单腔异步双频超短脉冲生成中的包络载波相移特性研究

The application of asynchronous, dual-frequency ultrashort optical pulses could greatly simplify the architecture of a series of high-resolution temporal/spectral optical metrology systems, but the current implementation methods based on dual-laser sources are very complex and expensive. Ultrashort pulse generation schemes from a single laser cavity could be an important alternative route to solve this challenge. Nevertheless, the key temporal/spectral characteristics of the asynchronous dual-frequency pulse sequences generated by a single cavity are far from well-understood. This hinders the further developments of high-resolution asynchronous measurement schemes based on such laser sources. Based on our studies on generating asynchronous dual-frequency ultrashort pulses from a single laser in the past few years, this project proposes to further investigate the carrier-envelope offset properties of these pulse sequences generated under different cavity multiplexing schemes. By overcoming the challenge of accurately measuring the carrier-envelope offset frequency of low-power, low-bandwidth pulses and generating comparable pulses from cavities leveraging different cavity multiplexing schemes, the carrier-envelope offset properties of these pulse sequences and their correlations could be obtained. This would provide evidences to gain further insight into the physical mechanisms behind the asynchronous pulse generation in a single laser and the interactions between such pulses. It would also lay foundation for the studies and developments of high-resolution, low-complexity asynchronous optical measurement techniques.

采用异步双频超短光脉冲序列可大大简化一系列高精度时频域光学测量技术的系统构成，但目前基于双激光源的异步双频脉冲产生方法非常复杂昂贵，而单腔脉冲生成方法对解决这一难题提供了一条重要的可能途径。但目前对于单腔生成的异步双频脉冲序列的关键时频特性，特别是包络载波相移特性，还知之甚少，这限制了该方法在高精度异步测量应用方面进一步发展。在项目组近几年对单腔异步双频脉冲生成等方面的研究成果基础上，本项目提出对不同光腔复用机制下产生的异步双频脉冲序列的包络载波相移特性进行深入研究，通过解决低功率、低谱宽的单腔异步双频脉冲的包络载波偏移频率准确测量方法问题和不同光腔复用机制异步双频脉冲序列产生方法，获得异步脉冲序列的包络载波相移及其相互关联性特性，为深入认识影响单腔异步脉冲生成过程的物理机制和脉冲间相互作用机理提供关键的证据，为进一步研究和发展高精度、低系统复杂度的异步光测量技术奠定关键理论和技术基础。

双光频梳技术作为近年来国际研究热点之一，对精密光谱学等技术的发展具有重要的意义。但基于两个稳频超短脉冲激光源的双频脉冲产生方法非常复杂昂贵，而项目组提出的单腔脉冲生成方法对解决双光频梳系统实现复杂度的问题提供了一条重要的可能途径。但对于在单个锁模脉冲激光腔内生成的异步双频脉冲序列在其脉冲谱宽、功率等方面与常规的光频梳光源具有很大差异，同时其关键时频、噪声等特性及其对双光频梳等应用的影响还需要进一步深入研究，这些对单腔双频脉冲生成技术在高精度异步测量应用方面进一步的发展具有重要的实际意义。在项目组近几年对双波长单腔异步双频脉冲生成等方面的研究成果基础上，本项目提出对不同的光腔复用机制下产生的异步双频脉冲序列的方法及生成的双频脉冲的包络载波相移等时频特性进行进一步研究。.项目执行期内，项目组提出了基于偏振复用的双频脉冲生成方法和基于波长-偏振多维度复用的多频脉冲生成方法，建立了不同类型的单腔异步双频脉冲序列生成实验系统；提出了低功率、大脉宽的单腔产生的异步双频脉冲序列的低噪声波长范围拓展方法，发现了色散调控与滤波调控下腔内异步-同步脉冲转化机制与脉动孤子态等脉冲演化规律，测量得到了单腔异步双频脉冲序列的fs级周期抖动特性，提出了自适应梳齿抖动补偿方法有效补偿了残余抖动噪声，基于双梳频谱结果提取获得了双梳相对载波包络相移特性，结果显示其可以具有较低的相对载波包络相移差；基于上述单腔双频脉冲产生与噪声抑制方法进一步突破了一批面向温室气体检测、高分辨率光纤光栅传感、太赫兹谱学的高精度双梳谱学测量的关键技术。项目执行期内共在国内外刊物和国际重要学术会议上发表论文36篇，其中SCI论文11篇、国际会议特邀报告4篇、期刊封面论文1篇，成果被国际同行积极评价并被美、日、德等国的多家媒体网站报道。授权和申请国际和中国发明专利4项（其中美国专利授权2项，申请1项），培养博士、硕士研究生11人。