RU2760624C1 - Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission - Google Patents

Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission Download PDF

Info

Publication number
RU2760624C1
RU2760624C1 RU2020140026A RU2020140026A RU2760624C1 RU 2760624 C1 RU2760624 C1 RU 2760624C1 RU 2020140026 A RU2020140026 A RU 2020140026A RU 2020140026 A RU2020140026 A RU 2020140026A RU 2760624 C1 RU2760624 C1 RU 2760624C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signal
shift
synthesizer
femtosecond laser
Prior art date
Application number
RU2020140026A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Капитонович Дмитриев
Николай Николаевич Головин
Константин Николаевич Савинов
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority to RU2020140026A priority Critical patent/RU2760624C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2760624C1 publication Critical patent/RU2760624C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0121—Operation of devices; Circuit arrangements, not otherwise provided for in this subclass

Abstract

FIELD: lasers.
SUBSTANCE: invention relates to the field of laser equipment and pertains to a method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission. The method consists in the fact that laser emission is divided by a mirror into two parts, a signal with a pulse repetition frequency is isolated and mixed with the signal of the reference pulse repetition frequency synthesiser and supplied to the phase binding unit. The emission passed through the first mirror is divided into two parts. The first part of the emission is supplied to the input of the intensity modulator and the second part is passed through a Fabry-Pérot interferometer, the length whereof is scanned to a value of the order of the wavelength. The emission passed through the interferometer is supplied to a photodetector, the signal whereof is supplied to the input of the data collection and processing unit, the signal from the output whereof with a frequency equal to the frequency comb shift of Δ is supplied to the frequency comb shift phase binding unit, the other input whereof is supplied with a signal at a frequency of Δ0 from the comb shift binding frequency synthesiser, thus conducting phase binding of the frequency shift Δ to the frequency Δ0.
EFFECT: provided possibility of obtaining a sequence of identical pulses with the possibility of selecting a preset phase difference between the carrier and the envelope for arbitrary spectrum width emission.
1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов с одинаковой разностью фаз между несущей и огибающей, что может быть использовано для повышения эффективности преобразования частоты в нелинейных оптических процессах, в частности, для получения аттосекундных импульсов.The proposed invention relates to the field of laser technology and can be used to obtain a sequence of identical femtosecond pulses with the same phase difference between the carrier and the envelope, which can be used to increase the efficiency of frequency conversion in nonlinear optical processes, in particular, to obtain attosecond pulses.

Известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов (David J. Jones, Scott A. Diddams, Jinendra K. Ranka, Andrew Stentz, Robert S. Windeler, John L. Hall, Steven T. Cundiff., Science, Vol. 288, pp.635-639, 2000), являющийся аналогом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что последовательность идентичных фемтосекундных импульсов получают с помощью акустооптического модулятора, включенного в коротковолновое плечо ƒ-2ƒ-интерферометра. Устройство, реализующее описанный в аналоге способ получения стабильной последовательности фемтосекундных импульсов, содержит фемтосекундный лазер, задающий синтезатор, микроструктурированное оптическое волокно, синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, фотодетектор, блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, делительные зеркала, дихроичное зеркало, f-2f-интерферометр, акустооптический модулятор, блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера. Излучение фемтосекундного лазера делится зеркалом на две части. Одна часть поступает на фотодетектор, где выделяется сигнал с частотой повторения импульсов ω. Этот сигнал смешивается с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и поступает на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера. Вторая часть излучения вводится в микроструктурированное волокно для того чтобы уширить спектр излучения до ширины более чем октава. Далее излучение с уширенным спектром поступает на f-2f-интерферометр, в коротковолновое плечо которого включен акустооптический модулятор, работающий на частоте ƒAOM=7/8ω. Выходной сигнал f-2f-интерферометра с частотой, равной ±(Δ-ƒAOM) поступает на управляемый генератор блока фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера. Сигнал ошибки, генерируемый управляемым генератором имеет частоту, равную (m/16)ω (m - целое число), позволяет менять фазу несущей относительно огибающей фемтосекундных импульсов с шагом π/8.A known method of obtaining a sequence of identical femtosecond pulses (David J. Jones, Scott A. Diddams, Jinendra K. Ranka, Andrew Stentz, Robert S. Windeler, John L. Hall, Steven T. Cundiff., Science, Vol. 288, pp. 635-639, 2000), which is an analogue of the present invention and consists in the fact that a sequence of identical femtosecond pulses is obtained using an acousto-optic modulator included in the short-wave arm of the ƒ-2ƒ-interferometer. A device that implements the method for obtaining a stable sequence of femtosecond pulses described in the analogue contains a femtosecond laser, a master synthesizer, a microstructured optical fiber, a synthesizer for a reference frequency of a femtosecond laser pulse, a photodetector, a phase locking unit for a pulse repetition rate of a femtosecond mirror laser, a fission mirror -2f-interferometer, acousto-optic modulator, phase locking unit for the shift of the frequency comb of femtosecond laser radiation. The radiation of a femtosecond laser is divided by a mirror into two parts. One part goes to the photodetector, where a signal with a pulse repetition rate ω is extracted. This signal is mixed with the signal of the synthesizer of the reference pulse repetition rate of the femtosecond laser, stabilized by the master synthesizer, and is fed to the block for phase locking of the pulse repetition rate of the femtosecond laser. The second part of the radiation is injected into a microstructured fiber in order to broaden the radiation spectrum to more than an octave in width. Then, radiation with a broadened spectrum enters the f-2f interferometer, in the short-wave arm of which an acousto-optic modulator is connected, operating at a frequency ƒ AOM = 7 / 8ω. The output signal of the f-2f interferometer with a frequency equal to ± (Δ- AOM ) is fed to a controlled generator of the phase-locking unit for the shift of the frequency comb of the femtosecond laser radiation. The error signal generated by the controlled generator has a frequency equal to (m / 16) ω (m is an integer), it allows you to change the carrier phase relative to the envelope of femtosecond pulses with a step of π / 8.

