一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的制造方法

一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，包括光學頻率梳、連續激光器、拍頻裝置、移頻裝置、參考信號源、頻率綜合器和快速鎖相環電路。其中所述光學頻率梳可以保證系統長時間穩定運轉，其重復頻率和載波包絡相移頻率鎖定在一個穩定的參考信號源上；連續激光器可以是外腔半導體激光器也可以連續的光纖激光器，用于將其鎖定在精密的光學頻率梳的某個梳齒上；移頻裝置和拍頻裝置的輸入和輸出端都是采用保偏光纖連接，用于輔助連續光與光學頻率梳的完全重合的鎖定。其結構緊湊小巧；拍頻結構簡單容易，信噪比高；鎖定穩定性好、精度高；同時可以保證連續光與光學頻率梳的某個梳齒完全重合，從而可以達到完全重合鎖定。
【專利說明】
一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置
技術領域
[0001]本發明涉及超快激光精密測量領域，特別是涉及一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置。
【背景技術】
[0002]近年來隨著光學頻率梳技術的不斷發展，光學頻率梳在高精度分辨激光光譜學、基本物理常數的測量、光學原子鐘、絕對距離測量、低噪聲微波信號產生等諸多領域得到了廣泛的應用。在這些廣泛的應用當中，連續光與光學頻率梳的鎖定是必不可少技術。因此為了獲得一種高性能地連續光與光學頻率某個梳齒完全重合地鎖定方法一直都受到人們的廣泛關注。
[0003]傳統實現連續光與光學頻率梳的鎖定的方法主要是直接利用連續光與光學頻率梳拍頻信號進行鎖定。首先通過空間光路將兩束光獲得拍頻信號，然后采用鎖相環電路將拍頻信號鎖定在一個穩定的參考源中。這種方法的最大缺點在于連續光與光學頻率梳的某個梳齒無法完成重合，而且由于空間結構的存在長期穩定性也不是很好，因此對于高性能連續光與光學頻率梳某個梳齒完全重復的鎖定研究成為精密光譜學中的研究熱點。
[0004]傳統方法鎖定連續光與光學頻率梳的主要缺點包括:
[0005]1、傳統的方法對于連續光與光學頻率梳的某個梳齒是有間隔的，無法達到完全重入口 ο
[0006]2、空間光路對于空間物理抖動敏感、抗噪聲能力差，嚴重影響鎖定效果。
[0007]3、拍頻調節難度大，而且拍頻信號信噪比較較差，對于反饋伺服電路系統的響應要求高。
[0008]總之，傳統技術在實現高性能連續光與光學頻率梳完全重合鎖定存在較大的難度。

【發明內容】

[0009]針對該領域中現有技術中存在的缺陷或不足，本發明的目的在于，提供一種高性能的全光纖連續光與光學頻率梳完全重復鎖定裝置。
[0010]為了實現上述任務，本發明采用以下的技術解決方案:
[0011]—種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，包括光路結構和電路結構，其特征在于:
[0012]所述光路結構包括光學頻率梳、連續激光器、拍頻裝置和移頻裝置；
[0013]所述連續激光器用于產生連續激光，所述連續激光傳輸至移頻裝置時，零級衍射光進入拍頻裝置，同時所述光學頻率梳用于產生穩定的飛秒激光脈沖，飛秒激光脈沖傳輸在拍頻裝置中探測獲得連續光與光學頻率梳的拍頻信號；
[0014]所述電路結構包括參考信號源、頻率綜合器和快速鎖相環電路裝置;其中:
[0015]參考信號源用于提供一個穩定的射頻參考信號，將頻率綜合器與參考信號同步，使得頻率綜合器與參考信號源具有相同的頻率穩定性。
[0016]頻率綜合器給移頻裝置提供移頻電信號，同時為快速鎖相環電路提供輸入信號。在快速鎖相環電路中，連續光與光學頻率梳獲得拍頻信號與射頻信號進行混頻，得到的混頻信號經放大直接輸給連續激光器中的壓電陶瓷或者電流，使得連續光與光學頻率梳鎖定。
[0017]根據本發明，作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的一種優選方案，所述光學頻率梳的輸出脈沖激光的平均功率大于20mW，輸出重復頻率大于200MHz，輸出光譜可以覆蓋連續光的波長，輸出激光的脈沖寬度在f s或者ps量級。
