專利名稱：一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法
一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法
技術領域：
本發明涉及一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法。
背景技術：
高重復頻率的光學頻率梳(簡稱光梳)在高精度激光測距、精密光譜測量和天文光譜學方面有著極其重要的應用價值。由于高重復頻率的光梳脈沖時間間隔短，在基于飛行時間的測距方案中可以提高距離的測量分辨率；同時它在頻率域的縱模頻率間隔大，即光譜范圍內的光梳齒的個數少，有利于提高單個頻率梳齒的能量，也大頻率間隔的天文光譜測量提供了有力的探測光源。所以實現具有高重復頻率脈沖特性的光梳具有重要的實用價值。傳統產生高重復頻率光梳(即重復頻率在GHz量級及以上)的方法主要是利用短腔法。
由于鎖模諧振腔內產生脈沖的重復頻率f與有效腔長L存在關系式f = c/L，其中c為真空中光速，有效腔長L=nL’，其中n為激光腔平均折射率，L’為激光器的物理長度。所以通過減小折射率n或是縮短腔長L’可達到提高重復頻率的作用。但是由于折射率n有材料的固有性質決定不宜改變，所以通常采用縮短腔長L’的方式提高激光器的脈沖重復頻率。這種方法的最大缺點在于激光腔內的鎖模器件或是加工技術通常會限制腔長，從而很難用短腔法實現重復頻率在IOGHz以上的鎖模脈沖，因為此時有效腔長僅為3cm，對激光器的設計提出了巨大的難題。另外，短腔法產生的高重復頻率脈沖的缺點還包括1、短腔激光器對腔長的物理抖動敏感，抗噪聲能力差，以至于鎖模脈沖的穩定度
較差；2、由于激光腔空間小，所以腔內難以放入調節器件對脈沖的一些光學參數進行調整，如色散，脈寬、偏振態，載波包絡相位等；3、短腔法產生的鎖模脈沖CEP零頻線寬較寬，對反饋伺服電路系統的響應帶寬要求較高；4、激光器腔加工精度要求高，不易調整與結構優化。總之,傳統技術在實現具有載波包絡相位長期穩定的光梳光源方面仍有較大難度。
發明內容本發明目的是克服了現有技術的不足，提供一種擺脫了激光器腔長的束縛的產生高重復頻率光學頻率梳的方法。本發明是通過以下技術方案實現的一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于采用激光器上實現重復頻率鎖定的主動諧波鎖模使激光器輸出脈沖的重復頻率是腔長的基次重復頻率的N倍；其次利用多級級聯放大對振蕩器的種子脈沖進行光功率放大；然后利用載波包絡相位零頻自參考干涉儀測量諧波鎖模脈沖的載波包絡相位零頻信號，并通過載波包絡相位噪聲前饋控制精確鎖定諧波脈沖的零頻抖動，得到高重復頻率的光學頻率梳。如上所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的零頻自參考干涉儀為0-f自參考干涉儀或共線型f-2f自參考干涉儀或非共線型f-2f自參考干涉儀。如上所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的重復頻率鎖定的主動諧波鎖模是指在激光器腔內加入調頻器，在保證泵浦光功率足夠的條件下，使調頻器的驅動頻率f=N (c/L)，其中c為真空中光速，L=nL’為激光器有效腔長，n為激光介質的平均折射率，L’為激光腔的物理長度，N為諧波鎖模級次，為正整數。如上所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的級聯放大是指依次使用兩個或兩個以上的激光放大器對種子激光進行功率放大，其中每兩個放大器之間使用一個光隔離器，以防止后繼放大器的反向傳播光對前級放大器造成破壞。