Однако в указанном способе реализуется режим генерации последовательности идентичных импульсов с произвольным значением разности фаз между огибающей и несущей, что не позволяет добиться совпадения их максимумов, при котором эффективность преобразования частоты в нелинейных процессах будет максимальной.However, this method implements the mode of generating a sequence of identical pulses with an arbitrary value of the phase difference between the envelope and the carrier, which does not allow achieving the coincidence of their maxima, at which the efficiency of frequency conversion in nonlinear processes will be maximum.

Кроме того, известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов (Бакланов Е.В., Головин Н.Н., Дмитриев А.К, Дмитриева Н.И., «Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов», патент на изобретение №2701209, опубл. 25.09.19, Бюллетень №27), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что последовательность идентичных фемтосекундных импульсов выделяют с помощью эектрооптического модулятора, управляемого формирователем импульсов, а сдвиг фазы несущей относительно огибающей устанавливают с помощью фазовращателя.In addition, a method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses is known (Baklanov E.V., Golovin N.N., Dmitriev A.K, Dmitrieva N.I., "Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses", patent for invention No. 2701209, publ. 09.25.19, Bulletin No. 27), which is a prototype of the present invention and consists in the fact that a sequence of identical femtosecond pulses is isolated using an electro-optical modulator controlled by a pulse shaper, and the carrier phase shift relative to the envelope is set using a phase shifter.

Устройство, реализующее описанный в прототипе способ содержит: фемтосекундный лазер; задающий синтезатор; синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω0; синтезатор опорной частоты сдвига гребенки Δ0; синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности F0; делительные зеркала; f-2f интерферометр; блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера; фотодетектор; блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера; фазовращатель; управляемый формирователь импульсов, модулятор интенсивности и микроструктурированное волокно. Излучение фемтосекундного лазера отраженное от первого делительного зеркала подают на фотодетектор, где выделяется сигнал на частоте повторения импульсов ω, который далее подают на блок фазовой привязки частоты, куда также поступает сигнал на частоте ω0 от синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, для которого в качестве опорной используют частоту с задающего синтезатора. Блок фазовой привязки частоты стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω0. Излучение фемтосекундного лазера, прошедшее через первое делительное зеркало, падает на второе делительное зеркало, отражаясь от которого поступает на микроструктурированное оптическое волокно, где происходит уширение его спектра до октавы или более. Затем излучение с уширенным спектром подают на ƒ-2ƒ-интерферометр, откуда выделяемый сигнал на частоте сдвига гребенки фемтосекундного лазера Δ подается на один из входов блока фазовой привязки частоты, а на другой вход подают сигнал на частоте Δ0 от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора. Таким образом, осуществляют фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ0, так что Δ=Δ0. Синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности, синхронизованный с задающим синтезатором, вырабатывает сигнал на частоте F0, который удовлетворяет условиям ω0/Δ0=k/q и F0=ω0/k. Этот сигнал через фазовращатель подают на упраляемый формирователь импульсов и далее на модулятор интенсивности, излучение фемтосекундного лазера на который поступает через второе делительное зеркало. С помощью фазовращателя устанавливают сдвиг фазы несущей относительно огибающей, так что из всех возможных последовательностей идентичных импульсов можно селектировать различные последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k.A device that implements the method described in the prototype contains: a femtosecond laser; master synthesizer; synthesizer of the reference frequency of repetition of femtosecond laser pulses ω 0 ; synthesizer of the reference frequency comb shift Δ 0 ; synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator F 0 ; dividing mirrors; f-2f interferometer; a phase locking unit for the shift of the frequency comb of the femtosecond laser radiation; photodetector; a block for phase locking of the pulse repetition rate of a femtosecond laser; phase shifter; controlled pulse shaper, intensity modulator and microstructured fiber. The radiation of the femtosecond laser reflected from the first splitting mirror is fed to a photodetector, where a signal is extracted at a pulse repetition frequency ω, which is then fed to a frequency phase locking unit, which also receives a signal at a frequency ω 0 from a synthesizer of a reference pulse repetition frequency of a femtosecond laser, for which in the frequency from the master synthesizer is used as a reference. The block for phase locking the frequency stabilizes the pulse repetition rate, so that ω = ω 0 . The radiation of a femtosecond laser, passing through the first splitting mirror, falls on the second splitting mirror, being reflected from which it enters the microstructured optical fiber, where its spectrum is broadened to an octave or more. Then the radiation with a broadened spectrum is fed to the ƒ-2ƒ-interferometer, from where the extracted signal at the comb shift frequency of the femtosecond laser Δ is fed to one of the inputs of the frequency phase locking unit, and a signal at the frequency Δ 0 from the synthesizer of the comb shift reference frequency is fed to the other input. the reference signal for which comes from the master synthesizer. Thus, the phase locking of the frequency shift Δ to the frequency Δ 0 is carried out, so that Δ = Δ 0 . The synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator, synchronized with the master synthesizer, generates a signal at the frequency F 0 , which satisfies the conditions ω 0 / Δ 0 = k / q and F 0 = ω 0 / k. This signal is fed through a phase shifter to a controllable pulse shaper and then to an intensity modulator, the radiation of a femtosecond laser to which is fed through a second splitting mirror. Using the phase shifter, the carrier phase shift relative to the envelope is set, so that from all possible sequences of identical pulses, various sequences can be selected with a discreteness of the carrier phase shift relative to the envelope equal to 2π / k.

