CN103001114A - 一种产生高重复频率光学频率梳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生高重复频率光学频率梳的方法，其技术方案的要点是，采用激光器上实现重复频率锁定的主动谐波锁模使激光器输出脉冲的重复频率是腔长的基次重复频率的N倍；其次利用多级级联放大对振荡器的种子脉冲进行光功率放大；然后利用载波包络相位零频自参考干涉仪测量谐波锁模脉冲的载波包络相位零频信号，并通过载波包络相位噪声前馈控制精确锁定谐波脉冲的零频抖动，得到高重复频率的光学频率梳。本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种摆脱了激光器腔长的束缚的产生高重复频率光学频率梳的方法。

Description

一种产生高重复频率光学频率梳的方法

【技术领域】

本发明涉及一种产生高重复频率光学频率梳的方法。 

【背景技术】

高重复频率的光学频率梳（简称光梳）在高精度激光测距、精密光谱测量和天文光谱学方面有着极其重要的应用价值。由于高重复频率的光梳脉冲时间间隔短，在基于飞行时间的测距方案中可以提高距离的测量分辨率；同时它在频率域的纵模频率间隔大，即光谱范围内的光梳齿的个数少，有利于提高单个频率梳齿的能量，也大频率间隔的天文光谱测量提供了有力的探测光源。所以实现具有高重复频率脉冲特性的光梳具有重要的实用价值。传统产生高重复频率光梳（即重复频率在GHz量级及以上）的方法主要是利用短腔法。由于锁模谐振腔内产生脉冲的重复频率f与有效腔长L存在关系式f＝c/L，其中c为真空中光速，有效腔长L=nL’，其中n为激光腔平均折射率，L’为激光器的物理长度。所以通过减小折射率n或是缩短腔长L’可达到提高重复频率的作用。但是由于折射率n有材料的固有性质决定不宜改变，所以通常采用缩短腔长L’的方式提高激光器的脉冲重复频率。这种方法的最大缺点在于激光腔内的锁模器件或是加工技术通常会限制腔长，从而很难用短腔法实现重复频率在10GHz以上的锁模脉冲，因为此时有效腔长仅为3cm，对激光器的设计提出了巨大的难 题。 

另外，短腔法产生的高重复频率脉冲的缺点还包括： 

1、短腔激光器对腔长的物理抖动敏感，抗噪声能力差，以至于锁模脉冲的稳定度较差； 

2、由于激光腔空间小，所以腔内难以放入调节器件对脉冲的一些光学参数进行调整，如色散，脉宽、偏振态，载波包络相位等； 

3、短腔法产生的锁模脉冲CEP零频线宽较宽，对反馈伺服电路系统的响应带宽要求较高； 

4、激光器腔加工精度要求高，不易调整与结构优化。 

总之，传统技术在实现具有载波包络相位长期稳定的光梳光源方面仍有较大难度。 

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种摆脱了激光器腔长的束缚的产生高重复频率光学频率梳的方法。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：采用激光器上实现重复频率锁定的主动谐波锁模使激光器输出脉冲的重复频率是腔长的基次重复频率的N倍；其次利用多级级联放大对振荡器的种子脉冲进行光功率放大；然后利用载波包络相位零频自参考干涉仪测量谐波锁模脉冲的载波包络相位零频信号，并通过载波包络相位噪声前馈控制精确锁定谐波脉冲的零频抖动，得到高重复频率的光学频率梳。 

如上所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的零频自参考干涉仪为0-f自参考干涉仪或共线型f-2f自参考干涉仪或非共线型f-2f自参考干涉仪。 

如上所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的重复频率锁定的主动谐波锁模是指在激光器腔内加入调频器，在保证泵浦光功率足够的条件下，使调频器的驱动频率f=N·(c/L)，其中c为真空中光速，L=nL’为激光器有效腔长，n为激光介质的平均折射率，L’为激光腔的物理长度，N为谐波锁模级次，为正整数。 

如上所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的级联放大是指依次使用两个或两个以上的激光放大器对种子激光进行功率放大，其中每两个放大器之间使用一个光隔离器，以防止后继放大器的反向传播光对前级放大器造成破坏。 

如上所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的重复频率的锁定是指利用标准频率源信号作为射频信号发生器的同步时钟源，利用锁定的信号发生器产生频率稳定并且可调节的射频信号驱动调频器。根据权利要求1所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的载波包络相位零频自参考测量是指利用激光脉冲的高频成分(2m·fr+f0)与低频成分的倍频2（m·fr+f0）进行拍频，其中m为激光器的纵模个数，为正整数，f0为载波包络相位零频。 

如上所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的载波包络相位噪声前馈控制是指将谐波锁模脉冲送入一个声光 频移器，其0级输出光通过零频自参考测量仪产生拍频信号f0。 