如上所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的重復頻率的鎖定是指利用標準頻率源信號作為射頻信號發生器的同步時鐘源，利用鎖定的信號發生器產生頻率穩定并且可調節的射頻信號驅動調頻器。根據權利要求1所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的載波包絡相位零頻自參考測量是指利用激光脈沖的高頻成分(2m*fr+f0)與低頻成分的倍頻2 (m fr+fO)進行拍頻,其中m為激光器的縱模個數，為正整數，f0為載波包絡相位零頻。如上所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的載波包絡相位噪聲前饋控制是指將諧波鎖模脈沖送入一個聲光頻移器，其0級輸出光通過零頻自參考測量儀產生拍頻信號f0。與現有技術相比，本發明有如下優點本發明采用諧波鎖模的方式產生高重復頻率脈沖，從而擺脫了激光器腔長的束縛，在很大程度上放寬了高重復頻率脈沖的產生條件。同時方案采用了載波包絡相位噪聲前饋控制技術有效地消除了諧波脈沖的相位噪聲，從而可以方便地實現高重復頻率光梳脈沖，且該技術相位噪聲低、系統簡單，易于集成化。另外，諧波鎖模激光器沒有腔長度的限制，便于放置色散和偏振控制元件，從而利于實現對激光脈沖特性的調節，以保證激光器輸出的穩定性。
圖1為諧波鎖模光梳的裝置示意圖；圖2為諧波鎖模激光器的示意圖；圖3為諧波鎖模脈沖放大器的示意圖；圖4為零頻探測系統的示意圖。
具體實施方式一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法，采用激光器上實現重復頻率鎖定的主動諧波鎖模使激光器輸出脈沖的重復頻率是腔長的基次重復頻率的N倍；其次利用多級級聯放大對振蕩器的種子脈沖進行光功率放大；然后利用載波包絡相位零頻自參考干涉儀測量諧波鎖模脈沖的載波包絡相位零頻信號，并通過載波包絡相位噪聲前饋控制精確鎖定諧波脈沖的零頻抖動，得到高重復頻率的光學頻率梳。
所述的零頻自參考干涉儀為0_f自參考干涉儀或共線型f_2f自參考干涉儀或非共線型f-2f自參考干涉儀。所述的重復頻率鎖定的主動諧波鎖模是指在激光器腔內加入調頻器，在保證泵浦光功率足夠的條件下，使調頻器的驅動頻率f=N (c/L)，其中c為真空中光速，L=nL’為激光器有效腔長，n為激光介質的平均折射率，L’為激光腔的物理長度，N為諧波鎖模級次，為正整數。此時，激光器將工作在N次諧波鎖模狀態，輸出脈沖的重復頻率為N fr。所述的級聯放大是指依次使用兩個或兩個以上的激光放大器對種子激光進行功率放大，其中每兩個放大器之間使用一個光隔離器，以防止后繼放大器的反向傳播光對前級放大器造成破壞。采用級聯放大技術的目的主要是減少放大過程中的自發輻射等噪聲，同時保證高功率放大脈沖的穩定輸出。所述的重復頻率的鎖定是指利用標準頻率源信號作為射頻信號發生器的同步時 鐘源，利用鎖定的信號發生器產生頻率穩定并且可調節的射頻信號驅動調頻器。此時，在主動鎖模技術中，調頻器調制頻率的穩定度在很大程度上決定了激光鎖模脈沖重復頻率的穩定度，所以可以實現對脈沖重復頻率的鎖定。所述的載波包絡相位零頻自參考測量是指利用激光脈沖的高頻成分(2m fr+fO)與低頻成分的倍頻2 (m &■+ ))進行拍頻，其中m為激光器的縱模個數，為正整數，f0為載波包絡相位零頻。拍頻信號的低頻成分fB=2(m fr+fO)-(2m fr+fO) =f0,正是激光載波包絡相位零頻。所述的載波包絡相位噪聲前饋控制是指將諧波鎖模脈沖送入一個聲光頻移器，其0級輸出光通過零頻自參考測量儀產生拍頻信號f0。由于相位噪聲的存在，所以f0會在一個頻率范圍內波動，即fo+ Af, Af為頻率-相位噪聲。