CN103460526A - 具有大的梳间距的频梳源 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种提供大的梳间距的频梳激光器。至少一个实施例包括锁模波导激光系统。锁模波导激光器包括具有波导的激光腔，和腔内的色散控制单元（DCU）。所述DCU对在腔内传播的光束施加角色散、群速度色散（GVD）和空间啁啾。所述DCU能够产生从正值到负值范围的净GVD。在一些实施例中，提供了被设置为光频合成器的可调谐光纤频率梳系统。在至少一个实施例中，低相位噪声微波源可通过具有大于约1GHz的梳间距的光纤梳激光器实施。激光系统适于可批量生产具有大梳间距和低噪声的光纤梳源。应用包括高分辨率光谱分析。

Description

具有大的梳间距的频梳源
相关申请的交叉引用
本申请涉及申请日为2010年9月30日并且发明名称为“Opticalsignalprocessingwithmodelockedlasers”的美国专利申请No.12/895,127。
本申请涉及申请日为2009年12月3日并且发明名称为“Highlyrare-earth-dopedopticalfibersforfiberlasersandamplifiers”的美国专利申请No.12/630,550。
本申请涉及申请日为2009年3月6日并且发明名称为“Opticalscanningandimagingsystemsbasedondualpulsedlasersystems”的美国专利申请No.12/399,435。
本申请涉及申请日为2006年10月13日并且发明名称为“Laserbasedfrequencystandardsandtheirapplication”的美国专利申请No.11/546,998，现为美国专利7,809,222。
本申请涉及申请日为2006年3月10日并且发明名称为“Pulsedlasersources”的美国专利申请No.11/372,859，现为美国专利7,649,915。
申请号为12/895,127、12/630,550、12/399,435、11/546,998和11/372,859的专利申请公开内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用。
技术领域
本发明涉及具有大梳间距的光纤梳源和放大器，允许重复率和载波相位控制以及它们应用于精密计量中。
背景技术
基于光纤激光的梳源对于精密光谱学中的应用变得越来越是选择的激光器。许多所述应用要求在(一)GHz或若干GHz量级的大的梳间距，通过可调重复率的精确梳控制，以及载波相位控制。此外，所述光纤梳的定时(时基)抖动和载波相位噪声应最小化。
梳源的许多应用实际上已经被确认并可包括例如高精度频率合成器，所有的光学时钟（参见T.Udem等人的‘Opticalfrequencymetrology’,Nature,Vol.416,pp.233(2002)）和用于光谱仪校准的频率标尺（参见C.H.Li等人的‘Alaserfrequencycombthatenablesradialvelocitymeasurementswithaprecisionof1cm/s’,Nature,Vol.,452,pp.610(2008)）。其它的应用已经在I.Hartl和M.E.Fermann的Laserbasedfrequencystandardsandtheirapplications的美国专利7,809,222中得到确认。
另一个重要的应用涉及低相位噪声微波或射频源，用于原子频率标准、雷达和遥感，参见A.Bartels等人的Femtosecond-laser-basedsynthesisofultrastablemicrowavesignalsfromopticalfrequencyreferences,OpticsLetters,Vol.30,Issue6,pp.667-669(2005).
尽管光纤梳技术有许多实际进展，但具有大的梳间距的光纤梳源仍难以制造并且不易适用于(大)批量生产。此外，产生具有宽间距的梳形线的宽频谱是有挑战性的。开发用于中红外光谱区域的实用梳源仍然特别困难。
发明内容
在一个方面，本发明涉及可批量生产的具有大的梳间距和低噪声的光纤梳源及其应用。所述梳源基于锁模波导振荡器。
至少一个实施例包括锁模波导梳激光器，所述锁模波导梳激光器在激光腔中具有紧凑的色散控制单元（DCU）。所述DCU可能能够产生从正值到负值范围的净GVD，并优选提供色散的连续调节。在不同的实施例中，DCU可提供较通过基于光纤布拉格光栅(Bragggrating)的色散补偿器可获得的低的多的损耗。
在不同的实施例中，使用单个角色散光学元件提供了非常紧凑和易于调节的色散补偿元件。所述色散元件可被结合入锁模波导腔中，允许重复率和载波相位控制及低的载波相位噪声。另外，结合了低损耗带宽控制，这对于构建具有高脉冲能量的脉冲源是有益的。
通过在高重复率锁模波导腔内选择大值的负色散，可获得良好的脉冲稳定性。
通过波导振荡器的输出的振幅调制进一步促进了具有减小的功率要求的宽带超连续谱产生。
通过波导振荡器的输出的振幅调制还进一步促进了具有减小的功率要求的差频产生。
通过实施腔长度调整可快速调谐各梳形线。光纤激光器输出还可被锁定到单频激光器例如量子级联激光器以便产生工作在中红外光谱区域的快速可调光学频率合成器。快速可调频率合成器还可用于吸收光谱学。
利用标准的光谱技术和实施宽带吸收光谱，大的梳间距提供各梳形线的分辨率。