Однако указанный способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов реализуется только для излучения с шириной спектра не менее октавы, что ограничивает его применимость для более широкого круга фемтосекундных лазеров.However, this method of obtaining a sequence of identical femtosecond pulses is realized only for radiation with a spectral width of at least an octave, which limits its applicability for a wider range of femtosecond lasers.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является получение последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей для фемтосекундного лазерного излучения с произвольной шириной спектра, что делает его применимым для более широкого класса фемтосекундных лазеров.The objective (technical result) of the invention is to obtain a sequence of identical pulses with the ability to select a given phase difference between the carrier and the envelope for femtosecond laser radiation with an arbitrary spectral width, which makes it applicable for a wider class of femtosecond lasers.

Поставленная задача достигается тем, что излучение фемтосекундного лазера делят зеркалом на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяют сигнал с частотой повторения импульсов ω, который смешивают с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и подают на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, который стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω0. Прошедшее через первое зеркало излучение делят вторым зеркалом на две части, одну из которых подают на оптический вход модулятора интенсивности, управляемого формирователем импульсов, задающим сигналом для которого служит поступающий через фазовращатель сигнал синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, синхронизованный с задающим синтезатором. При этом сдвиг гребенки частот Δ и частота повторения импульсов фемтосекундного лазера ω связаны соотношением:The task is achieved by the fact that the radiation of the femtosecond laser is divided by a mirror into two parts, one of which is fed to the photodetector, where a signal with a pulse repetition rate ω is extracted, which is mixed with the signal from the synthesizer of the reference pulse repetition rate of the femtosecond laser, stabilized by the master synthesizer, and supplied to the block for phase locking of the pulse repetition rate of the femtosecond laser, which stabilizes the pulse repetition rate, so that ω = ω 0 . The radiation passed through the first mirror is divided by the second mirror into two parts, one of which is fed to the optical input of the intensity modulator controlled by the pulse shaper, the master signal for which is the signal of the intensity modulator reference frequency synthesizer coming through the phase shifter, synchronized with the master synthesizer. In this case, the shift of the frequency comb Δ and the pulse repetition rate of the femtosecond laser ω are related by the relation:

Figure 00000001
Figure 00000001

где k и q - целые числа.where k and q are integers.

Излучение фемтосекундного лазера проходит через модулятор интенсивности, частоту которого задают с помощью управляемого формирователя импульсов на частотеThe radiation of a femtosecond laser passes through an intensity modulator, the frequency of which is set using a controlled pulse shaper at a frequency

Figure 00000002
Figure 00000002

так, что через модулятор интенсивности проходит каждый k-ый импульс, у которых разность фаз между огибающей и несущей будет постоянной, а сдвиг вновь созданной гребенки с частотой повторения F=F0 будет равен нулю, так что спектр излучения на выходе модулятора представляет набор частотso that every kth pulse passes through the intensity modulator, for which the phase difference between the envelope and the carrier will be constant, and the shift of the newly created comb with the repetition frequency F = F 0 will be equal to zero, so that the radiation spectrum at the modulator output represents a set of frequencies

Figure 00000003
Figure 00000003

где р - целое положительное число.where p is a positive integer.

