CN114640016A - 高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术以及光电控制技术领域，公开了高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法，该系统包括：单腔多梳脉冲振荡器、频率探测模块和频率反馈控制模块，所述单腔多梳脉冲振荡器用于输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串；所述频率探测模块用于对锁模脉冲串的频率分别同时进行探测，并输出电信号；所述频率反馈控制模块用于将频率探测模块的电信号进行规范处理，然后输送至单腔多梳脉冲振荡器中的频率响应点，控制频率响应点应变，实现对锁模脉冲串的频率(重复频率、重复频率差、载波包络偏移频率)进行反馈控制。本发明的方法及系统，能够解决多光梳激光器频率漂移的问题，实现对多种频率的精确控制与稳定。

Description

高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法

技术领域

本发明涉及激光技术以及光电控制技术领域，具体涉及高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法。

背景技术

光频梳技术的出现为精确的光学测量提供了新的解决方案，是2005年诺贝尔物理学奖获得者的重要成果。光频梳通常基于锁模脉冲激光器实现，其在频域中显示为等频率间隔(激光器重复频率)的一系列频率分量，在时域上为等时间隔的脉冲串。光频梳技术已经被广泛应用在光谱技术中，其中，基于多光梳的相干光谱技术具有采集时间快、灵敏度高、分辨率精度高等优点，已经展现出巨大的应用潜力。

对于多光梳光谱技术而言，传统的做法是依赖多台独立且具有一定重频差的锁模脉冲激光器，通过复杂且专业的光电转化及探测技术将它们的频率信息锁定，从而实现多光梳光源。整个系统庞大且复杂，专业且脆弱，不利于多光梳光谱技术的发展推广。

近年来，研究人员发明了一种多波长激光器，可以极大简化多光梳光源的实现。以双波长激光器为例，顾名思义，双波长锁模脉冲激光器即一台激光器可以同时输出两个不同波长(λ1和λ2)的锁模脉冲，且不同波长的锁模脉冲具有不同的重复频率(f1和f2,f1≠f2，f1-f2＝Δf)。双波长激光器通常基于一个公共的谐振腔实现，其共模噪声被有效抑制，两个波长脉冲之间的相干性极大提高，f1和f2的变化趋势一致，Δf(重频差)在一个很小范围抖动(Hz量级)；不同波长脉冲串对应的载波包络偏移频率(carrier envelope offsetfrequency,fceo)fceo1和fceo2的变化也相对跟随，位置不固定，两者的差值Δfceo存在一定的抖动。因此，对于这种多光梳激光器，如何实现其所有频率的精确控制与稳定，是实现高精度多光梳光源的关键因素。

发明内容

本发明意在提供高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法，能够解决多光梳激光器频率漂移的问题，实现对多种频率的精确控制与稳定。

本发明提供的技术方案为：高精度单腔多梳频率测量控制系统，包括：单腔多梳脉冲振荡器、频率探测模块和频率反馈控制模块，所述单腔多梳脉冲振荡器包括激光器、输出端口和频率响应点，所述激光器用于输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串，所述输出端口用于将锁模脉冲串按激光波长分束后传送至频率探测模块，所述频率响应点用于对频率反馈控制模块处理的电信号进行响应，实现对各频率信号的分别锁定；所述频率探测模块用于对锁模脉冲串的频率分别同时进行探测，并输出电信号；所述频率反馈控制模块用于将频率探测模块的电信号进行规范处理，然后输送至单腔多梳脉冲振荡器中的频率响应点，控制频率响应点应变，实现对锁模脉冲串的频率进行反馈控制。

本发明的工作原理及优点在于：对于单腔多梳脉冲振荡器输出的若干重复频率并具有一定差值的锁模脉冲串(不同波长对应不同的重复频率及载波包络偏移频率)，通过频率探测模块实现对其输出各个锁模脉冲串的同时探测，并输出电信号。通过频率反馈控制模块进行反馈和控制脉冲振荡器内设置的频率响应点，以实现对其输出双波长脉冲串的各频率信号的稳定控制，解决了多光梳激光器频率漂移的问题，实现对多种频率的精确控制与稳定。频率稳定的单腔多梳光源可以作为高稳定性、高互相干性以及户外可用的超快光梳光源，用于高精度距离探测，高精度光谱测量，高速光纤通讯，高精度频率度量学等应用领域。