通过利用光学参考(基准)和梳激光器之间的微波拍频信号将梳激光器锁定至精密光学参考(基准)频率利用具有大的梳间距的光纤梳激光器可构建低相位噪声微波源。拍频信号频率还可与梳激光器的测得的载波包络偏移频率混合以生成二次拍频，所述二次拍频不受梳激光器的载波包络偏移频率波动的影响。通过使反馈电路连接至梳激光器的泵浦功率主动稳定梳激光器的输出功率还可改进微波源的噪声特性。
利用具有双波长输出的锁模激光器可进行多外差光谱分析。
附图说明
图1是具有可调梳间距的锁模波导梳激光器的示意性示图。
图1A是要与波导结合使用的紧凑的色散控制元件的示意性示图。
图1B是示出图1A所示紧凑元件的色散的图表。
图2是要与波导结合使用的低损耗色散控制元件的一般部件的示意性示图。
图3是包括紧凑的色散控制元件的锁模光纤梳激光器的示意性示图。
图4是具有大的梳间距的锁模光纤梳激光系统的示意性示图，包括具有降低的功率要求的用于超连续谱和差频产生的外部调制器。
图5是重复率可调激光系统相干耦合到单频激光器的示意性示图。
图6是用于宽带精密光谱学的重复率可调梳激光系统的示意性示图。
图7是基于具有大的梳间距的光纤激光器的低相位噪声微波源的示意性示图。
图8是利用同时工作在两个波长的锁模激光器的多外差光谱系统的示意性示图。
具体实施方式
图1表示用于波导激光系统具有大的梳间距的重复率可调波导激光器100的示例性实施例。可调波导激光器100还可包括重复率和载波相位控制，以及色散控制单元（DCU）。在本示例中，示出了具用两个腔镜的Fabry-Perot(法布里-珀罗)腔设计，其中第一腔镜（右侧）安装在压电式转换器上，允许活塞式控制。另一腔镜（左侧）用于输出耦合，并且在本示例中毗邻波导。第一腔镜也是色散控制单元的一部分，允许设定总体腔群速度色散，其中所述总体腔群速度色散可优选从负值到正值连续设定。例如通过控制到波导激光器的光泵浦功率可控制载波相位。光泵浦可通过合适的分束器被结合并且未单独示出。在不同的实施例中，可以单独或与泵浦控制相结合来使用用于控制载波相位的其它技术。例如，美国专利7,649,915的图8-10和相关的说明描述了若干技术，包括提供腔内元件的压力和/或温度控制的结构(装置)。
图1A表示要与波导结合使用的紧凑的色散控制子系统的示例性实施例。提供了所述的色散控制单元（DCU），它可包括块状光学元件103，所述块状光学元件提供角色散例如分立(bulk)衍射光栅、棱镜或棱栅。在一个结构中，所述系统还包括两个透镜101、105和反射镜107。左手侧的透镜101近似照准波导的输出（未示出）。块状光学元件（在本示例中为衍射光栅103）随后分别将准直光束的蓝色和红色光谱部分113和111（短虚线-长虚线和点线）衍射成不同的角度方向，并因此提供角色散。聚焦透镜105将光束聚焦到反射镜107上，所述反射镜107重新将光束定向回光栅103并通过聚焦透镜101至波导输入。因为被定向回到波导的光束具有空间啁啾，重新进入波导的光束具有有限的带宽。不过，当利用所述色散控制作为锁模波导激光器腔的一部分时所述带宽限制对于提高激光器稳定性可能是非常有帮助的。
在图1的示例中，示出了产生负群速度色散或只是负色散的结构。通过该结构引入的群速度色散（对一阶近似）由下述确定：1）光栅刻线(槽)密度，和2）通过聚焦透镜105的后聚焦面（红色和蓝色光束在光栅和聚焦透镜之间交叉的点115）和光栅平面的间隔。为了简化起见，我们将该距离称作有效光栅间距（EGS）。这里，当光束交叉点位于光栅平面的右手侧时我们称为EGS>0，而当光束交叉点位于光栅平面的左手侧时我们称为EGS<0。
可以看到，由有效光栅间距引入的群速度色散的近似值于是接近于由具有相同间距的传统光栅对引入的群速度色散的值。通过调节该有效光栅间距，色散可从正到负被调节，其中当EGS<0时获得正色散而当EGS>0时获得负色散。不过，使用单一光栅（相对于传统的光栅对）的优势是在中心波长处引入更小的损耗，这在高Q腔中构建光纤频梳是非常重要的。转而，高Q腔被要求用于低噪声工作。
在本示例中并如图1B所示，在1050nm的波长使用600l/mm光栅，对于5mm的有效光栅间距产生大约-7000fs2的往返色散。衍射光栅可具有98-99%的衍射效率，考虑到透镜上的反射损耗，所述可调节的色散控制元件可具有仅5-10%的损耗。
当将透镜替换为反射镜或当将衍射光栅替换为由例如ZnS材料制成的棱镜时可获得甚至更低的损耗。由传统的光学器件已知对于群速度色散补偿应用透镜和反射镜以及光栅与棱镜的等同，并且不需要任何进一步的解释。
此外，在一些实施例中，作为使用两个透镜的替代，仅一个透镜或反射镜与角色散诱导元件或棱镜结合可用于将控制量的色散引入腔中。在最简单的结构中，角切割或抛光波导可用作棱镜与一个或两个透镜或反射镜结合以便将可控的色散引入腔。
图2中进一步示例了低损耗色散控制单元的若干部件。在本示例中，色散控制单元的元件（示出在波导的输出处）包括至少一个准直或聚焦光学元件和产生角色散的单个光学元件。此外，空间啁啾可选的被引导在回射的波导的端面处。群速度色散可被引入腔中，其中任何合适的光学结构产生角色散，并且可以是棱镜（如示意性所示）、光栅或衍射、反射或折射结构的任意适当的组合，以块状和/或一体结构，被设置在块状光学材料和/或表面上或表面附近。
