CN102243106A - 一种用于激光频率测量的拍频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光频率测量的拍频装置，属于光电子技术领域。包括第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、可调孔径的第九小孔光阑、聚集透镜、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器、一维移动平台和隔振光学面板。本发明的拍频装置易于调节和维持拍频光路，能够实现提高拍频信号信噪比以便于利用频率计数器读数及长时间保持高信噪比拍频信号的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光频率测量的拍频装置，尤其涉及一种利用飞秒光梳测量光频的拍频装置，属于光电子技术领域。
背景技术
飞秒光梳的相关研究于2005年获得诺贝尔物理学奖，从此飞秒光梳技术使得光频测量取得革命性的进展。在利用飞秒光梳测量光频时，需要同时获得飞秒光梳的重复频率frep、载波包络相移频率fceo及飞秒光梳与待测光频间拍频信号的频率fbeat。
测量时重复频率frep与载波包络相移频率fceo可以直接由飞秒光梳获得，而拍频信号的频率fbeat的常用测量方法需通过搭建飞秒光梳与待测激光的拍频光路得到光信号，再经过光电转换变为电信号来读取。但在实际测量光频时，飞秒光梳中参与拍频的频率梳齿能量极其微弱，因而采用常用测量方法会遇到两方面问题：a)拍频信号信噪比随时间逐渐下降，参与拍频的两束光源维持空间路径重合、偏振方向一致的时间较短，不利于长时间测频的需求；b)拍频信号信噪比不高，不足以触发频率计数器读数。这两个问题的存在严重制约了飞秒光梳测量光频的进一步发展。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，达到更易于调节和维持拍频光路、提高拍频信号信噪比的目的，提出了一种用于激光频率测量的拍频装置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种用于激光频率测量的拍频装置，包括第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、可调孔径的第九小孔光阑、聚集透镜、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器、一维移动平台和隔振光学面板，其外围设备包括飞秒光梳、第一隔离器、第一调焦装置、待测光频系统、第二隔离器、第二调焦装置和频率计数器，上述第一隔离器、第二隔离器用以防止回光干扰激光系统；
其中聚集透镜安装于一维移动平台上，一维移动平台的移动方向与光束的方向相同，第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、第九小孔光阑、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器和装有聚集透镜的一维移动平台均通过高稳定度底座固定安装在隔振光学面板上；
上述拍频装置在工作过程中信号的流向为：
飞秒光梳发出的光束经第一隔离器和第一调焦装置进行隔离和调焦后，通过第一准直定位小孔光阑和第二准直定位小孔光阑，然后经第一全反镜和第二全反镜反射，之后通过第三准直定位小孔光阑、第一半波片和第四准直定位小孔光阑后到达偏振分光棱镜的胶合反射面，其反射光束垂直于偏振分光棱镜的棱镜面出射；待测光频系统发出的待测光束经第二隔离器和第二调焦装置进行隔离和调焦后，通过第五准直定位小孔光阑和第六准直定位小孔光阑，然后经第三全反镜和第四全反镜反射，之后通过第七准直定位小孔光阑、第二半波片和第八准直定位小孔光阑后到达偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜后的出射光束也即第一拍频光束，与飞秒光梳发出的经偏振分光棱镜后的反射光束也即第二拍频光束在空间路径上重合；两束光重合后进入格兰棱镜，经格兰棱镜后的出射光到达光栅，光栅将宽波段光频在空间上分开后将光束入射至银镜，经银镜水平出射后经过第九小孔光阑进行空间滤波，之后经聚集透镜聚焦后到达雪崩二极管的光信号接收面，雪崩二极管探测拍频光信号并将拍频光信号转换为频率电信号并进行放大，然后经低噪声放大器进一步放大并通过带通滤波器滤除杂散频率信号后由频率计数器读取其数值；
上述拍频装置在工作之前需要进行光束路径的调整，具体过程为：
1)以偏振分光棱镜为基准，调节第一全反镜和第二全反镜使飞秒光梳发出的光束以45°角入射到偏振分光棱镜的胶合反射面，其反射光也即第一拍频光束垂直于棱镜面出射；
2)调节第三全反镜和第四全反镜使待测光频系统发出的光束经偏振分光棱镜后的出射光束也即第二拍频光束与第一拍频光束在空间路径上重合；
3)将第一准直定位小孔光阑和第二准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时飞秒光梳在第一全反镜之前的光束路径；
4)将第三准直定位小孔光阑和第四准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时飞秒光梳在第二全反镜之后的光束路径；
5)将第五准直定位小孔光阑和第六准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时待测光频系统发出的光束在第三全反镜之前的光束路径；
