We demonstrate an all polarization-maintaining (PM) fiber based dual-wavelength mode-locked Er-fiber laser. A nonlinear amplifying loop mirror (NALM) with an intracavity nonreciprocal phase shifter is used for self-started mode-locking. A short segment of PM fiber is angle-spliced to the NALM, functioning as a PM Sagnac loop filter, thus enabling dual-wavelength mode-locking. The wavelength separation is solely determined by the angle-spliced PM fiber length. Stable dual-wavelength mode-locking operation is switchable between 1570/1581 nm and 1581/1594 nm. The two-color pulse trains oscillating in the same cavity have an inherent offset repetition rate of ~1 kHz owing to cavity dispersion, allowing future high precision dual-comb applications with a simple and robust configuration.

The cross correlation between a pair of femtosecond lasers with slightly different repetition rates enables high precision, high update rate time-of-flight (TOF) distance measurements against multiple targets. Here, we investigate the obtainable ranging precision set by the timing jitter from femtosecond lasers. An analytical model governing dual femtosecond laser TOF distance measurement in the presence of pulse train timing jitter is built at first. A numerical study is conducted by involving typical timing jitter sources in femtosecond lasers in the following. Finally, the analytical and numerical models are verified by a TOF ranging experiment using a pair of free running femtosecond Er-fiber lasers. The timing jitter of the lasers is also characterized by an attosecond resolution balanced optical cross correlation method. The comparison between experiment and numerical model shows that the quantum-limited timing jitter of femtosecond lasers sets a fundamental limit on the performance of dual femtosecond laser TOF distance measurements.

Passively mode-locked fiber lasers emit femtosecond pulse trains with excellent short-term stability. The quantum-limited timing jitter of a free running femtosecond erbium-doped fiber laser working at room temperature is considerably below one femtosecond at high Fourier frequency. The ultrashort pulse train with ultralow timing jitter enables absolute time-of-flight measurements based on a dual-comb implementation, which is typically composed of a pair of optical frequency combs generated by femtosecond lasers. Dead-zone-free absolute distance measurement with sub-micrometer precision and kHz update rate has been routinely achieved with a dual-comb configuration, which is promising for a number of precision manufacturing applications, from large step-structure measurements prevalent in microelectronic profilometry to three coordinate measurements in large-scale aerospace manufacturing and shipbuilding. In this paper, we first review the sub-femtosecond precision timing jitter characterization methods and approaches for ultralow timing jitter mode-locked fiber laser design. Then, we provide an overview of the state-of-the-art dual-comb absolute ranging technology in terms of working principles, experimental implementations, and measurement precisions. Finally, we discuss the impact of quantum-limited timing jitter on the dual-comb ranging precision at a high update rate. The route to high-precision dual-comb range finder design based on ultralow jitter femtosecond fiber lasers is proposed.

We study on the timing jitter characteristics of a passively mode-locked dual-wavelength dual-comb Er-fiber laser that generates two femtosecond optical frequency combs with an offset repetition rate in a shared cavity. The relative timing jitter is characterized directly in the time domain with tens of attoseconds precision by utilizing the intrinsic asynchronous optical sampling process between the two laser beams. This sensitive measurement reveals an amplified spontaneous emission (ASE) noise dominated random walk of the relative pulse timing, which has not been observed before in a dual-comb laser. The quantum-limited relative timing jitter behavior shows that the common-mode noise suppression based on a shared cavity does not apply to quantum noise. We further conduct a time-of-flight ranging experiment and a Fourier-transform spectroscopy simulation based on this dual-comb laser, showing that the quantum-limited relative timing jitter sets an ultimate limit on the reachable performance in time- and frequency-domain dual-comb applications particularly when the high acquisition rate is desired.

We demonstrate a robust femtosecond LIDAR setup by using two free-running environmentally stable all-polarization-maintaining nonlinear amplified loop mirror mode-locked fiber lasers. Based on the asynchronous optical sampling method, a ranging accuracy of ±2 μm within 65 m has been achieved, as tested in an 80-m-long underground optical tunnel. Through the Kalman filter in real-time data processing, the measurement accuracy can be maintained at a 200 Hz update rate. This setup provides a practical tool for various large-scale industrial and astronomical ranging applications.

We demonstrate a novel time domain timing jitter characterization method for ultra-low noise mode-locked lasers. An asynchronous optical sampling (ASOPS) technique is employed, allowing timing jitter statistics on a magnified timescale. As a result, sub femtosecond period jitter of an optical pulse train can be readily accessible to slow detectors and electronics (~100 MHz). The concept is applied to determine the quantum-limited timing jitter for a passively mode-locked Er-fiber laser. Period jitter histogram is acquired following an eye diagram analysis routinely used in electronics. The identified diffusion constant for pulse timing agrees well with analytical solution of perturbed master equation.

Femtosecond laser ranging has drawn great interest in recent years, particularly based on an asynchronous optical sampling implementation where a pair of femtosecond lasers are used. High precision absolute ranging either relies on tightly-phase-locked optical frequency combs (a dual-comb setup) or multiple averaging of the measurements from two free-running femtosecond lasers. The former technique is too complicated for practical applications, while the latter technique does not apply to moving targets. In this report, we propose a new route to utilizing a powerful singular spectrum analysis (SSA) filtering method to improve femtosecond laser ranging precision for moving targets with acceleration. The SSA method is capable of separating complex patterns in signals without a priori knowledge of the dynamical model. Here, we utilize the basic SSA filter to extract the target trajectory in the presence of measurement noise both in numerical simulation and in the absolute ranging experiment based on a pair of free-running femtosecond lasers. The experimentally-achieved absolute ranging uncertainty of a moving target is well below 110 nm at a 200-Hz update rate by applying the basic SSA filter. This method paves the way to the practical applications of femtosecond absolute ranging for dynamic objects.

In this letter, we propose and demonstrate a practically compact 1-GHz repetition-rate femtosecond optical parametric oscillator (OPO) based on MgO:PPLN crystal, which is harmonically pumped by a 53 MHz Yb-doped fiber laser. The multiplication of the repetition rate is derived by placing the nonlinear crystal in a miniaturized V-type cavity with 13.9 cm length. The near-infrared signal output pulses are tunable from 1350 nm to 1650 nm. The signal pulse duration across the complete tuning range is measured to be around 125 fs. Thanks to the high repetition rate, broadband tenability, and simplicity of the optical setup, this type of OPO holds promise for many applications.

A high repetition-rate, few-cycle light pulse is of great importance due to its potential for a variety of applications, including two-dimensional infrared spectroscopy and time-resolved imaging of molecular structures, which benefit from its ultrabroadband spectrum and ultrashort pulse duration. The generation of an ultrabroadband coherent spectrum is one of the frontiers of ultrafast optics, and accessing such few-cycle pulses is presently under active exploration. Here, we demonstrate a simple yet effective pulse synthesizer. It is based on two continuous-wave (cw) injection-seeded high-repetition-rate optical parametric amplification systems and the following self-phase-modulation dominated spectra-broadening processes. The combined spectrum spans from 1250 to 1670 nm, and a near Fourier-transform-limited 3.9-cycle (19.2 fs) synthesized pulse with a central wavelength of 1470 nm is obtained accordingly.

Abstract We describe the development of an accurate optical frequency divider based on a Ti:Sapphire optical frequency comb. The division instability and uncertainty of the optical frequency divider are demonstrated to be 10 −18 at 1 s averaging time and 3 × 10 −22 , respectively. The ability of coherence transfer is also demonstrated by resolving a hertz-level-linewidth spectroscopy.