与现有技术相比，本发明有如下优点： 

本发明采用谐波锁模的方式产生高重复频率脉冲，从而摆脱了激光器腔长的束缚，在很大程度上放宽了高重复频率脉冲的产生条件。同时方案采用了载波包络相位噪声前馈控制技术有效地消除了谐波脉冲的相位噪声，从而可以方便地实现高重复频率光梳脉冲，且该技术相位噪声低、系统简单，易于集成化。另外，谐波锁模激光器没有腔长度的限制，便于放置色散和偏振控制元件，从而利于实现对激光脉冲特性的调节，以保证激光器输出的稳定性。 

【附图说明】

图1为谐波锁模光梳的装置示意图； 

图2为谐波锁模激光器的示意图； 

图3为谐波锁模脉冲放大器的示意图； 

图4为零频探测系统的示意图。 

【具体实施方式】

一种产生高重复频率光学频率梳的方法，采用激光器上实现重复频率锁定的主动谐波锁模使激光器输出脉冲的重复频率是腔长的基次重复频率的N倍；其次利用多级级联放大对振荡器的种子脉冲进行光功率放大；然后利用载波包络相位零频自参考干涉仪测量谐波锁模脉冲的载波包络相位零频信号，并通过载波包络相位噪声前馈控制精确锁定谐波脉冲的零频抖动，得到高重复频率的光学频率梳。 

所述的零频自参考干涉仪为0-f自参考干涉仪或共线型f-2f自 参考干涉仪或非共线型f-2f自参考干涉仪。 

所述的重复频率锁定的主动谐波锁模是指在激光器腔内加入调频器，在保证泵浦光功率足够的条件下，使调频器的驱动频率f=N·(c/L)，其中c为真空中光速，L=nL’为激光器有效腔长，n为激光介质的平均折射率，L’为激光腔的物理长度，N为谐波锁模级次，为正整数。此时，激光器将工作在N次谐波锁模状态，输出脉冲的重复频率为N·fr。 

所述的级联放大是指依次使用两个或两个以上的激光放大器对种子激光进行功率放大，其中每两个放大器之间使用一个光隔离器，以防止后继放大器的反向传播光对前级放大器造成破坏。采用级联放大技术的目的主要是减少放大过程中的自发辐射等噪声，同时保证高功率放大脉冲的稳定输出。 

所述的重复频率的锁定是指利用标准频率源信号作为射频信号发生器的同步时钟源，利用锁定的信号发生器产生频率稳定并且可调节的射频信号驱动调频器。此时，在主动锁模技术中，调频器调制频率的稳定度在很大程度上决定了激光锁模脉冲重复频率的稳定度，所以可以实现对脉冲重复频率的锁定。 

所述的载波包络相位零频自参考测量是指利用激光脉冲的高频成分(2m·fr+f0)与低频成分的倍频2（m·fr+f0）进行拍频，其中m为激光器的纵模个数，为正整数，f0为载波包络相位零频。拍频信号的低频成分fB=2(m·fr+f0)-(2m·fr+f0)=f0,正是激光载波包络相位零频。 

所述的载波包络相位噪声前馈控制是指将谐波锁模脉冲送入一个声光频移器，其0级输出光通过零频自参考测量仪产生拍频信号f0。由于相位噪声的存在，所以f0会在一个频率范围内波动，即f0+Δf，Δf为频率-相位噪声。该信号f0+Δ经过带通滤波放大器和功率放大器后驱动声光移频器，此时移频器的1级输出光将产生-（f0+Δf）的频移量，从而抵消了原有的零频信号噪声Δf。 

如图1所示，本发明具体实施过程如下： 

首先，利用标准频率源H为射频信号发生器G产生标准同步时钟，调节射频信号发生器G产生频率为锁模激光器A基次锁模频率（fr）N倍的驱动频率信号，通过锁模激光器A中的调频器使锁模激光器A产生重复频率为N·fr的脉冲信号。 

之后，对该高重复频率脉冲信号通过光放大器B进行光脉冲放大及通过压缩器C脉宽压缩，为零频探测和高功率脉冲输出提供能量。 

然后，使该谐波锁模脉冲通过一个声光频移器D，其零级衍射光具有一定的发散角，需要经过曲面镜M进行光学整形，减小光束发散角；并经过自参考零频测量系统F，产生载波包络位相的拍频信号f0。 

最后，将该电学信号送入声光频移器的调制驱动电路E用于驱动声光频移器D，使其一级衍射光被频移-f0，或者将该拍频信号与一个标准频率信号f’混频，产生频率信号f’+f0，然后用该混频信号经带通滤波放大后驱动声光频移器D，此时一级衍射被频移-(f0+f’)。上述两种情况分别将谐波锁模脉冲的载波包络相位锁定在0和标准频率f’上。由于激光器的重复频率和载波零频同时被信号发生器和 AOFS精密锁定，所以实现了高重复频率的激光光梳脉冲输出。 