6)将第七准直定位小孔光阑和第八准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时待测光频系统发出的光束在第四全反镜之后的光束路径；
7)调整格兰棱镜及第一半波片和第二半波片，使得经格兰棱镜透射后两束拍频光束偏振方向一致；
8)调整银镜来调节拍频光束经银镜后水平出射；
9)调整第九小孔光阑的高低和左右位置及小孔的大小使经银镜水平出射的待测光频波段的窄带拍频光束刚好通过；
10)通过调整装有聚集透镜的一维移动平台来改变聚集透镜的位置，使拍频光束通过透镜的光心后聚焦到雪崩二极管的光信号接收面。
本装置在长时间测频后，第一拍频光束和第二拍频光束在空间路径上会出现漂移而导致不重合，此时调节发生偏离的光源所对应的全反镜对，使其光束通过相应的两对准直定位小孔光阑以快速恢复参与拍频的第一拍频光束和第二拍频光束在空间路径上重合；
上述第九小孔光阑的孔径可调，用于选择与待测光频系统频段相同的窄带光梳通过以降低拍频信号的本底噪声；
上述聚集透镜将待测光频聚焦用于提高其能量密度。
有益效果
本发明所涉及的拍频装置易于调节和维持拍频光路，能够实现提高拍频信号信噪比以便于利用频率计数器读数及长时间保持高信噪比拍频信号的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1a为第一准直定位小孔光阑，1b为第二准直定位小孔光阑，2a为第三准直定位小孔光阑，2b为第四准直定位小孔光阑，3a为第五准直定位小孔光阑，3b为第六准直定位小孔光阑，4a为第七准直定位小孔光阑，4b为第八准直定位小孔光阑，5a为第一半波片，5b为第二半波片，6a为第一全反镜，6b为第二全反镜，7a为第三全反镜，7b为第四全反镜，8为偏振分光棱镜，9为格兰棱镜，10为光栅，11为银镜，12为第九小孔光阑，13为聚集透镜，14为雪崩二极管，15为低噪声放大器，16为带通滤波器，17为飞秒光梳，18为第一隔离器，19为第一调焦装置，20为待测光频系统，21为第二隔离器，22为第二调焦装置，23为频率计数器。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种用于激光频率测量的拍频装置，如图1所示，包括第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、可调孔径的第九小孔光阑、聚集透镜、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器、一维移动平台和隔振光学面板，其外围设备包括飞秒光梳、第一隔离器、第一调焦装置、待测光频系统、第二隔离器、第二调焦装置和频率计数器；
其中聚集透镜安装于一维移动平台上，一维移动平台的移动方向与光束的方向相同，第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、第九小孔光阑、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器和装有聚集透镜的一维移动平台均通过高稳定度底座固定安装在隔振光学面板上；
所述隔振光学面板采用表面积为450mm×600mm的隔振光学面包板；
所述飞秒光梳为科尔透镜锁模钛宝石飞秒激光器频率梳系统，光谱范围为600nm～1000nm，平均输出功率为50mW，重复频率为350MHz；
所述第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜和第四全反镜均镀有633nm窄带45°全反膜；
所述第一半波片和第二半波片及聚集透镜均镀有633nm增透膜；
所述偏振分光棱镜的胶合反射面镀有偏振分光膜，偏振分光棱镜的四个外表面均镀有633nm窄带多层增透膜，消光比大于103∶1；
所述格兰棱镜适用波段为400nm～700nm，消光比为106∶1；
所述光栅为每毫米1200线的镀金刻划光栅；
所述频率计数器型号为53132A；
本装置的待测光频系统为633nm碘稳频激光器，平均输出功率为100μW。实施过程中首先对光路进行调节：以偏振分光棱镜作基准，调节第一全反镜和第二全反镜使飞秒光梳所输出光束以45°角入射到偏振分光棱镜的胶合反射面，反射光也即第一拍频光束垂直棱镜面出射；调节第三全反镜和第四全反镜使待测光频系统发出的光束经偏振分光棱镜后的出射光束也即第二拍频光束与第一拍频光束在空间路径上重合；两束光重合后加入第一准直定位小孔光阑～第八准直定位小孔光阑；调整格兰棱镜及第一半波片和第二半波片，使得经格兰棱镜透射后两束拍频光束偏振方向一致；
在长时间测频后，第一拍频光束和第二拍频光束在空间路径上会出现漂移而导致不重合，此时调节发生偏离的光源所对应的全反镜对使其光束通过相应的两对准直定位小孔光阑以快速恢复参与拍频的第一拍频光束和第二拍频光束在空间路径上重合；
最终本实施例获得了35dB的拍频信号，频率计数器53132A计数时间为3900s。
Claims (8)
1.一种用于激光频率测量的拍频装置，外围设备包括飞秒光梳、第一调焦装置、待测光频系统、第二调焦装置、频率计数器和用以防止回光干扰激光系统的第一隔离器、第二隔离器，其特征在于：
拍频装置包括第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、可调孔径的第九小孔光阑、聚集透镜、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器、一维移动平台和隔振光学面板；
