CN104319612B - 一种宽带光学频率梳及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带光学频率梳及其实现方法，其特征在于所述宽带光学频率梳包括连续激光源、脉冲产生模块以及放大控制模块，所述连续激光源连接所述脉冲产生模块输入端，所述脉冲产生模块输出端通过所述放大控制模块与所述脉冲产生模块输入端连接形成闭环腔。本发明的优点是，基于单纵模窄线宽连续激光注入，采用F‑P腔腔增强结构，脉冲反复调制，光谱有效展宽，可以直接拓展应用于飞秒光学频率梳控制技术，得到稳定宽带飞秒光学频率梳。

Description

一种宽带光学频率梳及其实现方法

技术领域

本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种基于单纵模窄线宽连续激光注入锁定的宽带光学频率梳及其实现方法。

背景技术

飞秒光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和载波包络位相偏置频率，在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光，在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。飞秒光学频率梳作为微波频率与光学频率的桥梁，可以实现对激光频率的直接精密计量，同时作为一种有别于传统连续波稳频激光的特殊激光光源，在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用，是当今光学领域前沿方向之一。目前，德国科学家们已经将光学频率梳这一技术成功地应用在天文望远镜上，即天文光梳，这使得人类在探索诸如宇宙中是否存在和地球相似的天体、宇宙是如何膨胀等问题上又更进了一步。

目前为了得到稳定的飞秒光学频率梳，通常先采取相应锁模技术产生超短脉冲，其次通过较复杂的反馈系统将超短脉冲锁定在稳定的频率标准下，可以是微波钟如铷钟，也可以是光学频率、原子跃迁线等。因此传统飞秒光学频率梳系统分为超短脉冲产生和频率稳定两部分，系统较复杂。

作为飞秒光纤频率梳的种子源，超短脉冲激光常通过各种锁模技术产生，主要包括主动锁模和被动锁模技术。首先，被动锁模技术在光纤领域主要有基于偏振旋转被动锁模和可饱和吸收锁模。它们都存在一些缺陷：偏振旋转锁模的锁模阈值高，锁模状态易受外界干扰，脉冲没有长期稳定性，不易锁模自启动，同时受器件光纤长度限制往往不能实现高重复频率脉冲的产生；可饱和吸收锁模可以自启动，但是脉冲易分裂、高噪声，同时脉冲激光的峰值功率很高，而饱和吸收体损失阈值低，不适合高功率及长时间锁模状态。

其次，主动锁模技术常采用空间结构，在谐振腔中加入电光调制器或声光调制器等器件通过幅度或相位调制的方式实现锁模输出。由于工作物质在谐振腔内，系统稳定性较差，器件端面及摆放位置要求苛刻，泵浦方式较光纤激光器复杂，同时不易实现高重复频率。

另外，飞秒光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率实现，需要超短脉冲具有一定光谱范围才能得到相关的误差反馈信号。而以上常规主动和被动锁模技术中，光学调制是锁模超短脉冲光谱边带往往有限，常需采用后续复杂的光谱展宽系统才能探测到相关误差信号，从而反馈锁定飞秒光学频率梳。这些不足都限制着飞秒光学频率梳更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种宽带光学频率梳及其实现方法，该宽带光学频率梳利用单纵模窄线宽连续激光注入，相位调制器和F-P腔共同作用，主动锁模，结构简单，脉冲功率放大后反复调制，光谱能有效展宽，实时反馈精确调节腔内光纤长度、相位调制器调制频率和F-P腔长等参数，实现稳定宽带光学频率梳。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种宽带光学频率梳，其特征在于所述宽带光学频率梳包括连续激光源、脉冲产生模块以及放大控制模块，所述连续激光源连接所述脉冲产生模块输入端，所述脉冲产生模块输出端通过所述放大控制模块与所述脉冲产生模块输入端连接形成闭环腔。

所述脉冲产生模块由依次设置的合束器、空间准直器a、F-P腔镜a、相位调制器、F-P腔镜b、空间准直器b以及分束器构成，所述合束器的输入端分别连接所述连续激光源和所述放大控制模块的输出端，所述分束器分束比较大一端连接所述放大控制模块的输入端，分束比较小一端为所述连续激光源的输出端，其中所述F-P腔镜a和F-P腔镜b组成F-P腔。

所述F-P腔镜a和F-P腔镜b平行设置，所述F-P腔镜a和F-P腔镜b的前、后端面均镀有膜层。

所述分束器的分束比不小于50:50。

所述放大控制模块包括依次设置的隔离器、波分复用器以及增益光纤，所述隔离器输入端与所述脉冲产生模块输出端连接，所述增益光纤输出端与所述脉冲产生模块输入端连接，所述波分复用器输入端与所述泵浦源连接。