該信號f0+ A經過帶通濾波放大器和功率放大器后驅動聲光移頻器，此時移頻器的I級輸出光將產生-(f0+Af)的頻移量，從而抵消了原有的零頻信號噪聲Af0如圖1所示，本發明具體實施過程如下 首先，利用標準頻率源H為射頻信號發生器G產生標準同步時鐘，調節射頻信號發生器G產生頻率為鎖模激光器A基次鎖模頻率(fr) N倍的驅動頻率信號，通過鎖模激光器A中的調頻器使鎖模激光器A產生重復頻率為N fr的脈沖信號。之后，對該高重復頻率脈沖信號通過光放大器B進行光脈沖放大及通過壓縮器C脈寬壓縮，為零頻探測和高功率脈沖輸出提供能量。然后，使該諧波鎖模脈沖通過一個聲光頻移器D，其零級衍射光具有一定的發散角，需要經過曲面鏡M進行光學整形，減小光束發散角；并經過自參考零頻測量系統F，產生載波包絡位相的拍頻信號fo。最后，將該電學信號送入聲光頻移器的調制驅動電路E用于驅動聲光頻移器D，使其一級衍射光被頻移-fo，或者將該拍頻信號與一個標準頻率信號f’混頻，產生頻率信號f’ +f0，然后用該混頻信號經帶通濾波放大后驅動聲光頻移器D，此時一級衍射被頻移_(f0+f’ )。上述兩種情況分別將諧波鎖模脈沖的載波包絡相位鎖定在0和標準頻率f’上。由于激光器的重復頻率和載波零頻同時被信號發生器和AOFS精密鎖定，所以實現了高重復頻率的激光光梳脈沖輸出。本發明主動諧波鎖模的通過如下系統實現
采用一個摻鉺光纖激光器為振蕩源1、激光器穩定的諧波鎖模的實現。如圖2所示(I)頻率源I為IOMHz的銣原子鐘，頻率精度到13位，用于提供穩定的同步信號。(2)信號發生器2在同步信號下，用于產生穩定的頻率驅動信號f=8GHz。(3)光纖聲光調制器(A0M)3，用于對光纖激光腔內的光場相位進行周期調制，進而實現對激光器的諧波鎖模，調制頻率由信號發生器提供，f=8GHz。(4)摻鉺光纖4為光纖激光器的增益介質，在泵光的激發下產生激光。激光腔的長 度為2. 6m，對應于脈沖基次重復頻率fr=80MHz。(5)偏振控制器5和光隔離器6 —起用于輔助實現諧波鎖模脈沖。(6)通過信號發生器2緩慢調節AOM的驅動頻率，當f精確等于N fr時，產生諧波鎖模脈沖，N=IOO。(7)利用光電探測器探測輸出脈沖的重復頻率，并將該信號與信號發生器的輸出信號做混頻，產生誤差信號，將該誤差信號放大后驅動壓電陶瓷(PZT)7，從而達到精確鎖定激光器重復頻率的目的。由于PZT上纏繞有光纖，PZT的伸縮將會改變光纖的有效長度，所以可以用來控制激光器腔長，進而控制脈沖的重復頻率。2、放大和壓縮的實現。(I)如圖3至圖4所示，放大器采用泵浦源11同向泵浦方式，以雙包層摻鉺光纖12為放大增益介質。放大過程采用兩級級聯放大，放大器中間放置了一個光隔離器(ISO) 13，防止激光沿原路返回并破壞前級放大器和振蕩器。最后一級放大器的輸出功率大于1W。(2)脈沖壓縮采用的一對透射式光柵14，其中M為高反鏡，通過調節光柵之間的距離可以使得脈寬達到最窄。采用透射式光柵的優勢在于a、壓縮效率高，b、抗損傷閾值高，可以實現高功率脈沖的有效壓縮。C、零頻探測的實現。如圖所示，方案中f自參考零頻干涉測量裝置采用常見的共線式結構，即諧波脈沖進過一塊周期調制的鈮酸鋰晶體(PPLN) 20后，產生覆蓋一個倍頻層的超連續譜，同時在PPLN晶體中連續譜的高頻成分(2m fr+fO)與低頻成分的倍頻光2Cm fr+fO)進行拍頻，并實現零頻的拍頻探測，即拍頻fB=2(m fr+fO)-(2m fr+fO) =f0,其中m為激光器的縱模個數，為正整數，f0為載波包絡相位零頻，fO=25MHz。如圖4所示，諧波鎖模的拍頻信號零頻f0信號分布在基次頻率fr的兩側，由于諧波鎖模過程提高脈沖的重復頻率，所以抑制了基次頻率fr，但是對脈沖相位特性沒有限制，所以同樣采用零頻探測的方法準確測量諧波鎖模脈沖的零頻信號。4、諧波鎖模脈沖載波包絡零頻的鎖定。根據零頻信號的頻段，選擇聲光頻移器的中心波長在1550nm，驅動頻率為25MHz。將含有一定噪聲的零頻f0信號通過電路帶通濾波放大后直接驅動聲光頻移器A0FS。AOFS的一級衍射光的載波包絡相位偏移量為_f0，所以鎖定后脈沖載波包絡相位零頻為fo-fo=o。
