CN102981345B - 一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，包括：⑴、将多台掺镱光学频率梳锁定在同一个频率标准器上；⑵、采用平衡式光学互相关探测方法检测各光梳脉冲之间的时间延时抖动，使得倍频后的绿光脉冲在相干合成过程中始终保持时间重合；⑶、利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生波长为525～535nm的倍频绿光；⑷、通过多波长波分复用器进行多路脉冲的相干合成，获得具有宽度光谱特性的绿光光梳输出，该方法克服了传统绿光产生技术中的光谱窄、脉冲功率低、时频特性难以控制等问题，提高了绿光平均功率，增强了绿光亮度，提高了倍频光的效率和绿光脉冲的平均功率。

Description

一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法

【技术领域】

本发明涉及一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法。

【背景技术】

时频域精密控制的宽带绿光脉冲光源目前在包括材料处理、医疗诊断、仪器制造、基础研究、光存储、娱乐、图像记录、检测与控制、全色显示、测向与指示、国防军事等民用、工业和军事领域的应用日益突出。特别是近年来，随着光盘存储的高密度化和激光打印机的高精度化的发展，精密控制的绿光光源成了人们关注的焦点，另一方面，绿色脉冲激光也为激光雷达方法提供了一种理想的光源，并可以与成熟的可见光波段探测技术相结合，通过测量分析激光脉冲的返回时间来精确测量目标物体的位置（距离和角度）信息，甚至是物体的运动状态（速度、振动和姿态）和形状。随着激光技术的发展，绿光光梳激光器在很大程度上提高了激光雷达方法的探测精度，其自身稳定的频率和相位特性，使得在脉冲飞行时间测量技术的基础上结合了相位差测量技术，并将整个方法的探测精度提高到了波长周期量级。此外，高功率的宽带绿光光梳方法可以在非线性光学倍频的基础上扩展出蓝光和紫外光梳脉冲，进一步加速精密紫外激光加工、紫外光刻和精密光梳光谱等技术的发展。

目前产生绿色激光的方法有很多种，主要可以分三种：

（1）利用宽带隙半导休材料直接激发产生绿光，并通过调制材料两端电流实现调制的绿光脉冲输出。这种方法的优点在于结构简单，但它的缺点在于输出功率较低，而且受到电路方法带宽的限制，绿光脉冲宽度较宽，且不具备时频域的相干特性。

（2）在固体材料中掺人稀土离子，在半导体激光器或其他光源泵浦的条件下，直接利用稀土离子的能级跃迁而产生绿色激光。但这种方法的缺点在于脉冲的波长受到掺杂离子的限制，且不易得到高功率的脉冲光输出。

（3）利用光学晶体的非线性光学效应，产生二次谐波或是倍频光。例如利用掺Nd3+或Yb3+的激光器产生波长在1.06um的近红外激光，然后利用倍频晶体，如KTP、BBO、LiNbO3、LiTaO3或是KNbO3，产生530nm附近的倍频光。这种方法的优点在于可以实现锁模的超短脉冲，而且利用目前掺Nd3+或Yb3+的激光晶体或是双包层增益光纤的发展优势，可以实现高功率的绿光输出。

非线性光学频率转换同样存在一些难以克服的缺点,例如：

a)非线性光学倍频效率较低，而且受到倍频晶体损伤阈值的限制，倍频绿光的功率有限；

b)非线性光学倍频过程有严格的相位匹配条件的限制，难以实现宽带倍频光输出；

c)由于倍频是二阶非线性光学效应，所以倍频效率严重受到入射光峰值功率的制约，同时绿光的光谱在倍频过程中被窄化，无法实现宽带的绿光输出。

d)在获得高功率近红外泵浦光的过程中，需要采用光放大器对脉冲功率进行放大，而放大器的增益谱宽同样限制了倍频绿光的光谱宽度。

e)高功率放大可以提高脉冲的能量，进而提高非线性倍频的效率，但是高功率放大过程会破坏脉冲的时域分布，导致脉冲形变和分裂，同时也会影响脉冲的空间光斑质量，以至于限制光束在晶体中的聚焦和传输过程，并降低倍频光的产生效率。

f)高功率放大过程会对脉冲引入多种非线性附加相位噪声和自发辐射噪声，影响脉冲的时间-频谱稳定性，为进一步实现光梳脉冲造成困难。

综上所述，虽然目前已有多种实现高功率绿光脉冲的技术与方法，但都存在着各种缺陷与不足。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，该方法克服了传统绿光产生技术中的光谱窄、脉冲功率低、时频特性难以控制等问题，该方法提高了绿光平均功率，增强了绿光亮度，提高了倍频光的效率和绿光脉冲的平均功率。

为实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：

一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：

⑴、将多台掺镱光学频率梳锁定在同一个频率标准器上，每台掺镱光学频率梳具有相同的脉冲重复频率fr1=fr2=…=frn，和相同的脉冲载波包络相位零频f01=f02=…=f0n；

⑵、采用平衡式光学互相关探测方法检测各光梳脉冲之间的时间延时抖动，并将该抖动信号经过电路滤波放大后，反馈控制延时光路中的压电陶瓷器，实现对各路光脉冲时间延时的精密控制，使得倍频后的绿光脉冲在相干合成过程中始终保持时间重合；

⑶、利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生波长为525～535nm的倍频绿光，根据每台掺镱光学频率梳自身的中心波长特性，选择对该波长具有最佳相位匹配角的倍频晶体；