При этом из всех возможных последовательностей идентичных импульсов селектируются последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k. При этом в устройство, реализующее способ включены интерферометр Фабри-Перо, генератор пилообразного напряжения, полосовой оптический фильтр, фотодетектор и блок сбора и обработки информации, таким образом, что излучение, прошедшее через второе зеркало, пропускают через интерферометр Фабри-Перо, длину которого устанавливают равной длине резонатора фемтосекундного лазера. Для получения интерференционной картины длину интерферометра сканируют вблизи заданного значения на величину порядка длины волны с помощью генератора пилообразного напряжения, синхронизованного с задающим синтезатором. Излучение, прошедшее через интерферометр Фабри-Перо, пропускают через полосовой оптический фильтр, выделяющий заданную спектральную полосу, и подают на фотодетектор, сигнал с которого поступает на один из входов блока сбора и обработки данных, на второй вход которого подают сигнал с низковольтного выхода генератора пилообразного напряжения. Блок сбора и обработки данных обрабатывает интерференционную картину и формирует сигнал с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, который определяется из следующего соотношения:In this case, sequences with a discreteness of the carrier phase shift relative to the envelope equal to 2π / k are selected from all possible sequences of identical pulses. In this case, a Fabry-Perot interferometer, a sawtooth voltage generator, a band-pass optical filter, a photodetector and an information collection and processing unit are included in the device implementing the method, so that the radiation transmitted through the second mirror is passed through the Fabry-Perot interferometer, the length of which is set equal to the length of the cavity of the femtosecond laser. To obtain an interference pattern, the length of the interferometer is scanned near a given value by an amount of the order of a wavelength using a sawtooth voltage generator synchronized with a master synthesizer. The radiation passed through the Fabry-Perot interferometer is passed through a band-pass optical filter, which selects a given spectral band, and is fed to a photodetector, the signal from which is fed to one of the inputs of the data acquisition and processing unit, to the second input of which a signal is supplied from the low-voltage output of the sawtooth generator voltage. The data collection and processing unit processes the interference pattern and generates a signal with a frequency equal to the shift of the frequency comb Δ, which is determined from the following relationship:

Figure 00000004
Figure 00000004

где q - сдвиг фемтосекундной гребенки частот относительно максимума частоты полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо;where q is the shift of the femtosecond frequency comb relative to the maximum frequency of the passband of the Fabry-Perot interferometer;

Ω - область свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо;Ω is the region of free dispersion of the Fabry-Perot interferometer;

δ - сдвиг полос пропускания интерферометра Фабри-Перо вследствие его дисперсии, который определяется путем предварительной калибровки интерферометра.δ is the shift of the passbands of the Fabry-Perot interferometer due to its dispersion, which is determined by preliminary calibration of the interferometer.

С выхода блока сбора и обработки данных сигнал подают на один из входов блока фазовой привязки сдвига гребенки частот, на другой вход которого подают сигнал на частоте Δ0 от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора. Таким образом, осуществляют фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ0, так что Δ=Δ0. При этом частоты синтезаторов частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера со, опорной частоты сдвига гребенки Δ и опорной частоты модулятора интенсивности F0 синхронизованы между собой по фазе.From the output of the data acquisition and processing unit, the signal is fed to one of the inputs of the frequency comb shift phase locking unit, to the other input of which a signal is supplied at a frequency Δ 0 from the comb shift reference frequency synthesizer, the reference signal for which comes from the master synthesizer. Thus, the phase locking of the frequency shift Δ to the frequency Δ 0 is carried out, so that Δ = Δ 0 . In this case, the frequencies of the synthesizers of the pulse repetition rate of the femtosecond laser ω, the reference frequency of the comb shift Δ and the reference frequency of the intensity modulator F 0 are synchronized with each other in phase.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит: 1 - синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности F0; 2 - фазовращатель; 3 - управляемый формирователь импульсов; 4 - синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω0; 5 - блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера; 6 - фотодетектор для выделения частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω0, 7 - задающий синтезатор; 8 - фемтосекундный лазер; 9, 10 - делительные зеркала; 11 - модулятор интенсивности; 12 - синтезатор опорной частоты сдвига гребенки Δ0; 13 - блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера, 14 - блок сбора и обработки информации; 15 - интерферометр Фабри-Перо; 16 - генератор пилообразного напряжения; и 17 - полосовой оптический фильтр; 18 - фотодетектор для выделения сдвига гребенки Δ.The device contains: 1 - synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator F 0 ; 2 - phase shifter; 3 - controlled pulse shaper; 4 - synthesizer of the reference frequency of repetition of femtosecond laser pulses ω 0 ; 5 - block for phase locking of the pulse repetition rate of the femtosecond laser; 6 - photodetector for selecting the pulse repetition rate of the femtosecond laser ω 0 , 7 - master synthesizer; 8 - femtosecond laser; 9, 10 - dividing mirrors; 11 - intensity modulator; 12 - synthesizer of the reference frequency of the comb shift Δ 0 ; 13 - block for phase locking of the shift of the frequency comb of femtosecond laser radiation, 14 - block for collecting and processing information; 15 - Fabry-Perot interferometer; 16 - sawtooth voltage generator; and 17 - a band-pass optical filter; 18 - photodetector for separating the comb shift Δ.

Фемтосекундный лазер 8 по оптическому каналу связан с делительным зеркалом 9, а кабельной связью - с блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 13 и блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 5; задающий синтезатор 7 имеет кабельную связь с синтезатором опорной частоты модулятора интенсивности 1, с синтезатором опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 4, с синтезатором опорной частоты сдвига гребенки 12 и с генератором пилообразного напряжения 16; синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 4 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 7 и блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 5; синтезатор опорной частоты сдвига гребенки 12 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 7 и блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 13; синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности 1 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 7 и фазовращателем 2; делительное зеркало 9 по оптическим каналам связано с фемтосекундным лазером 8, с делительным зеркалом 10 и фотоприемником 6; делительное зеркало 10 по оптическим каналам связано с делительным зеркалом 9, с интерферометром Фабри-Перо 15 и с модулятором интенсивности 11, интерферометр Фабри-Перо 15 по оптическому каналу связан полосовым оптическим фильтром 17, а по кабельному каналу - с генератором пилообразного напряжения 16, имеющим кабельную связь с задающим синтезатором 7; полосовой оптический фильтр 17 по оптическому каналу связан с фотодетектором 18; фотодетектор 18 также имеет кабельную связь с блоком сбора и обработки информации 14, имеющем кабельную связь с блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 13, который также имеет кабельные связи с фемтосекундным лазером 8 и синтезатором опорной частоты сдвига гребенки 12; фотоприемник 6 по оптическому каналу связан с делительным зеркалом 9, а кабельной связью - с блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 5, также имеющим кабельную связь с фемтосекундным лазером 8 и с синтезатором опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 4; фазовращатель 2 имеет кабельную связь с синтезатором опорной частоты модулятора интенсивности 1 и с управляемым формирователем импульсов 3, который имеет кабельную связь с модулятором интенсивности 11, связанным по оптическому каналу с делительным зеркалом 10.The femtosecond laser 8 is connected via an optical channel to the splitting mirror 9, and by cable connection - to the phase locking unit for the shift of the frequency comb of the femtosecond laser radiation 13 and the phase locking unit for the pulse repetition rate of the femtosecond laser 5; master synthesizer 7 has a cable connection with the synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator 1, with the synthesizer of the reference frequency of repetition of femtosecond laser pulses 4, with the synthesizer of the reference frequency of the comb shift 12 and with the sawtooth voltage generator 16; the synthesizer of the reference pulse repetition rate of the femtosecond laser 4 has a cable connection with the master synthesizer 7 and the block for phase locking of the pulse repetition rate of the femtosecond laser 5; the synthesizer of the reference frequency of the comb shift 12 has a cable connection with the master synthesizer 7 and the phase locking unit for the shift of the frequency comb of the femtosecond laser radiation 13; the synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator 1 has a cable connection with the master synthesizer 7 and the phase shifter 2; the dividing mirror 9 through optical channels is connected with the femtosecond laser 8, with the dividing mirror 10 and the photodetector 6; the splitting mirror 10 is connected via optical channels to the splitting mirror 9, to the Fabry-Perot interferometer 15 and to the intensity modulator 11, the Fabry-Perot interferometer 15 via the optical channel is connected to the band-pass optical filter 17, and via the cable channel to the sawtooth voltage generator 16 having cable connection with master synthesizer 7; a band-pass optical filter 17 through an optical channel is connected to the photodetector 18; the photodetector 18 also has a cable connection with the information collection and processing unit 14, which has a cable connection with the phase lock of the shift of the frequency comb of the femtosecond laser radiation 13, which also has cable connections with the femtosecond laser 8 and the synthesizer of the reference frequency of the comb shift 12; the photodetector 6 is connected via an optical channel to the splitting mirror 9, and by cable connection to the phase locking unit of the pulse repetition rate of the femtosecond laser 5, which also has a cable connection with the femtosecond laser 8 and with the synthesizer of the reference pulse repetition rate of the femtosecond laser 4; the phase shifter 2 has a cable connection with the synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator 1 and with a controlled pulse shaper 3, which has a cable connection with the intensity modulator 11, which is connected via an optical channel to the splitting mirror 10.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение фемтосекундного лазера 8 поступает от делительного зеркала 9 на фотодетектор 6, где выделяется сигнал на частоте повторения импульсов ω, который далее подается на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов 5, куда поступает также сигнал на частоте ω0 от синтезатора 4, для которого в качестве опорной используется частота с задающего синтезатора 7. Блок фазовой привязки частоты 5 стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω0.The method is carried out as follows. The radiation of the femtosecond laser 8 comes from the splitting mirror 9 to the photodetector 6, where a signal is extracted at the pulse repetition frequency ω, which is then fed to the phase locking unit of the pulse repetition frequency 5, which also receives the signal at the frequency ω 0 from the synthesizer 4, for which, as the reference frequency is used from the master synthesizer 7. The block of phase locking of the frequency 5 stabilizes the pulse repetition rate, so that ω = ω 0 .

Излучение фемтосекундного лазера, прошедшее через делительное зеркало 9, падает на делительное зеркало 10, отражаясь от которого проходит через интерферометр Фабри-Перо 15 и полосовой оптический фильтр 17, выделяющий заданную спектральную полосу, и поступает на фотодетектор 18, сигнал с которого поступает на один из входов блока сбора и обработки данных 14, на второй вход которого поступает сигнал с низковольтного выхода генератора пилообразного напряжения 16. Блок сбора и обработки данных 14 обрабатывает интерференционную картину и, согласно выражению (3), формирует на выходе сигнал с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, который подается на один из входов блока фазовой привязки частоты 13, на другой вход которого поступает сигнал на частоте Δ0 от синтезатора частоты сдвига гребенки 12, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора 7. Таким образом, осуществляется фазовая привязка частотного сдвига Δ к частоте Δ0, так что Δ=Δ0. При этом указанная схема выделения частотного сдвига Δ не требует ширины спектра излучения равной октаве или более.The radiation of the femtosecond laser, passed through the splitting mirror 9, falls on the splitting mirror 10, being reflected from which it passes through the Fabry-Perot interferometer 15 and the band-pass optical filter 17, which selects the specified spectral band, and enters the photodetector 18, the signal from which is fed to one of the the inputs of the data acquisition and processing unit 14, the second input of which receives the signal from the low-voltage output of the sawtooth voltage generator 16. The data acquisition and processing unit 14 processes the interference pattern and, according to expression (3), generates at the output a signal with a frequency equal to the shift of the frequency comb Δ, which is fed to one of the inputs of the frequency phase locking unit 13, to the other input of which a signal is received at a frequency Δ 0 from the comb shift frequency synthesizer 12, the reference signal for which comes from the master synthesizer 7. Thus, the phase locking of the frequency shift Δ to the frequency Δ 0 , so that Δ = Δ 0 . In this case, the specified scheme of allocating the frequency shift Δ does not require the width of the radiation spectrum equal to an octave or more.

Синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности 1 с опорной частотой, задаваемой задающим синтезатором 7, вырабатывает сигнал на частоте F0, который удовлетворяет условиям, представленным в выражениях (1) и (2). Этот сигнал через фазовращатель 2 подается на управляемый формирователь импульсов 3 и далее на модулятор интенсивности 11, излучение фемтосекундного лазера на который поступает через делительное зеркало 10. Фазовращатель 2 устанавливает сдвиг фазы несущей относительно огибающей, так что из всех возможных последовательностей идентичных импульсов можно селектировать различные последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k.The synthesizer of the reference frequency of the intensity modulator 1 with the reference frequency set by the master synthesizer 7 generates a signal at the frequency F 0 , which satisfies the conditions presented in expressions (1) and (2). This signal is fed through a phase shifter 2 to a controlled pulse shaper 3 and then to an intensity modulator 11, the radiation of a femtosecond laser to which is fed through a splitting mirror 10. Phase shifter 2 sets the carrier phase shift relative to the envelope, so that different sequences can be selected from all possible sequences of identical pulses with a discreteness of the carrier phase shift relative to the envelope equal to 2π / k.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей для фемтосекундного излучения с произвольной шириной спектра.The technical result of the proposed invention is to obtain a sequence of identical pulses with the ability to select a given phase difference between the carrier and the envelope for femtosecond radiation with an arbitrary spectral width.

Claims (14)

Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов для излучения с произвольной шириной спектра, заключающийся в том, что излучение фемтосекундного лазера делят зеркалом на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяют сигнал с частотой повторения импульсов ω, который смешивают с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и подают на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, который стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω0; прошедшее через первое зеркало излучение делят вторым зеркалом на две части, одну из которых подают на оптический вход модулятора интенсивности, управляемого формирователем импульсов, задающим сигналом для которого служит поступающий через фазовращатель сигнал синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, синхронизованный с задающим синтезатором, при этом сдвиг гребенки частот Δ и частота повторения импульсов фемтосекундного лазера ω связаны соотношением:A method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for radiation with an arbitrary spectral width, which consists in the fact that the radiation of a femtosecond laser is divided by a mirror into two parts, one of which is fed to a photodetector, where a signal with a pulse repetition rate ω is extracted, which is mixed with the signal of the reference frequency synthesizer repetition of the pulses of the femtosecond laser, stabilized by the master synthesizer, and supplied to the block for phase locking of the repetition rate of the femtosecond laser pulses, which stabilizes the pulse repetition rate, so that ω = ω 0 ; The radiation transmitted through the first mirror is divided by the second mirror into two parts, one of which is fed to the optical input of the intensity modulator, controlled by the pulse shaper, the master signal for which is the signal of the frequency modulator reference frequency synthesizer coming through the phase shifter, synchronized with the master synthesizer, while the comb shift frequencies Δ and the repetition rate of femtosecond laser pulses ω are related by:
Figure 00000005
Figure 00000005
 где k и q - целые числа,where k and q are integers, а излучение фемтосекундного лазера проходит через модулятор интенсивности, частоту которого задают с помощью управляемого формирователя импульсов на частотеand the radiation of a femtosecond laser passes through an intensity modulator, the frequency of which is set using a controlled pulse shaper at a frequency
Figure 00000006
Figure 00000006
 так, что через модулятор интенсивности проходит каждый k-й импульс, у которых разность фаз между огибающей и несущей будет постоянной, а сдвиг вновь созданной гребенки с частотой повторения F=F0 будет равен нулю, так что спектр излучения на выходе модулятора представляет набор частотso that every kth pulse passes through the intensity modulator, for which the phase difference between the envelope and the carrier will be constant, and the shift of the newly created comb with the repetition frequency F = F 0 will be equal to zero, so that the radiation spectrum at the modulator output represents a set of frequencies
Figure 00000007
Figure 00000007
 где р - целое положительное число,where p is a positive integer, а из всех возможных последовательностей идентичных импульсов селектируются последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k, отличающийся тем, что в устройство, реализующее способ, включены интерферометр Фабри-Перо, генератор пилообразного напряжения, полосовой оптический фильтр, фотодетектор и блок сбора и обработки информации, таким образом, что излучение, прошедшее через второе зеркало, пропускают через интерферометр Фабри-Перо, длину которого устанавливают равной длине резонатора фемтосекундного лазера, для получения интерференционной картины длину интерферометра сканируют вблизи заданного значения на величину порядка длины волны с помощью генератора пилообразного напряжения, синхронизованного с задающим синтезатором; излучение, прошедшее через интерферометр Фабри-Перо, пропускают через полосовой оптический фильтр, выделяющий заданную спектральную полосу, и подают на фотодетектор, сигнал с которого поступает на один из входов блока сбора и обработки данных, на второй вход которого подают сигнал с низковольтного выхода генератора пилообразного напряжения, блок сбора и обработки данных обрабатывает интерференционную картину и формирует сигнал с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, который определяется из следующего соотношения:and from all possible sequences of identical pulses, sequences are selected with a discreteness of the carrier phase shift relative to the envelope equal to 2π / k, characterized in that the device implementing the method includes a Fabry-Perot interferometer, a sawtooth voltage generator, a band-pass optical filter, a photodetector and a collection unit and information processing, so that the radiation transmitted through the second mirror is passed through a Fabry-Perot interferometer, the length of which is set equal to the length of the femtosecond laser cavity, to obtain an interference pattern, the length of the interferometer is scanned near a given value by an amount of the order of the wavelength using a sawtooth generator voltage synchronized with the master synthesizer; the radiation passed through the Fabry-Perot interferometer is passed through a band-pass optical filter that selects a given spectral band, and is fed to a photodetector, the signal from which is fed to one of the inputs of the data acquisition and processing unit, to the second input of which a signal is supplied from the low-voltage output of the sawtooth generator voltage, the data acquisition and processing unit processes the interference pattern and generates a signal with a frequency equal to the shift of the frequency comb Δ, which is determined from the following relationship:
Figure 00000008
Figure 00000008
 где q - сдвиг фемтосекундной гребенки частот относительно максимума частоты полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо;where q is the shift of the femtosecond frequency comb relative to the maximum frequency of the passband of the Fabry-Perot interferometer; Ω - область свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо;Ω is the region of free dispersion of the Fabry-Perot interferometer; δ - сдвиг полос пропускания интерферометра Фабри-Перо вследствие его дисперсии, который определяется путем предварительной калибровки интерферометра;δ is the shift of the passbands of the Fabry-Perot interferometer due to its dispersion, which is determined by preliminary calibration of the interferometer; с выхода блока сбора и обработки данных сигнал подают на один из входов блока фазовой привязки сдвига гребенки частот, на другой вход которого подают сигнал на частоте Δ0 от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора; таким образом, осуществляют фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ0, так что Δ=Δ0, при этом частоты синтезаторов частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω, опорной частоты сдвига гребенки Δ и опорной частоты модулятора интенсивности F0 синхронизованы между собой по фазе.from the output of the data collection and processing unit, the signal is fed to one of the inputs of the phase lock of the comb shift, to the other input of which a signal is supplied at a frequency Δ 0 from the comb shift reference frequency synthesizer, the reference signal for which comes from the master synthesizer; Thus, the phase locking of the frequency shift Δ to the frequency Δ 0 is carried out, so that Δ = Δ 0 , while the frequencies of the synthesizers of the pulse repetition rate of the femtosecond laser ω, the reference frequency of the comb shift Δ and the reference frequency of the intensity modulator F 0 are synchronized with each other in phase.
RU2020140026A 2020-12-07 2020-12-07 Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission RU2760624C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140026A RU2760624C1 (en) 2020-12-07 2020-12-07 Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140026A RU2760624C1 (en) 2020-12-07 2020-12-07 Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2760624C1 true RU2760624C1 (en) 2021-11-29

Family

ID=79173989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140026A RU2760624C1 (en) 2020-12-07 2020-12-07 Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2760624C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110274127A1 (en) * 2010-03-01 2011-11-10 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Pulse laser, optical frequency stabilized laser, measurement method, and measurement apparatus
US8456735B2 (en) * 2003-07-25 2013-06-04 Imra America, Inc. Pulsed laser sources
US9859677B1 (en) * 2013-11-08 2018-01-02 Stc.Unm Nested frequency combs
RU2701209C1 (en) * 2019-02-12 2019-09-25 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Method of producing a sequence of identical femtosecond pulses

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8456735B2 (en) * 2003-07-25 2013-06-04 Imra America, Inc. Pulsed laser sources
US20110274127A1 (en) * 2010-03-01 2011-11-10 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Pulse laser, optical frequency stabilized laser, measurement method, and measurement apparatus
US9859677B1 (en) * 2013-11-08 2018-01-02 Stc.Unm Nested frequency combs
RU2701209C1 (en) * 2019-02-12 2019-09-25 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Method of producing a sequence of identical femtosecond pulses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106547120B (en) The frequency comb multistage light wave joining method of ultra-wide spectrum range linear frequency sweep light source
TW200300625A (en) Agile RF-lightwave waveform synthesis and an optical multi-tone amplitude modulator
CN110890901B (en) Double-optical-comb multi-frequency-multiplication-factor frequency spectrum spreading frequency modulation signal generation system and implementation method
CN103855599B (en) Utilize the method that scanning confocal chamber F-P interferometer realizes laser rrequency-offset-lock
WO2002021649A2 (en) Method and device for generating radiation with stabilized frequency
JP2004062153A (en) Standard radio frequency signal generating method and standard radio frequency signal generating device
KR100589515B1 (en) Electrically tuneable optical filter
EP2409369B1 (en) An optical wavelength comb generator device
RU2760624C1 (en) Method for obtaining a sequence of identical femtosecond pulses for arbitrary spectrum width emission
CN110911946A (en) Comb-distance-adjustable low-phase-noise microwave frequency comb generator
CN116613621B (en) Vacuum compression state pulse generating device
JP2002082323A (en) Multiple wavelength batch generator
TW201907678A (en) Frequency alignment of optical frequency combs
CN112019276A (en) Grouped mode-hopping time domain modulation method and Fourier mode-locked laser
RU2701209C1 (en) Method of producing a sequence of identical femtosecond pulses
CN104852272B (en) The optical function signal generator of multi-wavelength harmonic frequency time history synthesis
CN111596278A (en) Multi-band coherent frequency-sweeping radar system based on dual-drive Mach-Zehnder modulator
US9935717B2 (en) Optical synthesizer
CN113556179A (en) W-band broadband signal generation method and device based on time-frequency splicing
JP3803748B2 (en) Optical millimeter wave or submillimeter wave generator
JP2004294543A (en) Periodic multiple wavelength light generator
CN114070412B (en) Photon reconfigurable waveform generation method and device
CN115755443B (en) Optical frequency comb repetition frequency dividing method and frequency divider based on electro-optic modulator
Golovin et al. Femtosecond Radiation Without a Shift of the Frequency Comb with a Fixed Carrier Envelope Offset Phase
JP3974255B2 (en) Frequency tunable laser light source device