權利要求
1.一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于采用激光器上實現重復頻率鎖定的主動諧波鎖模使激光器輸出脈沖的重復頻率是腔長的基次重復頻率的N倍；其次利用多級級聯放大對振蕩器的種子脈沖進行光功率放大；然后利用載波包絡相位零頻自參考干涉儀測量諧波鎖模脈沖的載波包絡相位零頻信號，并通過載波包絡相位噪聲前饋控制精確鎖定諧波脈沖的零頻抖動，得到高重復頻率的光學頻率梳。
2.根據權利要求1所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的零頻自參考干涉儀為Ο-f自參考干涉儀或共線型f_2f自參考干涉儀或非共線型f_2f自參考干涉儀。
3.根據權利要求1所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的重復頻率鎖定的主動諧波鎖模是指在激光器腔內加入調頻器，在保證泵浦光功率足夠的條件下，使調頻器的驅動頻率f=N· (c/L)，其中c為真空中光速，L=nL’為激光器有效腔長，η為激光介質的平均折射率，L’為激光腔的物理長度，N為諧波鎖模級次，為正整數。
4.根據權利要求1所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的級聯放大是指依次使用兩個或兩個以上的激光放大器對種子激光進行功率放大，其中每兩個放大器之間使用一個光隔離器，以防止后繼放大器的反向傳播光對前級放大器造成破壞。
5.根據權利要求3所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的重復頻率的鎖定是指利用標準頻率源信號作為射頻信號發生器的同步時鐘源，利用鎖定的信號發生器產生頻率穩定并且可調節的射頻信號驅動調頻器。根據權利要求1所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的載波包絡相位零頻自參考測量是指利用激光脈沖的高頻成分(2m*fr+f0)與低頻成分的倍頻2 (m · fr+fO)進行拍頻,其中m為激光器的縱模個數，為正整數，f0為載波包絡相位零頻。
6.根據權利要求1所述的產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其特征在于所述的載波包絡相位噪聲前饋控制是指將諧波鎖模脈沖送入一個聲光頻移器，其O級輸出光通過零頻自參考測量儀產生拍頻信號f0。
全文摘要
本發明公開了一種產生高重復頻率光學頻率梳的方法，其技術方案的要點是，采用激光器上實現重復頻率鎖定的主動諧波鎖模使激光器輸出脈沖的重復頻率是腔長的基次重復頻率的N倍；其次利用多級級聯放大對振蕩器的種子脈沖進行光功率放大；然后利用載波包絡相位零頻自參考干涉儀測量諧波鎖模脈沖的載波包絡相位零頻信號，并通過載波包絡相位噪聲前饋控制精確鎖定諧波脈沖的零頻抖動，得到高重復頻率的光學頻率梳。本發明目的是克服了現有技術的不足，提供一種擺脫了激光器腔長的束縛的產生高重復頻率光學頻率梳的方法。
文檔編號H01S3/13GK103001114SQ20121046521
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者梁崇智, 曾和平, 閆明 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司