光学频率梳在光频计量、高精度激光光谱学和光频标准等领域有重要应用。传统的固态和基于光纤激光器的振荡器设计，重复频率通常在MHz到GHz范围内，降低光频梳脉冲重复频率可提高脉冲能量，有利于非线性频率转换，拓展可及波长的范围，如通过极紫外（XUV）实现精密光谱学研究，同时提高频谱密度，适用于探测超窄线宽的原子/分子跃迁。

传统产生低重复频率高脉冲能量超快激光的方法（如MOPA结合 CPA 方案）虽适用于研究超快现象，但不能保证稳定的低噪声频率梳结构。于是研究者通过在传统的锁模激光器上加脉冲选取技术来降低重复频率，同时确保相位噪声较低。这一成果最终发表在《Optica》上，实现了全球首个重复率低至40 kHz的低噪声光频梳系统[1]。这项技术将脉冲能量提升至200 nJ，相位噪声仅19 mrad，为极紫外（XUV）光谱学、核光学钟等前沿领域提供了全新工具。

图1. 使用基于声光调制器的脉冲选择器实现低重复频率的频率梳生成[1]

研究团队将脉冲选择器视为理想幅度调制器，对锁模激光器输出的高斯脉冲序列进行理论建模。经脉冲选择后，光谱由间隔为原重复率(1/m)（m为脉冲选择因子）的梳状模式组成，相位噪声会卷积到所有梳状模式中，且积分相位噪声不变，但必须保证原始梳状线宽低于新重复率的模式间隔。团队采用声光调制器（AOM）作为脉冲选择器件，AOM驱动信号与激光重复率严格同步，生成均匀间隔的脉冲序列（图1），验证了理论的可行性。

该低重频光频梳（图2）由 Yb:KYW 锁模激光器、脉冲选取技术以及后续放大过程组成。锁模激光器重复频率为40 MHz，输出平均功率26 mW，分为两束。一束通过超稳连续激光参考源锁定光频梳模式，反馈控制激光腔长，稳定梳齿模式；另一束通过一级放大将功率提升为250 mW，之后进入AOM中。AOM的一级衍射使整个频率梳下移约110 MHz，经过AOM后，可得到频率梳与连续波参考激光器之间的第二个拍频信号，进一步稳定梳齿模式。在进入第二个放大器前，脉冲通过一个载波频率200 MHz驱动的AOM将重复频率由40 MHz降为40 kHz。所选脉冲经二次放大后，输出平均功率为8 mW，单脉冲能量达200 nJ，通过第三个拍频检测装置测量相位噪声，并利用 PZT 驱动镜加以补偿。

图2. 实验装置示意图[1]

图3分别展示了不同重复频率下脉冲和拍频信号的时域和频谱图像。40 kHz重复率下，脉冲时域间隔25 μs，残留原始40 MHz脉冲抑制比达28 dB；低重复率下仍保持清晰梳状结构，拍频信号窄峰可见，信噪比超 30 dB，各重复率下拍频信号线宽受频谱分析仪分辨率带宽限制。

图3. 不同重复频率下的实验结果。（a）第二放大器后输出脉冲时域轨迹，（b）第三个拍频检测单元获得的拍频光谱[1]

研究团队还测量了产生的拍频信号功率与脉冲选择因子m的关系，如图4（a）所示。虚线表示实验获得的拍频信号的功率与40 MHz对应功率的1/m²成正比，验证了理论模型的合理性。

图4. 不同重复频率下的实验结果。（a）拍频信号功率水平作为脉冲选择因子m的函数，（b）相位噪声在不同重复率下的功率谱密度（PSD）[1]

研究团队采用 GATOR 技术处理数据得到相位噪声功率谱密度（PSD）（图4（b））。 40 MHz 频率梳存在环境振动等引起的低频相位噪声及反馈回路产生的噪声峰。低重复率下噪声底因拍频信号载波功率降低而升高，40 kHz 时部分低频噪声结构比其他重复率高 5~10 dB，导致均方根积分相位噪声增加约50 mrad，但整体相位噪声未显著高于噪声底，40 kHz 重复率下积分均方根相位噪声为195 mrad，满足窄线宽光谱需求。

本文成功展示了重复频率在 40 MHz - 40 kHz 间可调的低噪声低重复率光频梳，这项研究不仅验证了低重复率光频梳的可行性，更为其在极端波长精密测量中的应用铺平道路。未来计划采用飞秒增强腔脉冲选择技术，进一步提高效率并抑制噪声。

参考文献：

[1] Francesco Canella, Johannes Weitenberg, Muhammad Thariq, Fabian Schmid, Paras Dwivedi, Gianluca Galzerano, Theodor W. Hänsch, Thomas Udem, and Akira Ozawa, "Low-repetition-rate optical frequency comb," Optica 11, 1-9 (2024).

       原文标题 : 超快非线性光学技术之六十七 低重复频率的光学频率梳