进一步，所述单腔多梳脉冲振荡器为双波长脉冲振荡器，所述频率响应点包括重复频率响应点、重频差响应点和载波包络偏移频率差响应点，各频率响应点不互相串扰。

对于任意的锁模脉冲激光器而言，重复频率可以由如下公式表征：

其中c为光速，n为介质折射率，L为腔长。因此，影响重复频率的因素包括总体腔长以及折射率。

同时由于激光腔内部色散介质中相速度和群速度之间的差异，脉冲包络相对于载波相位在脉冲之间漂移，从而导致频率梳的整体偏移，名为载波包络偏移频率(fceo)，相应地，光学模式的频率为：

f_n＝fceo+N*f

其中n是光频、射频之间的转换系数。可见，实现f和fceo的精确控制和锁定就可以直接实现一台高精度的光学频率梳。

对于双波长激光器而言，由于腔内存在两个波长的脉冲串振荡，重复频率f1不等于f2，存在重复频率差(重频差)：

其中，D为腔内的平均色散，Δλ为波长差，L为腔长，

为两路光梳的平均重复周期。其中，D、L和Δλ是影响重频差Δf的三个关键因素。此外，L同时又是影响激光器重复频率(f1或f2)的关键因素。因此，简单地对激光器腔长L进行控制的话，只能实现对其中某一路脉冲重复频率的精确控制，难以同时锁定双波长激光器的所有重频信息。此外，如果在对重复频率和重频差锁定是都对L进行反馈控制，无疑会对两个锁定信号产生串扰，导致二者都不能锁定。因此，如果采用控制L的方法来锁定双波长激光器的某一路重复频率，对重频差的锁定只能对D或者Δλ进行反馈控制，才能实现一种所有重复频率信息稳定的双波长光梳源。

此外，由于两路脉冲存在一定微小的重复频率差，两路脉冲所经过腔内的路径并不完全相同，因此载波包络偏移频率也有一定的抖动。两个波长的脉冲串的载波包络偏移频率分别记为fceo1以及fceo2，他们的差值记为Δfceo。对fceo1以及fceo2分别进行控制，会形成相互串扰，从而影响整体的稳定性。因此，为了频率响应点之间互相不串扰，本发明采用对载波包络偏移频率差Δfceo进行控制。结合上述对所有重复频率信息控制，双波长光梳源的所有频率信息可以控制稳定。

进一步，所述频率响应点的响应参量为激光器腔长、介质折射率、腔内色散系数、双波长脉冲中心波长间距、泵浦功率和腔内非线性系数中的一种或多种。

根据上述公式可知，通过对激光器内谐振腔的腔长、介质折射率、腔内色散系数、双波长脉冲中心波长间距、泵浦功率和腔内非线性系数等频率响应点的响应参量进行调节，能够实现对重复频率、重频差和载波包络偏移频率差的精确控制。

进一步，所述双波长脉冲振荡器的增益介质为增益光纤或增益晶体，所述增益光纤包括铒、镱和铥中的一种或多种，所述增益晶体为Yb：YAG、Yb：CaF2和Yb：KYW中的一种或多种。

采用增益光纤或增益晶体，可以缓解激光器的热效应，提高输出激光束的质量和激光系统的稳定性。

进一步，所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过电机拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。

对于各响应点的控制方法，重复频率采用全光方法来控制，重频差采用电机拉伸控制腔内啁啾光纤光栅长度来实现，载波包络偏移频率差采用功率反馈控制模块控制泵浦源输出功率来实现。

进一步，所述双波长脉冲振荡器为双波长固体脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据激光器腔长进行响应，控制重复频率，所述激光器腔长通过压电陶瓷伸缩调节；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过压电陶瓷位移拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。

对于各响应点的控制方法的另一种方案，采用压电陶瓷控制重复频率，并采用压电陶瓷位移控制腔内啁啾光纤光栅实现对重频差的控制，以及采用功率反馈控制模块控制泵浦源输出功率来控制载波包络偏移频率差。

进一步，所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过调节啁啾光纤光栅温度控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。