图3进一步示出了用于具有大的梳间距的紧凑的频梳激光器的色散控制元件。在示例性实施例中，可使用掺Yb光纤。示例来说，发明名称为“Highlyrare-earth-dopedopticalfibersforfiberlasersandamplifiers”的美国专利申请No.12/630,550披露了一些高增益光纤激光器和放大器结构，适用于GHz重复率光纤激光器。该光纤可具有4μm的纤芯直径并可被设计成具有一Yb掺杂水平，在976nm提供约50dB/cm的吸收。当在976nm用几百mW泵浦时，所述光纤可在1030nm产生可达到5dB/cm的增益。光纤的泵浦侧可直接涂覆有介电涂层，在976nm提供几乎100%的透射和在1050nm提供约0.1-10%的反射率。光纤的角抛光或角切割侧可以是抗反射涂覆的。可饱和吸收镜可被设计成限制来自激光器Q-开关的损坏为具有增强的双光子吸收的分布式结构，如披露于Jiang等人的美国专利6,956,887“ResonantFabry-Perotsemiconductorsaturableabsorbersandtwophotonabsorptionpowerlimiters”中。优选的，基于半导体的可饱和吸收镜被实施，但是还可使用本领域公知的碳纳米管或基于石墨烯的可饱和吸收器。
位于左手侧的透镜303照准光纤的输出并可具有0.45mm的焦距，而位于右手侧的透镜305将输出聚焦到可饱和吸收镜上并可具有约1.12mm的焦距。四分之一波片补偿腔内任何可能的极化(偏振)损失。当使用低应力光纤装置时，腔内光纤的去极化可被消除并且四分之一波片也可被省略。可替换的，如本领域已知，光纤内部的极化(偏振)可通过应用外部应力进行适当的调节。
在1050nm刻线(槽)密度为1000l/mm衍射效率大于98%的透射光栅可用于色散控制。透镜303、305可具有7mm的组合双程光学路径长度，而光栅可具有3mm的往返光学路径长度。在利特罗(Littrow)结构中，光栅在每毫米有效光栅间距产生约-6700fs2的色散。因此，需要只有0.5mm的有效光栅距离以补偿工作在1050nm的石英光纤的约4cm的往返色散。
对于上述示例的0.5mm的有效光栅间距，通常的自由空间往返光学路径(光程)长度因此被计算为15mm。假设光纤长度为5mm，总往返光程长度可以是30mm。因此，可通过该方式构建重复率可达到约10GHz的锁模光纤激光器。锁模光纤激光器还工作在负色散范围。总往返腔损耗可以小至10%或更小。
使用所示色散控制元件的一个好处是腔内损耗低，产生高Q腔和低载波相位噪声，同时提供灵活的调节。可通过倾斜含有可饱和吸收器的反射镜或通过垂直于图1所示图的平面中的光束方向移动两个透镜中的一个容易地调节载波包络偏移频率。可替换的，可沿着相同的方向移动狭缝或边缘。重复率还可通过对可饱和吸收镜施加活塞式运动来进一步调节。另外，可实施其它方式的重复率和载波相位控制，例如，披露于Fermann等人的美国专利7,649,915和Hartl等人的7,809,222。
根据图1和图3所示的示意性示图构建了锁模梳激光器，其中获得了1.5GHz的重复率（其中Yb光纤长度为4cm），其中腔内损耗约为30-40%。系统通过腔内峰值功率为约75W在锁模阈值脉冲宽度为400fs运行。获得锁模的自相位调制的相应最小量被估计为0.06。激光器通过腔内色散为约-2000fs2运行并产生孤子脉冲。相应的光纤色散为约+3200fs2。假设在10GHz具有相同的自相位调制和峰值功率要求，用于稳定锁模的所述激光器在10GHz所要求的峰值腔内功率被计算为600W，对应于平均腔内功率为2.4W，这在通过单模二极管激光泵浦源进行泵浦时可获得。一般，对于在＞1GHz重复率产生稳定的孤子脉冲，总体腔色散为-0.1FD<-FD<-10FD或优选-0.3FD<-FD<-6FD的范围是希望的，其中FD是光纤色散的绝对值。通过激光稳定性考虑来管理下限（绝对值），而上限由物镜确定以产生可能用于随后的相干超连续谱生成的最短脉冲。为以后参考，我们把这些值称作孤子稳定性范围(区域)。
除了Yb掺杂光纤外，使用例如Er、Er/Yb、Tm、Ho/Tm、Ho、Nd或Pr掺杂剂的其它稀土掺杂光纤也可被结合用于构造具有大的梳间距的光纤频梳。除了本文所示用于色散控制的块状光学结构外，啁啾镜、GiresTournois镜以及色散可饱和吸收镜也可用于将可调节量的色散提供至腔内。用于GHz重复率的适当的色散和载波包络偏移频率控制的方案例如在美国专利7,649,915中有讨论。当使用总体负色散的光纤时，不要求色散补偿并且可获得重复率>10GHz而不需要或很少需要自由空间光学部件。
除了在设计高重复率激光器中有价值之外，图1中紧凑的色散控制单元还可在设计工作在正色散范围的光纤激光器和类似的光纤激光器（例如披露于美国专利6,885,683和7,782,910）中用作带宽限制装置。与光学滤波器或光纤布拉格(Bragg)光栅不同，图1的色散控制单元可用于提供具有零或可调色散的平滑可调带通滤波器。所述结构对于产生高能脉冲是有利的。所述带通滤波器可结合在Fabry-Perot腔的端部或作为环腔的部分或利用适当的光学部件的甚至更为复杂的腔设计的部分。偏振保持设计也是有可能的。在Fabry-Perot腔的情况，可实施如图3所示的腔设计。在环腔的情况，紧凑的色散控制单元可通过适当插入的偏振分束器被结合。用于锁模激光器或被动锁模激光器的许多腔设计在本领域是已知的，并且本设计可被结合入那些腔中的任何一个。