一种涉及权利要求1-5中任一所述的宽带光学频率梳的实现方法，其特征在于所述实现方法至少包括如下步骤：将所述连续激光源输出的单纵模窄线宽连续激光引入所述脉冲产生模块中；在所述脉冲产生模块F-P腔内经过相位调制器发生频移，频率上产生宽带光谱成份，同时在所述相位调制器主动调制下各个频率成份间相位差固定，实现锁模，在时域上以脉冲的形式从所述F-P腔输出；输出的所述脉冲一部分经所述分束器分束比较小一端被向外输出，另一部分经所述分束器分束比较大一端被输入至所述放大控制模块；输入至所述放大控制模块的脉冲各光谱成份功率放大，再经所述合束器反馈回所述脉冲产生模块中，如此往复，得到实时锁定在所述单纵模窄线宽连续激光上的所述宽带光学频率梳。

本发明的优点是：

①基于单纵模窄线宽连续激光注入，采用F-P腔腔增强结构，脉冲反复调制，光谱有效展宽，可以直接拓展应用于飞秒光学频率梳控制技术，得到稳定宽带飞秒光学频率梳；

②采用的F-P腔腔长小且可调，可以实现高重复频率的锁模脉冲，锁定实现高重复频率飞秒光学频率梳，满足光学频率度量学、光通讯等特殊领域的需求；

③采用的连续激光源输出功率和工作波长可变，因此适用于产生不同波段的宽带光学频率梳，能够满足不同领域的需求；

④采用的主动锁模结构基于连续激光注入，F-P腔内无增益介质，容易建立锁模，锁模阈值低；

⑤采用的主动锁模结构，结构简单，操作方便，可调参数多，灵活性大；所采用的主动锁模结构其尺寸小，重量轻，可集成化，抗干扰能力强，具有高稳定性；

⑥采用相位调制器主动锁模，调制频率可调，可实时精确锁定调制频率在F-P腔重复频率谐波上，实现高重复谐波锁模，得到高重复频率宽带光学频率梳，可拓展应用到天文光梳等特殊领域；

⑦相位调制器调制频率、F-P腔腔长实时反馈调节，得到宽带光学频率梳实时锁定在单纵模窄线宽连续激光上，将锁模技术和光梳锁定技术结合起来，系统简单可靠；

⑧采用F-P腔增强结构，可以改变腔镜透、反射系数，从而改变腔内Q值，实现纵模线宽的控制；

⑨闭环腔中，光纤部分腔长可控，同时反馈锁定，漂移自动控制。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明闭环腔内光场顺时针传播的宽带光学频率梳结构示意图；

图3为本发明闭环腔内光场逆时针传播的宽带光学频率梳结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3，图中标记100-300分别为：连续激光源100；脉冲产生模块200、合束器201、空间准直器202、F-P腔镜203、相位调制器204、F-P腔镜205、空间准直器206、分束器207；放大控制模块300、隔离器301、泵浦源302、波分复用器303、增益光纤304。

实施例一：如图1、2所示，本实施例具体涉及一种基于单纵模窄线宽连续激光注入锁定闭环腔内光场顺时针传播的宽带光学频率梳及其实现方法，该光学频率梳包括连续激光源100、脉冲产生模块200以及放大控制模块300，连续激光源100输出端连接脉冲产生模块200输入端，脉冲产生模块200输出端通过放大控制模块300与脉冲产生模块200的输入端连接构成闭环腔。

如图1、2所示，连续激光源100输出稳定的单纵模窄线宽连续激光，工作波段任意；脉冲产生模块200包括依次设置的合束器201、空间准直器202、F-P腔镜203、相位调制器204、F-P腔镜205、空间准直器206以及分束器207，其中F-P腔镜203与205构成F-P腔；放大控制模块300包括为隔离器301、泵浦源302、波分复用器303以及增益光纤304。具体的连接关系是，合束器201的输入端连接连续激光源100，空间准直器202的输出依次经过F-P腔镜203、相位调制器204、F-P腔镜205，之后的空间准直器206耦合进光纤，该光纤的端部与分束器207公共端连接，分束器207分束比较小一端作为连续激光源100的输出端，分束器207分数比较大一端连接隔离器301的输入端，波分复用器303输入端分别与隔离器301的输出端和泵浦源302输出端连接，波分复用器303公共端连接增益光纤304一端，增益光纤304另一端连接合束器201另一输入端，形成闭环腔。

