光学频率梳的发明是超快激光和频率计测领域的重大突破之一。作为链接微波频率与光学频率的精密齿轮，光学频率梳为精密频率计量提供了一个强有力的工具，不断推动光学原子钟、原子常数测量、天文观测等前沿领域的发展[1]。当光学频率梳作为新一代更高精度的频率标准、被应用于天文光梳等研究时，需要尽可能提高作为光学频率梳前级光源飞秒激光器的重复频率，以提高锁模光谱中单个梳齿的能量，从而在测频实验中获得更高的信噪比。

图1. 锁模激光器应用于光学频率梳，将微波频率与光学频率相干链接[1]；高重频光梳与低重频光梳中单根梳齿相对强度比较。

    目前基于掺镱（Yb）全固态激光器，瑞士苏黎世联邦理工学院的U. Keller课题组采用SESAM辅助的被动锁模技术，实现了重复频率10 GHz、平均功率1.44 W的飞秒激光运转[2]，较高的平均功率使其可以直接应用于光学频率梳。日本东京大学Y. Kobayashi课题组利用克尔透镜锁模技术相继实现了重复频率4.6 GHz、6 GHz、15 GHz以及23.8 GHz的飞秒激光输出[3-6]，然而其输出平均功率只有几十毫瓦，需要借助额外的放大才能进一步应用于光学频率梳。西安电子科技大学超快激光技术与应用研究中心致力于全固态超快激光技术的研究，最近在高平均功率GHz重频克尔透镜锁模激光器研究中取得新进展。利用环形腔结构，配合非线性系数较高的Yb:KGW晶体，获得了重复频率2.14 GHz、平均功率1.7 W、脉冲宽度145 fs的单向克尔透镜锁模运转，输出功率达到国际同类激光器最高水平。同时，通过调控谐振腔的损耗，可实现稳定的双向克尔透镜锁模运转，两束锁模激光的输出功率和脉冲宽度分别为741 mW、123 fs以及746 mW、126 fs。

    此高功率GHz重频克尔透镜锁模激光器具有开机自启动、结构紧凑、性能稳定的特点。结合拉锥光子晶体光纤，有望直接产生倍频程超连续光谱，通过f-2f自参考法实现载波包络相移频率的探测和锁定。通过控制双向锁模运转状态使两束锁模脉冲具有细小的重频差可直接应用于双光梳光谱学[7]。

    相关工作发表于Opt. Express 29(9), 12950-12957 (2021)。

图2. 高功率2 GHz克尔透镜锁模Yb:KGW激光器实验光路及实物图。

图3. 单向克尔透镜锁模结果。(a)单向锁模运转功率稳定性；(b)单向锁模光谱；(c)单向锁模脉宽；(d)单向锁模频谱。

图4. 双向克尔透镜锁模结果。(a) (b)双向锁模运转功率稳定性；(c) (d)双向锁模光谱；(e) (f)双向锁模脉宽；(g) (h)双向锁模频谱。

参考文献：
[1]  S. A. Diddams, K. Vahala, and T. Udem, “Optical frequency combs: Coherently uniting the electromagnetic spectrum,” Science 369, 267 (2020).
[2]  L. M. Krüger, A. S. Mayer, Y. Okawachi, X. C. Ji, A. Klenner, A. R. Johnson, C. Langrock, M. M. Fejer, M. Lipson, A. L. Gaeta, V. J. Wittwer, T. Südmeyer, C. R. Phillips, and U. Keller, “Performance scaling of a 10-GHz solid-state laser enabling self-referenced CEO frequency detection without amplification,” Opt. Express 28, 12755 (2020).
[3]  M. Endo, A. Ozawa, and Y. Kobayashi, “Kerr-lens mode-locked Yb: KYW laser at 4.6-GHz repetition rate,” Opt. Express 20, 12191 (2012).
[4]  M. Endo, A. Ozawa, and Y. Kobayashi, “6-GHz, Kerr-lens mode-locked Yb:Lu2O3 ceramic laser for combresolved broadband spectroscopy,” Opt. Lett. 38, 4502 (2013).
[5]  M. Endo, I. Ito, and Y. Kobayashi, “Direct 15-GHz mode-spacing optical frequency comb with a Kerr-lens mode-locked Yb:Y2O3 ceramic laser,” Opt. Express 23, 1276 (2015).
[6]  S. Kimura, S. Tani, and Y. Kobayashi, “Kerr-lens mode locking above a 20 GHz repetition rate,” Optica 6, 532 (2019).
[7]  T. Ideguchi, T. Nakamura, Y. Kobayashi, and K. Goda, “Kerr-lens mode-locked bidirectional dual-comb ring laser for broadband dual-comb spectroscopy,” Optica 3, 748 (2016).