具有大的梳间距的梳激光器的一个问题是当将梳或锁模激光器重复率增加到多-GHz范围(区域)时产生对非线性光谱或频率展宽的增大的平均功率要求。避免所述限制的一种方式如图4所示。这里，在频梳源后插入振幅调制器以便缓慢地振幅调制梳激光器输出。例如，所述振幅调制器可工作在1kHz的频率并产生1-10的标记对空间(间隔)比，即，对约100μs传输开放而对约900μs阻挡传输。可在调制器的下游设置一个或多个光纤放大器。光纤功率放大器产生具有某一峰值功率的脉冲的泵浦功率要求因而降低了约10倍。在放大后，脉冲可随后被耦合入一个或若干非线性频率展宽级，其可包括例如超连续谱产生和差频产生。在不同的实施例中，高度非线性光纤（HNLF）可使用在一个或多个级中。所述结构披露于美国专利申请No.12/895,127和其它申请中，其在此被结合入本文作为引用。由于在本实施例中平均功率要求降低，整个组件的热管理也大大简化。可以实施任何振幅调制器，尤其有用的是电光调制器，可被进一步控制以补偿光纤功率放大器的时变响应，即，通过适当控制的调制，在功率放大器的输出可产生矩形(方波)脉冲并且可避免光纤放大器中的振铃和过冲。所述设计在传统的光纤放大器技术中是公知的并且不需要进一步解释。
通过施加相对低的振幅调制频率和相对长的开口窗，各梳形线的光谱带宽仅受到最小的影响，因为可获得的各梳带宽是近似传输窗口的倒数。对于100μs传输窗口，因此可获得约为10kHz的梳形线宽度。利用例如至少一个cw基准(参考)激光器可控制梳激光器的重复率以及载波包络偏移频率。所述方案在本领域是公知的。
可替换的，f-2f干涉仪（未示出）可通过分束器插入在非线性频率展宽级之后。载波包络偏移频率因此可被直接测量；另外，载波包络偏移频率可利用适当的对振荡器泵浦电流的电子反馈或其它腔内部件（如结合图1所讨论）进行控制。对于所述方案低噪声梳激光器是有益的，因为它们使振幅调制器的不同时间传输窗口之间的载波相位波动最小化。在所述方案中可应用任何合适的稀土放大器，另外，固态基于半导体或基于微环谐振器的多-GHz振荡器可在此结合光纤放大器应用。适当的微环谐振器披露于例如P.Del’Haye等人的‘Opticalfrequencycomb generation from a monolithic microresonator’,Nature,vol.450,pp.1214-1217(2007)。所述光纤梳源可被广泛用作频率标尺，如例如天文光谱仪的校准中所要求的。
一些应用可能要求甚至更高的重复率，而这些可例如通过重复率倍增腔的结合而产生，即，腔被设置成光往返路径长度在精确的振荡器往返路径长度的谐波。具有因数为2-100的重复率倍增可随后如本领域所公知的易于获得，并且例如披露于T.Sizer的‘Increaseinlaserrepetitionratebyspectralselection’,IEEEJ.QuantumElectronics,Vol.25,pp.97-103(1989)和Fermann等人的美国专利申请12/895,127的‘Opticalsignalprocessingwithmodelockedlasers’，并且在此不做进一步的描述。
图3和图4所示系统的组合允许构造快速可调谐频率合成器。所述的设计示意性地在图5中示出。参见图5，合成器系统包括可调谐GHz梳激光器500，耦合至梳控制器，其用于重复率控制。利用图3所示的设计通过将可饱和吸收镜设置到具有活塞控制的压电转换器（未示出）（其改变激光器的重复率）可构造可调谐多-GHz光纤梳系统。由于可饱和吸收器上光束的空间啁啾，所述方案还可在载波包络偏移频率产生一些变化。
可替换的，通过将活塞式控制应用到腔镜（其中没有空间啁啾）由图3所示的设计可获得具有重复率控制和在载波包络偏移频率低变化的锁模光纤激光器。例如，通过去除如图3所示的光纤左手侧的二向色涂层并用块状光学二向色分束器替换可将泵浦光耦合至掺杂的光纤。泵浦光随后可通过分束器耦合至光纤并且腔内光可被引到具有活塞控制的单独的(反射)镜上。其它的分束器可被插入用于输出耦合或者简单地腔内光栅的剩余零阶输出可用于输出耦合。其它腔设计例如披露于Fermann等人的美国专利申请12/895,127的‘Opticalsignalprocessingwithmodelockedlasers’中的图17a和图7b，并且不在这里做进一步的解释。其它的实施例和变化是可行的。
再次参见图5，在可调谐梳发生器500之后，包括有可选的非线性光谱或频率展宽级（如上文结合图4所述），用于增大的光谱覆盖范围。来自宽带光谱输出的单线随后与波长可调单频从激光器例如量子级联激光器的输出混合。量子级联激光器可具有的标称波长在中到远红外IR波长范围。通过将梳输出和量子级联激光器输出引到检测器上并利用检测器/滤波器装置（例如：光电探测器和RF滤波器）限制检测器的检测带宽，特定的梳形线可如图所示被选择。其它的光学滤波器也可用于梳形线选择或者减小检测器上的散粒噪声。RF和光学滤波技术在本领域是公知的并且不在此做进一步的解释。由将单频激光器的光频锁定至可调谐梳激光器的输出所获得的可调谐单频激光器例如披露于B.R.Washburn等人的‘Fiber-laser-basedfrequencycombwithatunablerepetitionrate’,Opt.Expr,vol.12.pp.4999(2004)。不过，仅采用了50MHz的梳间距。
可使用来自检测器/滤波器模块的输出来控制反馈结构中的从激光器。来自展宽级的连续(谱)输出和从属单频激光器(可优选为量子级联激光器)之间的拍频信号随后可用于反馈回路以便控制单频从激光器的波长，如图5所示。在反馈系统中可采用模拟和/或数字信号处理（未示出）以便监控和/或控制不同的参数。例如，在调节梳激光器的重复率时，通过仅保持拍频信号频率恒定还可调节量子级联从激光器的输出波长。这可以通过例如适当的控制到量子级联激光器的驱动电流或控制其温度来完成，这在本领域中是公知的。用于量子级联激光器的波长调节的其它方案例如披露于S.Bartaline等人的‘Frequencymetrologywithquantumcascadelasers’,ProceedingsofSPIE,Vol.7222,pp.72220C1-1—72220c1-10，并在此不做进一步的讨论。