如图1、2所示，合束器201可以将连续激光和脉冲光合束，工作带宽较大，能保证脉冲所有光谱成份通过；空间准直器202和206工作距离稍大于前述的F-P腔的腔长，F-P腔镜203和205间的间距可调，即F-P腔腔长可调，保证单纵模窄线宽连续激光的频率锁定在前述F-P腔的重复频率的谐波上，F-P腔镜203和205前后端面均镀有膜层，保证F-P腔镜203前端垂直入射光所有光谱成份完全透过，F-P腔镜203后端、F-P腔镜205前端垂直入射光全反射，相位调制器204的调制频率可调，可实时精确锁定调制频率在前述F-P腔的重复频率谐波上，分束器207的分束比可以为80:20、70:30、60:40或其它比例，本实施例中优选80:20。放大控制模块300控制激光器内光场传播为顺时针方向，隔离器301对入射光偏正态不敏感，通光方向为顺时针，增益光纤304能提供的增益带宽较宽，工作中心波长与连续光波长一致。

如图1、2所示，本实施例中基于单纵模窄线宽连续激光注入锁定闭环腔内光场顺时针传播的宽带光学频率梳的实现方法具体包括如下步骤：

连续激光源100输出单纵模窄线宽连续激光进入脉冲产生模块200中，连续激光在F-P腔内反复经过相位调制器204，频移上产生宽带光谱成份，同时由于在相位调制器204主动调制下各个频率成份间相位差固定，实现锁模，在时域上最终以脉冲的形式从F-P腔输出，脉冲一部分（即20%）经分束器207分束比较小一端向外输出，另一部分（即80%）经所述分束器分束比较大一端输入至放大控制模块300中，脉冲经放大控制模块300中的增益光纤304，脉冲各光谱成份功率得到一定的放大，再反馈回到脉冲产生模块200，脉冲与连续激光经合束器201合束，由于光纤器件总长度可微调，实时保证F-P腔重复频率锁定在光纤部分长度对应重复频率的谐波上，脉冲在相位调制器204作用下频率成份进一步增多，得到宽带的脉冲激光。同时，实时反馈调节相位调制器204的调制频率、F-P腔的腔长，保证单纵模窄线宽连续激光频率锁定在所述F-P腔重复频率的谐波上，从而得到实时锁定在单纵模窄线宽连续激光上的宽带光学频率梳。

相对传统锁模激光器，本实施例基于单纵模窄线宽连续激光注入，采用相位调制器主动锁模，锁模阈值低，电控技术更成熟，系统更稳定，同时相位调制器调制频率、F-P腔腔长以及光纤部分腔长实时反馈调节，将锁模技术和光梳锁定技术有机结合起来，得到实时锁定在单纵模窄线宽连续激光上的光学频率梳，结构紧凑，容易实现高重复频率，同时光学频率梳带宽只受限于激光器内各个器件的带宽，因此本发明在采用较宽工作带宽的器件下，能够直接得到稳定宽带光学频率梳。通过调节连续激光源功率，工作波长、各个器件的带宽、F-P腔间距等参数，可实现不同重复频率、脉冲宽度、中心波长、功率等参数的宽带光学频率梳。

实施例二：如图1、3所示，本实施例具体涉及一种基于单纵模窄线宽连续激光注入锁定闭环腔内光场逆时针传播的宽带光学频率梳及其实现方法，该光学频率梳包括连续激光源100、脉冲产生模块200以及放大控制模块300，连续激光源100输出端与脉冲产生模块200输入端连接，脉冲产生模块200输出端通过放大控制模块300与脉冲产生模块200的输入端连接构成闭环腔。

如图1、3所示，连续激光源100输出稳定的窄线宽连续激光，工作波段任意，同时能隔离逆向传播的光场；脉冲产生模块200包括合束器201、空间准直器202、F-P腔镜203、相位调制器204、F-P腔镜205、空间准直器206以及分束器207，其中F-P腔镜203与205构成F-P腔；放大控制模块300包括为隔离器301、泵浦源302、波分复用器303以及增益光纤304。具体的连接关系是，连续激光源100输出端连接合束器201一输入端，合束器201另一输入连接隔离器301输入端，波分复用器303输入端分别与隔离器301的输出端和泵浦源302输出端连接，波分复用器303公共端连接增益光纤304一端，增益光纤304另一端连接分束器207公共端，分束器207分束比较小一端作为连续激光源100的输出端，分束器207分束比较大一端连接空间准直器206，空间准直器206的输出依次经过F-P腔镜205、相位调制器204、F-P腔镜203，然后光场通过空间准直器202耦合进光纤，空间准直器202光纤端连接合束器201公共端，形成闭环腔。

