[论文解读] Self-referencing a continuous-wave laser with electro-optic modulation
本文提出一种通过电光调制（EOM）自参考连续光波（CW）激光的方法，利用电光调制生成光频梳，实现绝对光学频率测量，分数精度和稳定性优于5×10⁻¹⁴。通过将CW激光调制为飞秒脉冲序列，利用非线性光纤展宽光谱，并在滤波后应用f-2f干涉测量以抑制噪声，系统精确测量载波包络偏移频率，将激光频率与EOM重复率的整数倍关联起来。
We phase-coherently measure the frequency of continuous-wave (CW) laser light by use of optical-phase modulation and f-2f nonlinear interferometry. Periodic electro-optic modulation (EOM) transforms the CW laser into a continuous train of picosecond optical pulses. Subsequent nonlinear-fiber broadening of this EOM frequency comb produces a supercontinuum with 160 THz of bandwidth. A critical intermediate step is optical filtering of the EOM comb to reduce electronic-noise-induced decoherence of the supercontinuum. Applying f-2f self-referencing with the supercontinuum yields the carrier-envelope offset frequency of the EOM comb, which is precisely the difference of the CW laser frequency and an exact integer multiple of the EOM pulse repetition rate. Here we demonstrate absolute optical frequency metrology and synthesis applications of the self-referenced CW laser with <5E-14 fractional accuracy and stability.
研究动机与目标
- 通过自参考技术实现对连续光波激光的绝对光学频率测量。
- 解决在无预存光频梳条件下测量连续光波激光载波包络偏移频率的挑战。
- 采用紧凑的全电光方法实现高精度频率计量与合成。
- 通过中间光学滤波降低超宽带光频梳生成中的电子噪声引起的退相干。
- 在光学钟和高精度光谱学应用中实现亚10⁻¹⁴分数频率稳定性。
提出的方法
- 对连续光波激光施加电光调制（EOM），生成周期性的飞秒光脉冲序列。
- 将EOM调制的脉冲序列通过非线性光纤进行光谱展宽，产生覆盖160 THz的超宽带光频梳。
- 使用光学滤波器抑制超宽带光频梳中的电子噪声引起的退相干，提升相位相干性。
- 对滤波后的超宽带光频梳应用f-2f自参考干涉测量，以测量载波包络偏移频率。
- 载波包络偏移频率被确定为连续光波激光频率与EOM重复率整数倍之间的差值。
- 该系统实现相位相干的频率测量与高稳定性的光学频率合成。
实验结果
研究问题
- RQ1是否可以在不依赖预存光频梳的条件下对连续光波激光实现自参考？
- RQ2如何利用电光调制从连续光波激光生成相位相干的光频梳？
- RQ3中间光学滤波在降低超宽带光频梳生成中噪声引起的退相干方面起什么作用？
- RQ4f-2f自参考是否可有效应用于由EOM调制的连续光波光产生的超宽带光频梳？
- RQ5使用该方法在自参考连续光波激光系统中可实现多高的频率精度与稳定性？
主要发现
- 系统实现了绝对光学频率测量，分数精度低于5×10⁻¹⁴。
- 载波包络偏移频率被精确测量为连续光波激光频率与EOM重复率整数倍之间的差值。
- 对EOM光频梳进行光学滤波显著降低了超宽带光频梳中的电子噪声引起的退相干。
- 通过非线性光纤展宽生成的超宽带光频梳带宽达160 THz。
- 该方法实现了亚10⁻¹⁴分数稳定性的稳定光学频率合成。
- 该方法展示了仅使用电光器件与非线性光纤实现连续光波激光自参考的可行路径。
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