[0018]作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的一種優選方案，所述光學頻率梳包括飛秒激光振蕩器，用于輸出梳齒結構。所述飛秒激光振蕩器可以是光纖激光振蕩器，還可以是全固態激光振蕩器。
[0019]作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置一種優選方案，所述光學頻率梳還包括腔內色散控制裝置可以是啁啾鏡，也可以是光柵對，還可以是棱鏡對或者光子晶體光纖。
[0020]作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的一種優選方案，所述光學頻率梳還包括腔內調制元件，用于鎖定光學頻率梳的載波包絡相移頻率，腔內調制元件可以是栗浦電流或者是聲光調制器。
[0021]作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的一種優選方案，所述光學頻率梳還包括電路部分及重復頻率和載波包絡相移頻率鎖相環電路，用于將重復頻率和載波包絡相移頻率鎖定在一個穩定的射頻源中。
[0022]作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的一種優選方案，所述連續激光器是穩定的半導體激光器，或者是光纖激光器或者是全固態激光器。
[0023]作為上述全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置的一種優選方案，所述的拍頻裝置采用單模保偏光纖結構的耦合器來達到拍頻共線，以保證光學頻率梳與連續光光路完全重合，得到較高的信噪比。
[0024]本發明的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，采用的都是光纖結構，為長期穩定性提供了較好的條件，從而帶來下列有益技術效果:
[0025](I)可以方便的實現連續光與光學頻率梳完全重合鎖定；
[0026](2)能夠獲得高性噪比的連續光與光學頻率梳拍頻信號；
[0027](3)拍頻信號獲取空間光路更加容易方便快捷，而且長期穩定性也好。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的高性能連續光與光頻率梳重復頻率完全重合鎖定裝置的結構示意圖。
[0029]圖2是連續光移頻裝置的結構示意圖。
[0030]圖3是連續光與光學頻率梳拍頻裝置的結構示意圖。
[0031]圖中的標記分別表示:1、光學頻率梳，2、拍頻裝置，3、參考信號源，4、快速鎖相環電路，5、頻率綜合器，6、移頻裝置，7、連續激光器，8、第一光學頻率梳傳輸保偏光纖，9、連續光傳輸保偏光纖，10、第二單模保偏光纖，11、光纖光束耦合器，12、FC光纖接口的雪崩二級管，13、連續光輸入保偏光纖，14、聲光頻移器，15、I級衍射光輸出保偏光纖。
[0032]下面結合附圖并通過具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
【具體實施方式】
[0033]在以下的實施例中，所給出的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，采用濾波片選出與連續光相同的波段，通過單模保偏光纖輸出。
[0034]光學頻率梳選擇基于全固態光學頻率梳或者是基于光纖激光器的光學頻率梳，其重復頻率和載波包絡相移頻率精密鎖定在一個射頻源上，光學頻率梳的輸出光譜涵蓋連續光波長。
[0035]基于全固態光學頻率梳或者是基于光纖激光器的光學頻率梳，其重復頻率和載波包絡相移頻率通過鎖相環電路精密的鎖定在一個穩定的射頻源上;載波包絡相移頻率的控制是通過前反饋或者電流調制來實現;重復頻率的精密控制是通過反饋腔內的壓電陶瓷或者電光晶體來實現。
[0036]連續激光器可以是穩定的半導體激光器也可以是光纖激光器或者是全固態激光器。連續激光器通過空間耦合或者光纖熔接的方式將連續光輸入到單模保偏光纖中，如要轉為空間輸出，需要采用非球面透鏡來準直輸出。
[0037]所述的拍頻裝置用于將光學頻率梳與連續光調整共線，然后通過雪崩二極管APD獲得拍頻ig號。
[0038]拍頻裝置采用單模保偏光纖結構的耦合器來達到拍頻共線，可以保證光學頻率梳與連續光光路完全重合，可以得到較高的信噪比。拍頻裝置中的APD的類型是選用光纖口，可以保證整個拍頻系統的穩定性。