如图1、3所示，合束器201可以将连续激光和脉冲光合束，工作带宽较大，能保证脉冲所有光谱成份通过且允许光场双向传播，空间准直器202和206工作距离稍大于前述F-P腔的腔长，F-P腔镜203和205间的间距可调，保证单纵模窄线宽连续激光频率锁定在前述F-P腔重复频率的谐波上，F-P腔镜203和205前后端面均镀膜，保证F-P腔镜203前端、保证F-P腔镜205后端垂直入射光所有光谱成份完全透过，F-P腔镜203后端垂直入射光部分透过、F-P腔镜205前端垂直入射光全反射，相位调制器204调制频率可调，可实时精确锁定调制频率在F-P腔重复频率谐波上，分束器207分束比优选为8:2。隔离器301对入射光偏正态不敏感，通光方向为逆时针，增益光纤304能提供的增益带宽较宽，工作中心波长与连续光波长一致。

如图1、3所示，本实施例中基于单纵模窄线宽连续激光注入锁定闭环腔内光场逆时针传播的宽带光学频率梳的实现方法具体包括如下步骤：

连续激光源100输出单纵模窄线宽连续激光进入脉冲产生模块200中，连续激光在F-P腔内反复经过相位调制器，频移产生宽带光谱成份，同时由于在相位调制器204主动调制下各个频率成份间相位差固定，实现锁模，脉冲经放大控制模块300，脉冲各光谱成份功率得到一定的放大，再反馈回到脉冲产生模块200，由于光纤器件总长度可微调，实时保证F-P腔重复频率锁定在光纤部分长度对应重复频率的谐波上，脉冲在相位调制器204作用下频率成份进一步增多，得到宽带的脉冲激光。同时，相位调制器调制频率、F-P腔的腔长实时反馈调节，保证单纵模窄线宽连续激光频率锁定在前述F-P腔重复频率的谐波上，从而得到实时锁定在单纵模窄线宽连续激光上的宽带光学频率梳。

本实施例中，基于单纵模窄线宽连续激光注入，采用相位调制器主动锁模，锁模阈值低，电控技术更成熟，系统更稳定，同时相位调制器调制频率、F-P腔的腔长以及光纤部分腔长实时反馈调节，得到实时锁定在单纵模窄线宽连续激光上的光学频率梳，同时光学频率梳带宽只受限于激光器内各个器件的带宽，因此在采用较宽工作带宽的器件下，能够直接得到稳定宽带光学频率梳。

Claims (5)

1.一种宽带光学频率梳，其特征在于所述宽带光学频率梳包括连续激光源、脉冲产生模块以及放大控制模块，所述连续激光源连接所述脉冲产生模块输入端，所述脉冲产生模块输出端通过所述放大控制模块与所述脉冲产生模块输入端连接形成闭环腔；所述脉冲产生模块由依次设置的合束器、空间准直器a、F-P腔镜a、相位调制器、F-P腔镜b、空间准直器b以及分束器构成，所述合束器的输入端分别连接所述连续激光源和所述放大控制模块的输出端，所述分束器分束比较大一端连接所述放大控制模块的输入端，分束比较小一端为所述连续激光源的输出端，其中所述F-P腔镜a和F-P腔镜b组成F-P腔。

2.根据权利要求1所述的一种宽带光学频率梳，其特征在于所述F-P腔镜a和F-P腔镜b平行设置，所述F-P腔镜a和F-P腔镜b的前、后端面均镀有膜层。

3.根据权利要求1所述的一种宽带光学频率梳，其特征在于所述分束器的分束比不小于50:50。

4.根据权利要求1所述的一种宽带光学频率梳，其特征在于所述放大控制模块包括依次设置的隔离器、波分复用器以及增益光纤，所述隔离器输入端与所述脉冲产生模块输出端连接，所述增益光纤输出端与所述脉冲产生模块输入端连接，所述波分复用器输入端与泵浦源连接。

5.一种涉及权利要求1-4中任一所述的宽带光学频率梳的实现方法，其特征在于所述实现方法至少包括如下步骤：将所述连续激光源输出的单纵模窄线宽连续激光引入所述脉冲产生模块中；在所述脉冲产生模块F-P腔内经过相位调制器发生频移，频率上产生宽带光谱成份，同时在所述相位调制器主动调制下各个频率成份间相位差固定，实现锁模，在时域上以脉冲的形式从所述F-P腔输出；输出的所述脉冲一部分经所述分束器分束比较小一端被向外输出，另一部分经所述分束器分束比较大一端被输入至所述放大控制模块；输入至所述放大控制模块的脉冲各光谱成份功率放大，再经所述合束器反馈回所述脉冲产生模块中，如此往复，得到实时锁定在所述单纵模窄线宽连续激光上的所述宽带光学频率梳。