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“单腔双频”碟片激光深紫外双光梳

图1.“单腔双频”碟片激光深紫外双光梳系统装置图

单腔双梳碟片激光器（TDSC）为传统双光梳系统提供了一种极具前景的替代方案，其不仅可以简化系统结构，还具备易于实现功率扩展的特性。相对于传统双光梳方案，该技术由于采用独特的共享谐振腔设计，能够确保两个锁模脉冲间的高度相干性。当前双光梳系统主要覆盖可见光、近红外和中红外波段，而紫外、深紫外领域的双光梳研究尚属起步阶段。近日，广东大湾区空天信息研究院玄洪文副研究员团队联合华中科技大学张金伟教授团队，成功实现了基于Yb:YAG碟片激光器的“单腔双频”双光梳运行模式，并展示了其在双光梳精密测距中的应用潜力。同时结合非线性频率变换技术，在国际上首次实现了单台碟片激光驱动的深紫外双梳光光源。展望未来，该平台在未来开发极紫外双光梳及太赫兹双梳系统具有巨大潜力。

相关成果以“Deep ultraviolet dual-comb from a thin-disk laser”为题，近期发表在Science合作期刊Ultrafast Science上。

文章引用：Quanming Li, Hanze Bai, Xiaodan Teng, Hongshan Chen, Haijing Mai, Zhitang Zhang, Jinwei Zhang, Hongwen Xuan. Deep ultraviolet dual-comb from a thin-disk laser. Ultrafast Sci.2025;5:Article 0087.

DOI: 10.34133/ultrafastscience.0087

研究

概述

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光学频率梳在光频与微波频率之间建立了直接可测的关联，弥合了两个频域之间的鸿沟，彻底革新了频标与光谱学等领域。双光梳系统通过采用两个重复频率略有差异的光学频率梳，已成为高分辨率传感、精密测距等应用的有力工具。相较于传统单梳方法，该系统基于快速光学外差技术展现出显著优势，包括提升测量速度、扩展非模糊范围以及降低探测器带宽需求等。单腔双梳碟片激光实现了从一台激光器直接输出两个重复频率的高功率锁模激光，大幅简化了双梳系统的搭建难度。同时碟片激光高输出功率的特性，使其无需功率放大，可直接实现高效率非线性频率转换，从而在深紫外波段也获得高平均功率输出。图2展示了“单腔双频”碟片激光两路输出功率大于5 W时，其他输出参数的典型值。如脉冲宽度分别为431 fs和411 fs，重复频率也分辨为76 MHz左右。图2中双光梳重复频率之差为20 kHz，该双光梳系统的重频差可以在锁模状态下可连续调谐，调谐范围为0至几百kHz。

图2. “单腔双频”Yb:YAG激光器典型输出结果:(a) 双曲正割函数拟合后的脉宽（红线为激光A，蓝线为激光B）。(b)双光梳频谱。(c)双光梳光谱。(d)频率差为20 kHz的双光梳拍频信号。

噪声性能是评估光学频率梳的关键指标。该研究团队测量了自由运转的TDSC的相对强度噪声（RIN）。图3（a）和（b）分别显示了输出激光A和输出激光B的RIN特性。两光梳RIN逐渐下降，最终到-150dBc/Hz，累计相对强度噪声值约为0.6%（积分范围[1Hz，100MHz]）。图3（c）显示了当双梳重复率差设置为3 kHz时的抖动情况，其在30分钟内标准偏差为0.634 Hz。

图3. 自由运行模式下激光器的噪声特性:(a)激光A基频下的RIN以及累计RIN，(b)与(a) 激光B基频下的RIN及累计RIN，(c)双光梳重频差的时间稳定性。

两路非线性频率变换过程均采用LBO和BBO晶体，将近红外双光梳转换至258nm的深紫外（DUV）波长，每路深紫外激光的输出功率超过340mW。对深紫外双梳进行了拍频，产生了拍频信号和干涉拍频信号，如图4（b）和（c）所示。凭借其紧凑型设计及高功率输出特性，该深紫外双梳光源对许多光谱实验提供了创新型解决方案，将在如时间分辨瞬态等离子体研究等前沿领域的应用中发挥重要作用。

图4. (a)DUV双光梳光谱，(b)拍频信号，(c)干涉拍频信号。

该双光梳技术平台具备向极紫外（XUV）与太赫兹（THz）等新频谱区域拓展的潜力。如图5(a)所示技术路线，基于TDSC平台产生XUV双梳的具体实现路径包括：通过啁啾脉冲放大器（CPA）提升双梳功率，经脉冲压缩后，在共振增强腔内通过高次谐波产生（HHG）机制辐射XUV波段。类似地，THz双梳可通过放大压缩TDSC双梳输出，再利用铌酸锂(LiNbO3)、磷化镓(GaP)等非线性晶体进行频率转换实现。

图5. Yb:YAG碟片单腔双光梳激光器在XUV双光梳及THz双光梳领域的应用前景

总结

展望

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本研究在国际上首次实现了基于“单腔双频”碟片激光器（TDSC）的深紫外双光梳系统，为深紫外光谱分析如时间分辨瞬态等离子体研究应用等提供了高价值、低复杂度的新型解决方案。研究团队同步着力开发该平台在极紫外与太赫兹双梳产生方面的技术潜力，未来将在精密光谱探测、量子计量、磁约束核聚变等战略领域带来革新性突破。

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作者

简介

玄洪文，广东大湾区空天信息研究院副研究员。长期从事深紫外固体激光、固体激光放大及电子加速用激光等研究。获得过平均功率1 W的窄线宽193 nm固体激光，并应用于混合ArF放大激光样机。参与片上电子加速“ACHIP”项目，负责光阴极深紫外激光、2 μm飞秒激光研发及其传输等。目前主要研究方向为超快激光技术、高功率固体深紫外激光、激光与物质相互作用等。入选中国科学院、广东省等人才项目。

张金伟，华中科技大学光学与电子信息学院教授，博士生导师。主要研究方向包括新型超快激光技术、超快碟片激光器及其应用。在Nature Photonics、Light: Science & Applications、Ultrafast Science等期刊上发表论文40余篇。

期刊简介

Introduction ofUltrafast Science

中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊 、Science合作期刊， 双月刊，由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办，ESCI、EI、Scopus、Inspec、DOAJ、ADS、CNKI Scholar等数据库收录。

主编

龚旗煌 院士、赵卫 研究员

办刊宗旨

刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流，推动成果转化，提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。

报道范围

阿秒光源、阿秒物理、超快激光和应用、超快成像、超快光谱、超快诊断、超快材料和探测器、超快太赫兹光子、超快电子、超快化学物理等。

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ISSN 2097-0331 EISSN 2765-8791

CN 61-1519/O4

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