除了拉伸啁啾光纤光栅长度控制腔内色散系数，也可将放置于半导体制冷片或温控仪上，调节啁啾光纤光栅温度达到控制腔内色散系数的效果，实现对重频差的控制。

进一步，所述频率探测模块包括两路独立的重复频率探测单元和两路独立的载波包络偏移频率探测单元；每路重复频率探测单元包括分束器、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、分频器和计数器，所述分束器用于将振荡器输出的光信号按激光波长分成多束，所述光电探测器将光信号转换为电信号，实现光电转换，所述带通滤波器用于将电信号的重复频率基频信号或重复频率谐波信号选出，滤除杂波，所述射频放大器用于将滤波的电信号进行功率放大，所述分频器用于将电信号一分为二，一束作为检测监测信号，一束作为应用，所述计数器用于实时观察和采集电信号的频率信息；每路载波包络偏移频率探测单元包括f-2f探测器、光电探测器、带通滤波器和射频放大器，所述f-2f探测器用于探测振荡器输出的光信号的载波包络偏移频率，所述光电探测器将f-2f探测器的光信号转换为电信号，实现光电转换，所述带通滤波器用于将电信号的重复频率基频信号或重复频率谐波信号选出，滤除杂波，所述射频放大器用于将滤波的电信号进行功率放大。

频率探测模块包括两路独立的重复频率探测单元和两路独立的载波包络偏移频率探测单元，分别进行重复频率和载波包络偏移频率的探测，能够提高探测的准确率，对于fceo的探测目前主流的方法是采用f-2f的方法。分别进行光电转换、滤波、放大、分频和计数处理，以便进行下一步的控制过程。

进一步，所述频率反馈控制模块包括重复频率反馈控制模块、重频差反馈控制模块和载波包络偏移频率差反馈控制模块，所述重复频率控制模块包括信号发生器、混频器、低通滤波器和射频放大器；重频差反馈控制模块包括载波调制器、信号发生器、混频器、低通滤波器和射频放大器；载波包络偏移频率差反馈控制模块包括载波调制器、信号发生器、混频器、低通滤波器和射频放大器；所述载波调制器用于对输入信号加入载波调制，所述信号发生器用于输出标准频率信号，所述混频器用于对调制后的信号与标准频率信号进行混频，得到误差信号，所述滤波器和射频放大器用于对误差信号进行选出并放大，实现反馈控制。

重复频率反馈控制模块、重频差反馈控制模块和载波包络偏移频率差反馈控制模块分别对重复频率、重频差和载波包络偏移频率差进行反馈控制。载波调制器对输入信号加入载波调制，使其落在相关射频元件工作范围内，再进行混频、滤波和放大处理，实现反馈控制。

本发明还提供高精度单腔多梳频率测量控制方法，该方法使用了上述系统，包括以下步骤：

S1：单腔多梳脉冲振荡器输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串；

S2：输出的脉冲串光信号经过分束器按激光波长分成多束后，分别被光电探测器转换为电信号，并进行滤波和放大处理；

S3：将处理后的电信号通过分频器分为若干路，每路电信号分别经过混频、滤波和放大处理；

S4：将处理后的电信号作为反馈信号去驱动单腔多梳脉冲振荡器的频率响应点，实现对锁模脉冲串的频率进行反馈控制。

附图说明

图1为本发明高精度单腔多梳频率测量控制系统的原理图；

图2为本发明高精度单腔多梳频率测量控制系统的双波长脉冲振荡器的结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：双波长脉冲振荡器100、激光器101、重复频率响应点102、温控模块103、重频差响应点104、分光器105、载波包络偏移频率差响应点106、频率探测模块200、重复频率反馈控制模块310、重频差反馈控制模块320、载波包络偏移频率差反馈控制模块330；

分束器201、211；光电探测器202、212、232、242；带通滤波器203、213、233、243；射频放大器204、214、234、244、314、325、336；分频器205、206、215；计数器207、216、222、252；f-2f探测器231、241；混频器311、321、323、331、334；信号发生器312、326、337；低通滤波器313、324、335；载波调制器322、323。

半导体激光二极管109、平凹镜110、增益晶体111、半导体可饱和吸收镜112、光栅对1024、电机控制器1025、1047、压电陶瓷1046。

(为方便区分，本实施例中分束器、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、分频器、计数器、f-2f探测器、混频器、信号发生器、低通滤波器、载波调制器、电机控制器分别采用不同的附图标记，各元器件均为统一型号)