具有大的梳间距的光纤梳激光器的一个好处是由于光谱线的数量减少简化了波长校准；此外，对于某一频移δf所要求的活塞运动δL与梳激光器的重复率的平方成比例，即δf=cf2δL。低噪声高重复率梳激光器的使用允许与量子级联激光器的快速频率合成，同时使梳激光器的载波包络偏移频率稳定的要求降到最低。对于仅要求适中频率分辨率为10-100MHz的应用，甚至可消除载波包络偏移频率的连续控制。对于具有量子级联激光器的频率合成的梳激光器重复率为＞1GHz是尤其理想的；对于一些应用重复率＞250MHz可足够。当使用差频混合以便在量子级联激光器附近产生光谱输出时，载波包络偏移频率被设定为零，如本领域中所公知的并且例如披露于Holzwarth等人的美国专利6,724,788。这使得仅从梳激光器的重复率以及频梳量级能够确定单频激光器的光频。
具有大的梳间距的频梳激光器还可被应用于高分辨率光谱学应用中，与传统的光谱元件相结合，如图6所示。这里，示出了基于稀土掺杂剂例如Yb、Tm、Nd、Pr、Er、Er/Yb或Ho或Ho/Yb的梳间距＞1GHz的重复率可调谐光纤频率梳激光器。梳激光器还可包括用于控制重复率和载波包络偏移频率的装置，例如结合图1和图3所讨论的。此外，如图6所示，检测器D1从基准(参考)激光器和可调谐梳激光器接收输出并获得拍频信号可用于频率监控，或用于通过反馈回路（未示出）控制可调谐GHz激光器。光学参考可例如包括用固定的连续波基准(参考)激光器干涉梳，也如图6所示，利用分束器BS1和BS2以及用于检测拍频信号的检测器D1。所观察到的拍频随后直接与梳形线和频率间隔(空间)中的单频激光之间的距离成比例。
如图6所示，光频或光谱展宽级可被使用，并可被设置在振幅调制器的下游。该光谱展宽级可采用差频混合以便消除梳输出中载波包络偏移频率的不确定性。其它的振幅调制器也可如结合图4所讨论的被使用，以便降低对非线性光谱展宽的平均功率要求。此外，其它的光纤放大器（未示出）可应用在如结合图4所讨论的振幅调制器之后。
在通过一个光栅光谱仪和虚像相位阵列(VIPA)(如本领域所公知的)在一维或二维使(光线)分散之前，来自脉冲源的输出随后通过处于测试的样本，例如气室。通过足够的梳间距，各梳形线可随后在一维或二维中被分解并分别成像到一维或二维检测器阵列上。从而可获得检测器的约1-10GHz每像素的光学分辨率。
具有基于固态激光器的多-GHz重复率梳系统和二维角色散元件以及二维检测器阵列的方案在先披露于S.Diddams等人的‘Molecularfingerprintingwiththeresolvedmodesofafemtosecondlaserfrequencycomb’,Nature,vol.445,pp.627(2007)。不过，没有考虑具有基于光纤激光器的多-GHz重复率梳激光器的系统。通过本文所述的进步，可以构造工作在重复率为10GHz和更高的低噪声频率梳激光器，这使得所述方案非常具有吸引力。另外，通过缓慢地扫描频率梳激光器的重复率，同时检测检测器阵列的每个单独像素上的信号的调制，可获得相当于梳形线宽度的频率分辨率。对于频率梳间距大于约10GHz，也不要求二维检测器阵列，因为各梳形线可例如利用两个或更多个传统的衍射光栅串联或从单个光栅多次通过或反射被分解。使用一维检测器阵列一般减少了检测系统的成本同时增加了采集速度。
另外，梳形线的位置可被缓慢扫描并同时在频率空间(间隔)在高频被调制，以便使宽带差分吸收光谱能够同时在多个吸收带上。由单个激光器光谱，所述方案是公知的。许多其它的光谱技术可适应于宽带检测，其中基本要求是各梳形线的光学分辨率。
所述检测方案的一般设置涉及多梳形线频率分析，其中提供了可调谐光纤频率梳发生器，示出的样本具有多条梳形线，各梳形线被传送通过样本或从样本反射并被光学分解和成像到一维或二维检测器阵列上，并且样本的物理特征由检测器阵列对样本的物理特征的响应来确定。
各梳形线的各频率可通过频梳的瞬时重复率以及瞬时载波包络偏移频率的测量结果来确定或控制，利用例如在本领域公知的f-2f干涉仪（未示出）。确定梳形线的瞬时频率的其它方法也是可行的并且可例如涉及光学参考。如上文所讨论的，光学参考可以例如包括用固定的连续波参考(基准)激光器干涉梳，也如图6中所示，利用两个分束器BS1和BS2以及用于检测拍频信号的检测器D1。所观察到的拍频随后直接与梳形线和频率空间(间隔)中单频激光之间的距离成比例。光学混合（如在本领域所公知的）还可被应用于确定梳形线位于cw激光器的哪一侧。还可应用多于一个的cw基准(参考)激光器以便测量在频率空间(间隔)中扫描梳的绝对位置。光学参考具有的优点是，不要求精确控制可调谐梳激光器的实际载波包络偏移频率或重复率。光学参考披露于例如Fermann等人的美国专利申请12/895,127‘Opticalsignalprocessingwithmodelockedlasers’。用于测量扫频单频激光器的瞬时光学频率的若干其它方案披露于F.R.Giorgetta等人的‘Fasthigh-resolutionspectroscopyofdynamiccontinuous-wavelasersources’，NaturePhotonics，（2010），并且在这里不作进一步的讨论。当应用这些方法时，例如通过利用光纤光栅，通过宽间距的梳形线有利于尽可能容易地滤掉一个单独的梳形线。
具有大的梳间距的光纤频梳激光器的另一有吸引力的应用是作为低相位噪声微波源。图7示出了基于低相位噪声光纤梳的微波源的示例性实施例。在图7的示例中，光学路径用虚线示出，而电反馈信号路径用实线示出。
图7中示出了梳间距>1GHz的光纤梳激光器。来自梳激光器的梳形线之一与光学连续波基准(参考)激光器的输出组合并且用前文例如结合图5所讨论的检测器D1进行检测。图7中的检测器D1产生相应的第一拍频S1。
梳激光器的载波包络偏移频率还通过f-2f干涉仪（在本领域公知）进行检测。载波包络偏移频率可被相位锁定至RF源或被留下自由振动(运行)，如披露于J.Millo等人的‘Ultra-low-noisemicrowaveextractionfromfiber-basedopticalfrequencycomb’，Opt.Lett.，Vol.34,pp.3707(2009)。如J.Millo等人中所描述，所测得的载波包络偏移频率可进一步与第一拍频混合以产生二次拍频，所述二次拍频独立于载波包络偏移频率波动。图7示意性示出了反馈结构，其中反馈信号来自f-2f干涉仪输出（CEO）和检测器D1输出（S1）。RF混频器705在二次拍频S2提供输出，其被传送至梳控制模块，所述模块被设置成用于梳激光器的至少重复率控制。二次拍频（S2）随后被相位锁定至低噪声RF参考信号（未示出），其转而不受载波包络偏移频率波动的影响稳定梳激光器的重复率。结果，低相位噪声微波信号随后可通过将梳激光器的光学输出引到检测器D2上而被提取。其它的改动也是可能的。
为了进一步降低微波源的相位噪声，通过连接至激光泵浦（未示出）的二次反馈回路稳定光纤梳激光器的输出功率，可使激光器的振幅波动降至最小。由于Yb和Tm光纤激光器的大调制带宽，与Er光纤激光器（如J.Millo等人所用的）相比通过泵浦功率控制的振幅噪声最小化可能更为有效。此外，重复率＞1GHz还非常有利于检测来自检测器D2的低相位噪声微波信号，因为它们使检测器上的散粒噪声降到最小。优选的，对于10GHz微波参考，使用具有10GHz梳间距的光梳激光器，具有约1GHz或更大是合适的。
虽然频率梳形线的光间隔对于一些应用有吸引力，通过同时检测所有的梳形线并通过拍频信号（如在Fermann等人的美国专利申请12/895,127,‘Opticalsignalprocessingwithmodelockedlasers’中所述的多外差光谱分析中所进行的）来区分它们可以更好的用于不同的其它应用。所述系统的共同设计限制是要求缓慢扫描通过彼此的相干脉冲对，从而产生作为时间的函数变化的脉冲间隔。利用例如工作在稍微不同的重复率的两个梳激光器或者可替换的利用与不平衡的Mach-Zehnder干涉仪结合的重复率可调谐梳激光器可方便地产生所述相干扫描延迟线。两个系统均较为复杂并且后者还要求机械运动部件，所述机械运动部件在一些应用中是不允许的。
另一方面，不过，早已知道只有一个激光器可被设置为扫描延迟线，例如披露于Fermann等人的美国专利U.S.5,479,422:‘Controllabledual-wavelengthoperationofmodelockedlasers’。结合图3所述的梳激光系统就此大大简化了如结合图1所解释的构造所述扫描延迟线。通过图1A所示的结构，并且在角分离和聚焦由腔内光栅衍射的光束后，光学脉冲光谱的红色和蓝色部分可在可饱和吸收器上很好地被分离。因此，仅通过在可饱和吸收镜上结合适当的槽或者在可饱和吸收镜的前面设置细线(细丝)可引起双波长工作。另外，每种颜色的重复率可通过将可饱和吸收器分成两半并将两半中的一个放到结合活塞运动的压电控制器上可进行分别控制。
图8中示出了示例性的双波长梳系统。它非常类似于图3所示的设计，但现在包括分开的可饱和吸收镜，其中一半是固定的而另一半安装在具有活塞式控制的压电转换器上，用于调节两个波长之间重复率的差异。通过包括插入在可饱和吸收镜前面的聚焦透镜和可饱和吸收镜自身之间的细线可进一步分离两个波长，其中所述线跨越运动和固定镜之间的交叉点。
还可构造基于两个波长激光器的其它相干扫描延迟线，例如图1A所示的角色散部件和其它光学元件也可被插在不包含可饱和吸收器的常规腔内镜的前面。另外，传统的色散补偿元件例如体(块)光栅对可用于波长分离。此外，如美国专利5,479,422中所披露的，具有不均匀展宽这样的Nd的增益介质对于双波长工作是尤其有吸引力的，因为它们使交叉饱和效应最小化。不过，图8所示的设计尤其有吸引力，因为低部件数和能够确保长期稳定工作。
工作在稍微不同的重复率的所述双波长激光器随后可通过在振荡器后应用额外的光谱展宽级（在振荡器的输出间产生光谱重叠）来用于多外差光谱分析。一旦两个梳之间的光谱重叠存在，属于两个不同的重复率的梳对之间的拍频信号可被检测到并被用于多外差光谱分析。另外，两个重复率可以彼此锁定，具有相对载波包络偏移频率的最小相对变化。可替换的，光学参考可被应用于精确测量两个梳之间的重复率变化。所述方案披露于例如Fermann等人的美国专利申请12/895,127,‘Opticalsignalprocessingwithmodelockedlasers’，并在这里不作进一步解释。
因此，发明人已经披露了一个发明，其中至少一个实施例包括锁模波导激光系统，包括例如光纤激光器。波导激光器包括具有波导的激光器腔。腔内光束从波导发射。色散控制单元（DCU）被设置在腔中和腔中光束的光学路径中。激光器腔被设置成使得腔内光束在横越至少DCU后被重新引向波导。DCU在腔中的传播过程中对腔内光束施加角色散和群速度色散（GVD）。DCU还施加空间啁啾至重定向的光束。DCU能够产生从正值到负值范围的净GVD。
锁模波导激光器可包括锁模光纤激光器。
DCU可包括衍射光栅和透镜系统。
DCU可包括透镜系统，并且可包括棱镜或棱栅。
DCU可包括一个或多个的衍射光栅、棱镜、棱栅、和有角度的波导端面，并且可包括一个或多个的光学透镜和反射镜。
可包括用于控制激光器的载波包络偏移频率的装置。
用于载波包络偏移频率控制的装置可包括光学元件和用于沿一轴平移光学元件的机构。在一些实施例中，腔内元件的压力和/或温度控制系统可通过一个或多个反馈回路实施。
锁模波导激光器可被设置为孤子激光器。
锁模波导激光器可工作在大于约1GHz的重复率。
锁模波导激光系统可被设置成同时工作在双波长，并且DCU可被设置成提供双波长的波长分离。
波导激光器可包括光纤激光器，并且可被设置成对两个波长中的每一个提供不同的重复率。
锁模激光系统可被设置成用于多外差光谱分析。
锁模波导激光器可包括分割镜。
锁模波导激光系统可包括光谱展宽级。
锁模波导激光系统可包括重复率倍增器。
锁模波导激光系统可包括：光学调制器，所述光学调制器提供标记/间隔(空间)比＞2的脉冲串；至少一个光纤放大器；和一个或多个位于锁模波导激光器下游的光谱展宽级。
锁模波导激光器可被设置成使得锁模波导激光器的时间带宽至少部分受空间啁啾限制。
DCU可被设置成取代DCU的至少一个光学元件以便将净GVD调节至范围内的值。
至少一个实施例包括可调谐光纤频梳系统，所述系统被设置为光频合成器。可调谐梳系统包括光纤梳激光器，和梳控制器，以控制梳激光器，并提供可调谐梳间距。所述系统包括单频激光器，例如量子级联激光器，产生基本上在单光频对应于中到远红外波长范围的波长的光学输出。频率展宽级接收光纤梳激光器的输出，并且频率展宽级可被设置成产生与量子级联激光器的光学输出光谱重叠的光谱。可以包括梳形线选择器以便从光纤梳激光器中选择和隔离至少一个梳形线，所述梳具有大于约250MHz的梳间距。反馈回路将量子级联激光器的输出光学频率锁定至选定的梳形线。量子级联激光器的光频成为可调谐梳间距的函数。
梳形线选择器可包括RF滤波器和光学滤波器中的一个或两者。
反馈回路可被设置成选择性地调节量子级联激光器的温度或工作电流。
至少一个实施例包括高分辨率光谱系统。所述系统包括光纤梳激光器，其具有大于约1GHz的重复率。光学子系统可被设置在光纤梳激光器的下游，并被设置成可选的分解来自梳系统的各梳形线。光学子系统可包括：衍射光栅和VIPA中的至少一个或两者，和一维或二维检测器阵列。检测器阵列的各元件可被间隔成使得每个元件对于近似等于梳形线间距的光频带是敏感的。
高分辨率光谱系统可包括光纤频梳系统，所述光纤频梳系统具有可调谐梳间距、可调谐载波包络偏移频率或两者。
高分辨率光谱系统可包括：至少一个参考(基准)激光器和至少一个检测器，被设置成用于测量梳系统的瞬时光频。
至少一个实施例包括低相位噪声微波源。所述系统包括：梳间距大于约1GHz的光纤梳激光器；参考(基准)激光器；第一检测器，所述第一检测器测量梳激光器的线和光学参考(基准)激光器之间的第一微波拍频信号（S1）。所述系统还包括子系统，以便测量光纤梳激光器的载波包络偏移频率，所述子系统从梳激光器接收输出，并产生输出信号（CEO）表示载波包络偏移频率。混频器接收第一微波拍频信号和输出信号（CEO）并产生第二拍频信号（S2）。梳控制器控制梳激光器，例如重复率和载波相位。梳控制器还接收第二拍频信号，并且梳控制器的一部分被设置成通过调制梳激光器间距相位锁定第二拍频信号至微波参考(基准)。第二检测器输出提供低相位噪声微波输出信号。
锁模波导激光系统和/或低相位噪声微波源的一些实施例可包括额外的电子反馈电路，所述电子反馈电路被设置成使梳激光器输出功率稳定。
锁模波导激光系统和/或低相位噪声微波源的一些实施例可包括高度稀土掺杂的增益光纤。
在一些实施例中，锁模波导激光器可被设置为环形激光器，或具有法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔。
因此，尽管在本文中只具体描述了某些特定实施例，应当显而易见，可对所述实施例进行多种修改，而不脱离本发明的精神和范围。此外，首字母缩略词仅用于增强说明书和权利要求书的可读性。应当指出，这些首字母缩略词不旨在减少所用术语的概括性并且它们不应被解释为将权利要求的范围限定在本文所述的实施例中。

Claims (30)

1.一种锁模波导激光器系统，包括：
锁模波导激光器，所述锁模波导激光器包括具有波导的激光腔；
从所述波导发射的腔内光束；
色散控制单元（DCU），所述色散控制单元被设置在所述腔中和所述腔内光束的光学路径中，其中所述激光腔被设置成使得所述腔内光束在横越至少所述DCU后被重新引向所述波导；
其中所述DCU在所述腔内传播期间对所述腔内光束施加角色散和群速度色散（GVD），并对所述重新定向的光束施加空间啁啾，其中所述DCU能够产生从正值到负值范围的净GVD。
2.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器包括锁模光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述DCU包括衍射光栅和透镜系统。
4.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述DCU包括透镜系统，并且还包括棱镜或棱栅。
5.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述DCU包括一个或多个的衍射光栅、棱镜、棱栅和有角度的波导端面，并且还包括一个或多个的光学透镜和反射镜。
6.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，还包括：用于控制所述锁模波导激光器的载波包络偏移频率的装置。