聚集透镜安装于一维移动平台上，一维移动平台的移动方向与光束的方向相同；第一准直定位小孔光阑、第二准直定位小孔光阑、第三准直定位小孔光阑、第四准直定位小孔光阑、第五准直定位小孔光阑、第六准直定位小孔光阑、第七准直定位小孔光阑、第八准直定位小孔光阑、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第一半波片、第二半波片、偏振分光棱镜、格兰棱镜、光栅、银镜、第九小孔光阑、雪崩二极管、低噪声放大器、带通滤波器和装有聚集透镜的一维移动平台均通过高稳定度底座固定安装在隔振光学面板上；
上述拍频装置在工作过程中信号的流向为：飞秒光梳发出的光束经第一隔离器和第一调焦装置进行隔离和调焦后，通过第一准直定位小孔光阑和第二准直定位小孔光阑，然后经第一全反镜和第二全反镜反射，之后通过第三准直定位小孔光阑、第一半波片和第四准直定位小孔光阑后到达偏振分光棱镜的胶合反射面，其反射光束垂直于偏振分光棱镜的棱镜面出射；待测光频系统发出的待测光束经第二隔离器和第二调焦装置进行隔离和调焦后，通过第五准直定位小孔光阑和第六准直定位小孔光阑，然后经第三全反镜和第四全反镜反射，之后通过第七准直定位小孔光阑、第二半波片和第八准直定位小孔光阑后到达偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜后的出射光束也即第一拍频光束，与飞秒光梳发出的经偏振分光棱镜后的反射光束也即第二拍频光束在空间路径上重合；两束光重合后进入格兰棱镜，经格兰棱镜后的出射光到达光栅，光栅将宽波段光频在空间上分开后将光束入射至银镜，经银镜水平出射后经过第九小孔光阑进行空间滤波，之后经聚集透镜聚焦后到达雪崩二极管的光信号接收面，雪崩二极管探测拍频光信号并将拍频光信号转换为频率电信号并进行放大，然后经低噪声放大器进一步放大并通过带通滤波器滤除杂散频率信号后由频率计数器读取其数值；
上述拍频装置在工作之前需要进行光束路径的调整，具体过程为：
1)以偏振分光棱镜为基准，调节第一全反镜和第二全反镜使飞秒光梳发出的光束以45°角入射到偏振分光棱镜的胶合反射面，其反射光也即第一拍频光束垂直于棱镜面出射；
2)调节第三全反镜和第四全反镜使待测光频系统发出的光束经偏振分光棱镜后的出射光束也即第二拍频光束与第一拍频光束在空间路径上重合；
3)将第一准直定位小孔光阑和第二准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时飞秒光梳在第一全反镜之前的光束路径；
4)将第三准直定位小孔光阑和第四准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时飞秒光梳在第二全反镜之后的光束路径；
5)将第五准直定位小孔光阑和第六准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时待测光频系统发出的光束在第三全反镜之前的光束路径；
6)将第七准直定位小孔光阑和第八准直定位小孔光阑投入工作，两者成对使用以定位此时待测光频系统发出的光束在第四全反镜之后的光束路径；
7)调整格兰棱镜及第一半波片和第二半波片，使得经格兰棱镜透射后两束拍频光束偏振方向一致；
8)调整银镜来调节拍频光束经银镜后水平出射；
9)调整第九小孔光阑的高低和左右位置及小孔的大小使经银镜水平出射的待测光频波段的窄带拍频光束刚好通过；
10)通过调整装有聚集透镜的一维移动平台来改变聚集透镜的位置，使拍频光束通过透镜的光心后聚焦到雪崩二极管的光信号接收面。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：所述拍频装置在经过长时间测频后，如果发生第一拍频光束和第二拍频光束在空间路径上会出现漂移而导致不重合的情况，通过调节发生偏离的光源所对应的全反镜对，使其对应光束通过相应的两对准直定位小孔光阑以快速恢复参与拍频的第一拍频光束和第二拍频光束在空间路径上重合。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：所述第九小孔光阑的孔径可调。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：所述第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜和第四全反镜均镀有633nm窄带45°全反膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：所述第一半波片和第二半波片及聚集透镜均镀有633nm增透膜。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：所述偏振分光棱镜的胶合反射面镀有偏振分光膜，偏振分光棱镜的四个外表面均镀有633nm窄带多层增透膜，消光比大于103∶1。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：所述格兰棱镜适用波段为400nm～700nm，消光比为106∶1。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光频率测量的拍频装置，其特征在于：光栅为每毫米1200线的镀金刻划光栅。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |