时间抖动和相对强度噪声同时处于最低水平的运行区域。
• 为基于光纤的光脉冲序列时间稳定性建立基准。
• 验证亚20阿秒分辨率平衡光学互相关方法在抖动测量中的性能。

提出的方法

• 采用自由运行、80 MHz重复频率、锁模掺镱光纤激光器，其腔内色散在1040 nm波长范围内控制在-0.004至+0.002 ps²之间。
• 利用亚20阿秒时间分辨率的平衡光学互相关技术测量时间抖动。
• 从10 kHz至40 MHz偏置频率积分抖动功率谱密度，以计算均方根时间抖动。
• 系统性地改变锁模条件，以探索时间抖动与相对强度噪声之间的权衡。
• 在多个工作点测量时间抖动，以识别最优色散和增益条件。
• 将抖动性能与强度噪声相关联，以识别时间抖动和强度波动同时较低的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近零腔内色散条件下，自由运行、80 MHz重复频率的锁模掺镱光纤激光器中，可实现的最小时间抖动是多少？
• RQ2 在相同激光系统中，不同锁模条件下时间抖动如何变化？
• RQ3 是否可以在自由运行光纤激光器中同时实现超低时间抖动和低相对强度噪声？
• RQ4 腔内色散在最小化掺镱光纤激光器时间抖动中起什么作用？
• RQ5 亚20阿秒分辨率互相关方法在多大程度上能够分辨光脉冲序列中的超低抖动？

主要发现

• 在10 kHz至40 MHz偏置频率范围内积分后，测得的时间抖动达到175阿秒（均方根）的记录最低值。
• 最低抖动在接近零腔内色散条件下实现，具体为1040 nm波长下-0.004至+0.002 ps²的范围。
• 识别出一个稳定的锁模区域，其中时间抖动和相对强度噪声同时被最小化。
• 亚20阿秒分辨率的平衡光学互相关方法实现了对阿秒量级抖动的精确表征。
• 结果表明，自由运行掺镱光纤激光器可实现以往仅通过主动稳定系统才能达到的时间抖动性能。
• 本研究证实，色散管理在实现锁模光纤激光器的超低时间抖动中至关重要。