实施例一：

如图1所示，高精度单腔多梳频率测量控制系统，包括单腔多梳脉冲振荡器，频率探测模块200和频率反馈控制模块。所述频率反馈控制模块包括重复频率反馈控制模块310、重频差反馈控制模块320和载波包络偏移频率差反馈控制模块330，所述单腔多梳脉冲振荡器为双波长脉冲振荡器100(本实施例中所述双波长脉冲振荡器100可以为光纤激光器、固体激光器、半导体激光器或气体激光器中任意一种能够实现双波长双脉冲锁模的激光振荡器)，具体包括激光器101、输出端口和频率响应点，其中输出端口为分光器105，频率响应点包括重复频率响应点102、重频差响应点104和载波包络偏移频率差响应点106。

双波长脉冲振荡器100包括激光器101、重复频率响应点102、温控模块103、重频差响应点104、分光器105、载波包络偏移频率差响应点106，激光器101可以产生中心波长不同的两束锁模脉冲串，分别为λ1＝1530nm和λ2＝1560nm，中心波长间距Δλ＝30nm。假设其对应的重复频率分别为f1＝25.001MHz和f2＝25MHz，则重频差Δf＝1kHz；其载波包络偏移频率分别为fceo1＝10MHz和fceo2＝10.001MHz，则载波包络偏移频率差为Δfceo＝1kHz。输出信号经过分光器105按波长分束，然后两束脉冲将分别经过一个分束器201和分束器211。其中，重频信号一路：λ1(1530nm)被光电探测器202探测，并转换为电信号；λ2(1560nm)被光电探测器212探测，同样转换为电信号。另外载波包络偏移频率一路：两束脉冲都将进入载波包络偏移频率差探测模块。

所述双波长脉冲振荡器100整体利用温控模块103进行稳定控制，以稳定振荡器工作波长；重复频率响应点102、重频差响应点104和载波包络偏移频率差响应点106分别用于稳定重复频率、重频差以及载波包络偏移频率差；分光器105用于将双波长锁模脉冲串信号按波长分开以便独立进行测量。

频率探测模块200包括两路独立的重复频率探测单元和两路独立的载波包络偏移频率探测单元。接下来对于重频信号一路，双波长锁模脉冲串分别进入频率探测模块200，包括分束器201和202，光电探测器202和212，带通滤波器203和213，射频放大器204和214，分频器205、206和215，计数器207、216和222。其中1530nm信号光脉冲依次经过分束器201，光电探测器202，带通滤波器203，射频放大器204以及分频器205、206，分频器206其中一路输出信号连接计数器207，实现对其脉冲重复频率信号的探测；1560nm信号光脉冲则依次经过分束器211，光电探测器212，带通滤波器213，射频放大器214及分频器215，分频器215其中一路输出信号连接计数器216实现对其脉冲重复频率信号的探测。

所述分束器201和211，用于对1530nm和1560nm各路光束按强度分束，分束比为5:5。光电探测器202和212将光信号转换为电信号，实现对脉冲信号探测。可以为PIN或APD等多种类型的光电探测器。带通滤波器203及213都为25MHz中心频率的带通滤波器。所述射频放大器204的放大倍数为23dB，用于将1530nm信号放大；射频放大器214的放大倍数为20dB，用于将1560nm信号放大。所述分频器205将经过射频放大器204放大的1530nm信号分为两路，一路连接重复频率反馈控制模块310，另一路连接分频器206。所述分频器206继续将1530nm信号分为两路，一路连接计数器207进行重复频率探测，另一路连接混频器321进行混频操作，进入后续重频差反馈控制模块320。所述分频器215将经过射频放大器214放大的1560nm信号分为两路，一路连接计数器216进行重复频率探测；另一路连接混频器321与1530nm信号进行混频操作，得到重频差信号Δf＝1kHz，一路连接计数器222用于重频差探测，另一路与重频差反馈控制模块320相连。

而对于载波包络偏移频率一路，分束后的双波长脉冲分别进入f-2f载波包络偏移探测模块231和241，光电探测器232和242，带通滤波器233和243以及射频放大器234和244。所述f-2f载波包络偏移探测模块231和241分别用于将1530nm及1560nm信号的载波包络偏移频率探测出来。所述光电探测器将f-2f载波包络偏移探测模块中的光信号转化为电信号，用于后续探测，此处为APD型的光电探测器。