本发明主动谐波锁模的通过如下系统实现： 

采用一个掺铒光纤激光器为振荡源： 

1、激光器稳定的谐波锁模的实现。如图2所示： 

（1）频率源1为10MHz的铷原子钟，频率精度到13位，用于提供稳定的同步信号。 

（2）信号发生器2在同步信号下，用于产生稳定的频率驱动信号f=8GHz。 

（3）光纤声光调制器（AOM）3，用于对光纤激光腔内的光场相位进行周期调制，进而实现对激光器的谐波锁模，调制频率由信号发生器提供，f=8GHz。 

（4）掺铒光纤4为光纤激光器的增益介质，在泵光的激发下产生激光。激光腔的长度为2.6m，对应于脉冲基次重复频率fr=80MHz。 

（5）偏振控制器5和光隔离器6一起用于辅助实现谐波锁模脉冲。 

（6）通过信号发生器2缓慢调节AOM的驱动频率，当f精确等于N·fr时，产生谐波锁模脉冲，N=100。 

（7）利用光电探测器探测输出脉冲的重复频率，并将该信号与信号发生器的输出信号做混频，产生误差信号，将该误差信号放大后驱动压电陶瓷（PZT）7，从而达到精确锁定激光器重复频率的目的。由于PZT上缠绕有光纤，PZT的伸缩将会改变光纤的有效长度，所以可以用来控制激光器腔长，进而控制脉冲的重复频率。 

2、放大和压缩的实现。 

（1）如图3至图4所示，放大器采用泵浦源11同向泵浦方式，以双包层掺铒光纤12为放大增益介质。放大过程采用两级级联放大，放大器中间放置了一个光隔离器（ISO）13，防止激光沿原路返回并破坏前级放大器和振荡器。最后一级放大器的输出功率大于1W。 

（2）脉冲压缩采用的一对透射式光栅14，其中M为高反镜，通过调节光栅之间的距离可以使得脉宽达到最窄。采用透射式光栅的优势在于：a、压缩效率高，b、抗损伤阈值高，可以实现高功率脉冲的有效压缩。 

c、零频探测的实现。如图所示，方案中f自参考零频干涉测量装置采用常见的共线式结构，即谐波脉冲进过一块周期调制的铌酸锂晶体（PPLN）20后，产生覆盖一个倍频层的超连续谱，同时在PPLN晶体中连续谱的高频成分(2m·fr+f0)与低频成分的倍频光2（m·fr+f0）进行拍频，并实现零频的拍频探测，即拍频fB=2(m·fr+f0)-(2m·fr+f0)=f0，其中m为激光器的纵模个数，为正整数，f0为载波包络相位零频，f0=25MHz。如图4所示，谐波锁模的拍频信号零频f0信号分布在基次频率fr的两侧，由于谐波锁模过程提高脉冲的重复频率，所以抑制了基次频率fr，但是对脉冲相位特性没有限制，所以同样采用零频探测的方法准确测量谐波锁模脉冲的零频信号。 

4、谐波锁模脉冲载波包络零频的锁定。根据零频信号的频段，选择声光频移器的中心波长在1550nm，驱动频率为25MHz。将含有一定噪声的零频f0信号通过电路带通滤波放大后直接驱动声光频移器AOFS。AOFS的一级衍射光的载波包络相位偏移量为-f0，所以锁定后脉冲载 波包络相位零频为f0-f0=0。 

Claims (6)

1.一种产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：采用激光器上实现重复频率锁定的主动谐波锁模使激光器输出脉冲的重复频率是腔长的基次重复频率的N倍；其次利用多级级联放大对振荡器的种子脉冲进行光功率放大；然后利用载波包络相位零频自参考干涉仪测量谐波锁模脉冲的载波包络相位零频信号，并通过载波包络相位噪声前馈控制精确锁定谐波脉冲的零频抖动，得到高重复频率的光学频率梳。

2.根据权利要求1所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的零频自参考干涉仪为0-f自参考干涉仪或共线型f-2f自参考干涉仪或非共线型f-2f自参考干涉仪。

3.根据权利要求1所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的重复频率锁定的主动谐波锁模是指在激光器腔内加入调频器，在保证泵浦光功率足够的条件下，使调频器的驱动频率f=N·(c/L)，其中c为真空中光速，L=nL’为激光器有效腔长，n为激光介质的平均折射率，L’为激光腔的物理长度，N为谐波锁模级次，为正整数。

4.根据权利要求1所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的级联放大是指依次使用两个或两个以上的激光放大器对种子激光进行功率放大，其中每两个放大器之间使用一个光隔离器，以防止后继放大器的反向传播光对前级放大器造成破坏。

5.根据权利要求3所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的重复频率的锁定是指利用标准频率源信号作为射频信号发生器的同步时钟源，利用锁定的信号发生器产生频率稳定并且可调节的射频信号驱动调频器。根据权利要求1所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的载波包络相位零频自参考测量是指利用激光脉冲的高频成分(2m·fr+f0)与低频成分的倍频2（m·fr+f0）进行拍频，其中m为激光器的纵模个数，为正整数，f0为载波包络相位零频。

6.根据权利要求1所述的产生高重复频率光学频率梳的方法，其特征在于：所述的载波包络相位噪声前馈控制是指将谐波锁模脉冲送入一个声光频移器，其0级输出光通过零频自参考测量仪产生拍频信号f0。

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