[0039]移頻裝置，可以選用聲光移頻器AOFS或者電光移頻器EOFS來對連續光的頻率進行頻移。移頻裝置中的AOFS或者EOFS采用的是保偏光纖輸入和輸出，可以保證整個系統的穩定性。
[0040]參見圖1，本實施例給出一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，包括光路結構和電路結構，其中光路結構包括光學頻率梳1、拍頻裝置2、移頻裝置6和連續激光器7。
[0041]光學頻率梳I用于產生穩定的飛秒激光脈沖，飛秒激光脈沖傳輸至拍頻裝置2，同時連續光經過移頻裝置6后，一級衍射光也進入拍頻裝置2中，然后通過雪崩二極管探測可以得到連續光與光學頻率梳的拍頻電信號(f^t)。
[0042]電路結構包括參考信號源3、頻率綜合器5和快速鎖相環電路4，其中:
[0043]參考信號源3用于提供一個穩定的射頻參考信號，上述參考信號源3與頻率綜合器5同步后，二者就具有相同的頻率穩定性。將以上測得的連續光與光學頻率梳的拍頻信號與頻率綜合器5提供的參考信號同時進入快速鎖相環電路4中，經過混頻、比例積分放大后反饋控制連續激光波長控制驅動器7。通常控制器可以是壓電陶瓷或者電流。從而起到穩定和調控連續光波長的作用。
[0044]快速鎖相環電路裝置4用于控制連續激光波長，使用雪崩而激光探測光學頻率梳I與連續激光器7的拍頻信號(fbeat)，并將該信號與外部頻率綜合器5信號同時輸入給快速鎖相環電路，通過鑒相、比例積分放大處理得到反饋控制信號，然后將該控制信號驅動連續光的電流或者光柵上的壓電陶瓷，通過改變連續光電流大小或者通過改變壓電陶瓷伸長量改變光柵角度，從而將連續激光的波長調諧，實現拍頻信號鎖定在穩定的外部頻率綜合器上。
[0045]上述是連續光與光學頻率梳I完成重合鎖定方法的電路反饋控制部分，以下是詳細的光路部分。
[0046]光學頻率梳I的輸出脈沖激光平均功率大于5mW，輸出光譜的中心波長最好和連續激光輸出一致或者連續激光波長在光學頻率梳輸出光譜范圍之內，對于光學頻率梳重復頻率和輸出激光脈沖寬度沒有限制，保證整個光學頻率梳重復頻率和載波包絡相位頻率可以同時實現長時間鎖定，重復頻率鎖定精度高于50μΗζ，載波包絡相移頻率鎖定精度高于2mHz。
[0047]連續激光器7可以是全固態激光器也可以是外腔半導體激光或者光纖激光，激光輸出功率大于ImW，波長在光學頻率梳輸出光譜范圍內，激光線寬小于500kHz，波長控制穩定包括慢環控制和快環控制，這樣可以保證后續連續光與光學頻率梳長時間鎖定。
[0048]為了實現連續光與光學頻率梳完全重合鎖定，需要通過移頻裝置6來實現。移頻裝置6如圖2所示，包括聲光移頻器(A0FS)9兩端設置的用于連續光傳輸的第一、第二單模保偏光纖(8和1)、射頻放大器11和頻率綜合器5。
[0049]連續激光經過非球面透鏡耦合進入單模保偏光纖8后，經過聲光移頻器(A0FS)9將頻率移動后，再耦合進入單模保偏光纖10。其中射頻放大器11和頻率綜合器5用于提供聲光移頻器(A0FS)9的驅動，實現頻率的移動。移頻后的連續光用于進入拍頻裝置2。
[0050]拍頻裝置2如圖3所示，包括用于光學頻率梳激光傳輸的保偏光纖12、用于連續光傳輸的連續光輸入保偏光纖13、光學頻率梳與連續激光合束器14、適合連續光和光學頻率梳同時傳輸的I級衍射光輸出保偏光纖15，雪崩光電二極管激光16。
[0051]激光在全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置具體的傳播方式為:光學頻率梳I的激光通過非球面透鏡耦合進入第一單模保偏光纖8，連續光同樣采用非球面透鏡耦合進入聲光移頻器(A0FS)9，然后經過聲光移頻器(A0FS)9合束后進入第二單模保偏光纖10，然后采用FC/APC頭輸出耦合進入FC/APC頭。
[0052]其中，需要說明的是上述的單模保偏光纖采用的是適合連續光波長傳輸。采用保單模偏光纖傳輸可以很好的滿足拍頻所需同偏振、空間共線條件，這樣可以得到最佳的連續光與光學頻率梳的拍頻信號，信噪比可以達到35dB以上，滿足鎖定電路要求的拍頻信號
(f beat) ο
[0053]連續光與光學頻率梳完全重合鎖定主要依靠拍頻裝置2、移頻裝置6和鎖相環電路鎖定技術來實現，具體原理步驟為:
[0054]首先，將經過移頻裝置6移頻后的連續光vQ+fR(V。為未經過移頻前的光頻，fR為頻率綜合提供的射頻頻率)耦合進入拍頻裝置2后獲得拍頻信號fbe3at=(VQ+fR)-f_b(其中f_b為光學頻率梳的某個梳齒的光頻)。然后將拍頻信號經鎖相環電路將拍頻信號鎖定在頻率綜合器上即f beat = (V()+fR)-fc。mb = fR。這樣很容可以看出V() = fc。mb也就是連續光與光學頻率梳完全重合鎖定。傳統的鎖定方式連續光頻率總是與光學頻率梳有一個頻率差即VQ = f。-+Δ V無法達到完全重合鎖定。
[0055]由此可見，與傳統的連續光與光學頻率鎖定技術相比，本實施例給出的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，可以實現連續光與光學頻率梳完全重合鎖定。
[0056]最后所應說明的是，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，本發明不限于上述實施例，本領域的技術人員在本發明的技術方案的基礎上所進行的簡單修改或者等同替換，都不會脫離本發明技術方案保護的范圍。
【主權項】
1.一種全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，包括光路結構和電路結構，其特征在于: 所述光路結構包括光學頻率梳(I)、拍頻裝置(2)、移頻裝置(6)和連續激光器(7);其中: 所述連續激光器(7)用于產生連續激光，續激光傳輸至移頻裝置(6)時，零級衍射光進入拍頻裝置(2)，同時所述光學頻率梳(I)用于產生穩定的飛秒激光脈沖，飛秒激光脈沖傳輸在拍頻裝置(2)中探測獲得連續光與光學頻率梳的拍頻信號； 所述電路結構包括參考信號源(3)、頻率綜合器(5)和快速鎖相環電路(4);其中: 所述參考信號源(3)用于提供一個穩定的射頻參考信號，將頻率綜合器與參考信號同步，使得頻率綜合器與參考信號源具有相同的頻率穩定性;所述頻率綜合器(5)給移頻裝置(6)提供移頻電信號，同時為快速鎖相環電路(4)提供輸入信號，在快速鎖相環電路(4)中，連續光與光學頻率梳(I)獲得拍頻信號與射頻信號進行混頻，得到的混頻信號經放大直接輸給連續激光器(7)中的壓電陶瓷或者電流，使得連續光與光學頻率梳鎖定。2.如權利要求1所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述光學頻率梳(I)的輸出脈沖激光的平均功率大于20mW，輸出重復頻率大于200MHz，輸出光譜能夠覆蓋連續光的波長，輸出激光的脈沖寬度在fs量級或者ps量級。3.如權利要求1或2所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述光學頻率梳(I)包括飛秒激光振蕩器，用于輸出梳齒結構。4.如權利要求3所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述飛秒激光振蕩器是光纖激光振蕩器，或者是全固態激光振蕩器。5.如權利要求1所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述光學頻率梳(I)還包括腔內色散控制裝置，它們是啁啾鏡，或者是光柵對，或者是棱鏡對，或者光子晶體光纖。6.如權利要求1所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述光學頻率梳(I)還包括腔內調制元件，用于鎖定光學頻率梳的載波包絡相移頻率，腔內調制元件是栗浦電流或者是聲光調制器。7.如權利要求1所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述光學頻率梳(I)還包括電路部分及重復頻率和載波包絡相移頻率鎖相環電路，用于將重復頻率和載波包絡相移頻率鎖定在一個穩定的射頻源中。8.如權利要求1所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述連續激光器(7)是穩定的半導體激光器，或者是光纖激光器或者是全固態激光器。9.如權利要求1所述的全光纖連續光與光學頻率梳的鎖定裝置，其特征在于，所述的拍頻裝置(2)采用單模保偏光纖結構的耦合器。
【文檔編號】G02F1/35GK106019763SQ201610307263
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】侯磊, 白晉濤, 郭鴻宇, 陸寶樂, 陳浩偉
【申請人】西北大學