所述带通滤波器233和243为10MHz中心频率的带通滤波器，带宽2MHz。所述射频放大器234和244的放大倍数都为20dB，用于将fceo1以及fceo2信号的放大。放大之后的两路信号都将连接到混频器331中进行混频得到载波包络偏移频率差信号Δfceo＝1kHz，然后一路连接计数器252实现载波包络偏移频率差的探测，另一路连接载波包络偏移频率差反馈控制模块330。

所述频率反馈控制模块，包括重复频率反馈控制模块310、重频差反馈控制模块320和载波包络偏移频率差反馈控制模块330。重复频率反馈控制模块310包括混频器311、信号发生器312、低通滤波器313和射频放大器314。重频差反馈控制模块320包括混频器321、载波调制器322、混频器323、信号发生器326、低通滤波器324和射频放大器325。载波包络偏移频率差控制模块330包括混频器331、载波调制器332、射频放大器333和336、混频器334、低通滤波器335和信号发生器337。

分频器205输出的一路1530nm脉冲信号进入重复频率反馈控制模块310，依次通过混频器311、低通滤波器313以及射频放大器314进行信号处理后去反馈控制双波长脉冲振荡器100中的重复频率响应点102，实现对本发明双波长激光器重复频率信号的稳定控制。

混频器321输出的重频差信号Δf进入重频差反馈控制模块320，依次通过载波调制器322、混频器323、低通滤波器324以及射频放大器325进行信号处理后去反馈控制双波长脉冲振荡器100中的重频差响应点104，实现对本发明双波长激光器重频差信号的稳定控制。

所述载波调制器322将产生15MHz的调制频率，用于将重频差信号频率抬升至15.001MHz，使其落在混频器323的工作范围内。所述射频混频器311和323用于分别对重复频率信号或重频差信号进行混频操作，分别与信号发生器312和326输出的标准频率信号进行差频，获取误差信号，作为反馈信号去驱动对应的频率响应点。所述的信号发生器312输出标准频率信号为25MHz，波形为正弦波；信号发生器326输出标准频率信号为15MHz，波形为正弦波。

所述低通滤波器313和射频放大器314用于将重复频率误差信号提取并放大，实现对重复频率响应点102的反馈控制。

所述低通滤波器324和射频放大器325用于将重频差误差信号提取并放大，实现对重频差响应点104的反馈控制。

对于载波包络偏移频率探测锁定而言，探测到的两个载波包络偏移频率fceo1和fceo2经过混频器331之后的载波包络偏移频率差信号Δfceo进入载波包络偏移频率差反馈控制模块330，将依次通过载波调制器332、射频放大器333、混频器334、低频滤波器335以及射频放大器336进行信号处理后去反馈控制双波长脉冲振荡器100中的载波包络偏移频率差响应点106，实现对本发明双波长激光器载波包络偏移频率差信号的稳定控制。

所述载波调制器322将产生15MHz的调制频率，用于将载波包络偏移频率差信号抬升至15.001MHz，使其落在射频混频器334的工作范围内，然后经过放大倍数为20dB的射频放大器333。所述混频器334用于将信号发生器337产生的15MHz的正弦标准信号与经过调制后的载波包络偏移频率差信号进行混频，得到误差信号。所述低通滤波器335和放大倍数为20dB的射频放大器336用于将载波包络偏移频率差误差信号提取并放大，实现对频率响应点106的反馈控制。

其中双波长脉冲振荡器100为双波长光纤脉冲振荡器，所述激光器101包括980nm的半导体激光二极管(LD)，其输出泵浦激光通过四端口波分复用器泵浦增益光纤得到1550nm波段信号光，然后信号光经过锁模调制器获得锁模脉冲信号。本实施例中，所用光纤及光纤元器件均为偏振保持元件(保偏光纤)。

重复频率响应点102采用全光方法来控制振荡器重复频率，包括环形器，波分复用器，半导体激光二极管，增益光纤以及啁啾光纤光栅。环形器将腔内信号引入到光栅中并将光栅反射的信号光引回激光腔内，半导体激光二极管中心波长应为980nm，通过980/1550型三端口波分复用器1042泵浦增益光纤1044产生折射率变化，实现对振荡器腔内重复频率的控制。重复频率反馈控制模块310通过改变激光二极管的泵浦功率来控制增益光纤的折射率变化，影响光程，从而控制重复频率。其中，啁啾光纤光栅应对1530nm及1560nm为高反，对于980nm为高透。

重频差频率响应点包括环形器，啁啾光纤光栅以及压力控制器。环形器将腔内信号引入到光栅中并将光栅反射的信号光引入回激光腔内。重频差反馈控制模块320产生的反馈信号，通过电机拉伸控制CGBG的长度，从而控制腔内整体色散，实现对双波长激光器重频差的稳定控制。啁啾光纤光栅的参数如下：工作波长为1520nm至1560nm，带宽为40nm，反射率大于80％，光纤型号为保偏光纤。对其进行的长度拉伸或者温度控制可以使其提供的二阶色散参量在0.01-0.2ps2的范围内可调。

其中，电机也可替换成温度控制器或者半导体制冷片，调节啁啾光纤光栅温度达到控制腔内色散系数的效果，实现对重频差的控制。

载波包络偏移频率差频率响应点采用控制泵浦功率来控制振荡器载波包络偏移频率差。载波包络偏移频率差反馈控制模块330；通过改变半导体激光二极管的功率，从而改变腔内的非线性系数大小，最终实现载波包络偏移频率差的控制。

除了上述频率响应点组合，重复频率响应点102还可以采取啁啾光纤光栅加电控偏振控制器，光栅对加全光方法控制腔长，啁啾光纤光栅加压电陶瓷控制器，光栅对加电控偏振控制器等组合。载波包络偏移频率差响应点106还可以采用控制腔内非线性器件的方式

本实施例中所述增益光纤包括铒、镱和铥中的一种或多种。

实施例二：

本实施例二和实施例一不同之处在于，所述双波长脉冲振荡器100为双波长固体脉冲振荡器，所述输出端口为耦合器，其脉冲振荡器结构如图2所示，包括激光器101、耦合器、平凹镜110、增益晶体111、光栅对1024、电机控制器1025、电机控制器1047、压电陶瓷1046。所述激光器101为半导体激光二极管109，耦合器为半导体可饱和吸收镜112。

980nm的半导体激光二极管109通过980nm增透，1030高反的平凹镜110泵浦增益晶体111产生1030nm波段信号光，然后经过半透半反的半导体可饱和吸收镜112进行信号输出。光栅对1024用于补偿振荡器腔内色散系数，并作为重复频率响应点102，用于稳定重频差。半导体可饱和吸收镜112除了作为输出耦合镜，还作为可饱和吸收材料用于产生双波长锁模脉冲输出以及作为重复频率响应点102，实现对激光器重复频率的稳定控制。

重复频率响应点102包括了光栅对1024以及电机控制器1025。其中，光栅对1024中的其中一片光栅粘附在电机控制器1025上，可以跟随其改变位置及角度。重频差反馈控制模块320产生的反馈信号，通过电机控制器1025控制光栅对1024的角度及距离，从而改变腔内的整体色散，从而实现对双波长脉冲重频差的锁定。

重频差响应点104包括半导体可饱和吸收镜112、压电陶瓷1046以及电机控制器1047。将半导体可饱和吸收镜112粘附在压电陶瓷1046上。重复频率反馈控制模块310产生反馈信号，通过电机控制器1047控制压电陶瓷1046，从而改变半导体可饱和吸收镜112的位置，从而改变整体腔长，实现对双波长脉冲振荡器100重复频率的稳定控制。

载波包络偏移频率差频率响应点106采用控制泵浦功率来控制振荡器载波包络偏移频率差。载波包络偏移频率差反馈控制模块330通过改变半导体激光二极管109的功率，从而改变腔内的非线性系数大小，最终实现载波包络偏移频率差的控制。

所述增益晶体为Yb：YAG、Yb：CaF2和Yb：KYW中的一种或多种。

实施例三：

本实施例三和实施例二不同之处在于，载波包络偏移频率差频率响应点106通过在增益晶体111和光栅对1024之间插入了输出腔镜，本实施例中输出腔镜为玻璃楔，通过控制和调整玻璃楔的角度，从而改变腔内的非线性系数大小，实现载波包络偏移频率差的控制。