7.根据权利要求6所述的锁模波导激光器系统，其中所述用于载波包络偏移频率控制的装置包括光学元件和用于沿一轴平移所述光学元件的机构。
8.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器被设置为孤子激光器。
9.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器工作在大于约1GHz的重复率。
10.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器被设置成同时工作在双波长，并且其中所述DCU被设置成提供所述双波长的波长分离。
11.根据权利要求10所述的锁模波导激光器系统，其中所述波导激光器包括光纤激光器，并且所述波导激光器被设置成对所述双波长的每一个提供不同的重复率。
12.根据权利要求11所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模激光器还被设置成用于多外差光谱分析。
13.根据权利要求11所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器包括分离镜。
14.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，还包括：光谱展宽级。
15.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，还包括：重复率倍增器。
16.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，还包括：光学调制器，提供标记/间隔比>2的脉冲串；至少一个光纤放大器；和一个或多个位于所述锁模波导激光器下游的光谱展宽级。
17.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器被设置成使得所述锁模波导激光器的时间带宽至少部分受空间啁啾限制。
18.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述DCU被设置成取代所述DCU的至少一个光学元件以便调节所述净GVD至所述范围内的值。
19.一种被设置为光频合成器的可调谐光纤频梳系统，所述可调谐梳系统包括：
光纤梳激光器；
梳控制器，以控制所述梳激光器，并提供可调谐梳间距；
量子级联激光器，对应于中到远红外波长范围的波长以基本单光频产生光学输出；
频率展宽级，接收所述光纤梳激光器的输出，所述频率展宽级被设置成产生与所述量子级联激光器的光学输出光谱重叠的光谱；
梳形线选择器，从所述光纤梳激光器中选择并隔离至少一条梳形线，所述梳具有大于约250MHz的梳间距；
反馈回路，锁定所述量子级联激光器的输出光频至所述选定的梳形线，其中所述量子级联激光器的光频成为可调谐梳间距的函数。
20.根据权利要求19所述的被设置为光频合成器的可调谐光纤频梳系统，其中所述梳形线选择器包括RF滤波器和光学滤波器中的一个或两者。
21.根据权利要求19所述的被设置为光频合成器的可调谐光纤频梳系统，其中所述反馈回路被设置成选择性地调节所述量子级联激光器的温度或工作电流。
22.一种高分辨率光谱系统，包括：
光纤梳激光器，具有大于约1GHz的重复率；
光学子系统，所述光学子系统被设置在光纤梳激光器的下游，并被设置成可选的分解来自所述梳系统的各梳形线，所述光学子系统包括：衍射光栅和VIPA中的至少一个或两者，和一维或二维的检测器阵列，所述检测器阵列的各元件被间隔成使得每个元件对近似等于梳形线间距的光频带是敏感的。
23.根据权利要求22所述的高分辨率光谱系统，所述频梳系统还包括：可调谐梳间距、可调谐载波包络偏移频率或两者。
24.根据权利要求22所述的高分辨率光谱系统，还包括：至少一个参考激光器和至少一个检测器，其被设置成用于测量所述梳系统的瞬时光频。
25.一种低相位噪声微波源，包括：
光纤梳激光器，具有大于约1GHz的梳间距；
参考激光器；
第一检测器，以测量所述梳激光器的线和光学参考激光器之间的第一微波拍频信号；
子系统，以测量所述光纤梳激光器的载波包络偏移频率，所述子系统从所述梳激光器接收输出，并产生输出信号（CEO）表示所述载波包络偏移频率；
混频器，接收所述第一微波拍频信号和所述输出信号（CEO）并产生第二拍频信号；
梳控制器，以控制所述梳激光器，所述梳控制器接收第二拍频信号，其中所述梳控制器的一部分被设置成通过调制梳激光器间距相位锁定所述第二拍频信号至微波参考；
第二检测器，提供低相位噪声微波输出信号。
26.根据权利要求25所述的低相位噪声微波源，包括：另外的电子反馈电路，所述电子反馈电路被设置成使所述梳激光器输出功率稳定。
27.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述锁模波导激光器包括高度稀土掺杂的增益光纤。
28.根据权利要求25所述的低相位噪声微波源，其中所述光纤梳激光器包括高度稀土掺杂的增益光纤。
29.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，其中所述波导激光器被设置为环形激光器或具有法布里-珀罗腔。
30.根据权利要求1所述的锁模波导激光器系统，包括：另外的电子反馈电路，所述电子反馈电路被设置成使所述梳激光器输出功率稳定。
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