本发明实施例还公开了高精度单腔多梳频率测量控制方法，该方法使用了上述系统。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请得出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于，包括：单腔多梳脉冲振荡器、频率探测模块和频率反馈控制模块，所述单腔多梳脉冲振荡器包括激光器、输出端口和频率响应点，所述激光器用于输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串，所述输出端口用于将锁模脉冲串按激光波长分束后传送至频率探测模块，所述频率响应点用于对频率反馈控制模块处理的电信号进行响应，实现对各频率信号的分别锁定；所述频率探测模块用于对锁模脉冲串的频率分别同时进行探测，并输出电信号；所述频率反馈控制模块用于将频率探测模块的电信号进行规范处理，然后输送至单腔多梳脉冲振荡器中的频率响应点，控制频率响应点应变，实现对锁模脉冲串的频率进行反馈控制。

2.根据权利要求1所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述单腔多梳脉冲振荡器为双波长脉冲振荡器，所述频率响应点包括重复频率响应点、重频差响应点和载波包络偏移频率差响应点，各频率响应点不互相串扰。

3.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述频率响应点的响应参量为激光器腔长、介质折射率、腔内色散系数、双波长脉冲中心波长间距、泵浦功率和腔内非线性系数中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器的增益介质为增益光纤或增益晶体，所述增益光纤包括铒、镱和铥中的一种或多种，所述增益晶体为Yb：YAG、Yb：CaF2和Yb：KYW中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过电机拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。

6.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器为双波长固体脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据激光器腔长进行响应，控制重复频率，所述激光器腔长通过压电陶瓷伸缩调节；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过压电陶瓷位移拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。

7.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过调节啁啾光纤光栅温度控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。

8.根据权利要求5-7任一项所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述频率探测模块包括两路独立的重复频率探测单元和两路独立的载波包络偏移频率探测单元；每路重复频率探测单元包括分束器、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、分频器和计数器，所述分束器用于将振荡器输出的光信号按激光波长分成多束，所述光电探测器将光信号转换为电信号，实现光电转换，所述带通滤波器用于将电信号的重复频率基频信号或重复频率谐波信号选出，滤除杂波，所述射频放大器用于将滤波的电信号进行功率放大，所述分频器用于将电信号一分为二，一束作为检测监测信号，一束作为应用，所述计数器用于实时观察和采集电信号的频率信息；每路载波包络偏移频率探测单元包括f-2f探测器、光电探测器、带通滤波器和射频放大器，所述f-2f探测器用于探测振荡器输出的光信号的载波包络偏移频率，所述光电探测器将f-2f探测器的光信号转换为电信号，实现光电转换，所述带通滤波器用于将电信号的重复频率基频信号或重复频率谐波信号选出，滤除杂波，所述射频放大器用于将滤波的电信号进行功率放大。

9.根据权利要求5-7任一项所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述频率反馈控制模块包括重复频率反馈控制模块、重频差反馈控制模块和载波包络偏移频率差反馈控制模块，所述重复频率控制模块包括信号发生器、混频器、低通滤波器和射频放大器；重频差反馈控制模块包括载波调制器、信号发生器、混频器、低通滤波器和射频放大器；载波包络偏移频率差反馈控制模块包括载波调制器、信号发生器、混频器、低通滤波器和射频放大器；所述载波调制器用于对输入信号加入载波调制，所述信号发生器用于输出标准频率信号，所述混频器用于对调制后的信号与标准频率信号进行混频，得到误差信号，所述滤波器和射频放大器用于对误差信号进行选出并放大，实现反馈控制。

10.高精度单腔多梳频率测量控制方法，其特征在于，该方法使用了上述系统，包括以下步骤：

S1：单腔多梳脉冲振荡器输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串；

S2：输出的脉冲串光信号经过分束器按激光波长分成多束后，分别被光电探测器转换为电信号，并进行滤波和放大处理；

S3：将处理后的电信号通过分频器分为若干路，每路电信号分别经过混频、滤波和放大处理；

S4：将处理后的电信号作为反馈信号去驱动单腔多梳脉冲振荡器的频率响应点，实现对锁模脉冲串的频率进行反馈控制。

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