⑷、各路倍频脉冲在相对载波包络相位精密锁定和时间精确同步的条件下，通过多波长波分复用器进行多路脉冲的相干合成，获得具有宽度光谱特性的绿光光梳输出。

如上所述光学频率梳为重复频率和脉冲载波包络相位零频同时被精密锁定的锁模激光器。

如上所述频率标准器为一个稳频的连续激光器。

如上所述频率标准器为一个射频原子钟。

如上所述光学倍频是指利用非线性晶体中的二阶非线性效应，对入射光的光频率ω进行倍频，进而产生频率为2ω的倍频光。

如上所述非线性晶体为偏硼酸钡晶体。

如上所述非线性晶体为周期性极化铌酸锂晶体。

利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生波长为532nm的倍频绿光。

本发明的有益效果是：

1、绿光的时频域控制精度高；方法中采用了载波包络相位的反馈控制技术和相位噪声实时补偿技术，解决了相位零频快变和慢变的问题，有效抑制了功率放大和脉宽压缩过程中的附加相位噪声。

2、采用时间-频率特性稳定的光梳光源倍频产生绿光，并在此基础上进行绿光的相干合成，提高了绿光平均功率的同时增强了绿光亮度。

3、本发明采用了多束绿光相干合成的方式，实现了多波长绿光脉冲的光谱合成，并最终获得一束宽带绿光输出，解决了单束激光倍频光谱较窄的问题。

4、本发明中针对每路高功率光梳脉冲进行独立的倍频过程，可以针对每路光的特定波长选择合适的倍频晶体，从而实现高效率的激光倍频。

5、可以较好地与目前发展成熟的光纤放大技术相结合，利用双包层光纤放大方法的优势，有效提高倍频光的效率和绿光脉冲的平均功率。

6、克服了非线性倍频和光脉冲放大过程对脉冲光谱的窄化作用，通过一种新的光谱相干合成方式实现了宽带绿光光源。

7、稳定的绿光光梳脉冲输出，可以作为独立光源并通过一种相干网络合成的方式进一步将多个绿光光源合成为更高功率的绿光输出。

8、可以拓展新的光谱范围，进一步实现高功率的宽带蓝光和紫外光梳光源。

【附图说明】

图1为脉冲相干合成产生宽带绿光光梳的结构示意图；

图2为高功率光梳的种子源示意图；

图3为载波包络相位零频控制与相位噪声预补偿式放大的装置示意图；

图4为压缩器的结构示意图；

图5为多路脉冲延时控制方法示意图；

图6为互相关脉冲时间抖动的测量装置示意图；

图7为光学倍频装置示意图；

图8为偏振合束的装置示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

如图1至图8所示，一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，

⑴、将多台掺镱光学频率梳锁定在同一个频率标准上，每台掺镱光学频率梳具有相同的脉冲重复频率fr1=fr2=…=frn，和相同的脉冲载波包络相位零频f01=f02=…=f0n；

⑵、采用平衡式光学互相关探测方法检测各光梳脉冲之间的时间延时抖动，并将该抖动信号经过电路滤波放大后，反馈控制延时光路中的压电陶瓷器，实现对各路光脉冲时间延时的精密控制，使得倍频后的绿光脉冲在相干合成过程中始终保持时间重合；

⑶、利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生525～535nm的倍频绿光，根据每台掺镱光学频率梳自身的中心波长特性，选择对该波长具有最佳相位匹配角的倍频晶体；

⑷、各路倍频脉冲在相对载波包络相位精密锁定和时间精确同步的条件下，通过多波长波分复用器进行多路脉冲的相干合成，获得具有宽度光谱特性的绿光光梳输出。

如图1所示，在本实施例中，所述光学频率梳为重复频率和脉冲载波包络相位零频同时被精密锁定的锁模激光器。

如图2所示，在本实施例中，所述频率标准为一个稳频的连续激光器，作为本发明的另一种实施方式，所述频率标准为一个射频原子钟。

如图7所示，在本实施例中，所述光学倍频是指利用非线性晶体中的二阶非线性效应，对入射光的光频率ω进行倍频，进而产生频率为2ω的倍频光。

在本实施例中，所述非线性晶体为偏硼酸钡晶体，作为本发明的另一种实施方式，所述非线性晶体为亦可以为周期性极化铌酸锂晶体。

在本实施例中，利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生波长优选为532nm的倍频绿光。

如图2所示，方案采用掺镱光纤激光器205作为高功率光梳的种子源，激光脉冲由一个环形腔结构的掺镱光纤激光器205产生，通过调整两个偏振控制器207可以实现激光器的锁模，耦合器206输出的脉冲用于激光器重复频率的监测，经探测器209后与一个标准频率在混频器中混频产生误差信号，并经过低通滤波器201和低频放大器202后用于控制激光腔内的压电陶瓷，压电陶瓷PZT203上缠绕了光纤，通过PZT203的伸缩可以改变光纤的长度，从而实现对激光腔长反馈控制和脉冲重复频率的锁定。

如图2、3所示，载波包络相位零频控制与相位噪声预补偿式放大的实现，放大方法的输出光经过半透半反镜BS303后与稳频连续激光CW空间重合，并在探测器D301和D302上产生拍频信号f0，级联放大方法采用两个或者两个以上的掺镱双包层光纤放大器首尾连接而成，其中每个放大器之间放置一个光隔离器208用于防止后继放大器的反向传输光对前级放大器和振荡器的破坏，其中，各级放大器均由保偏光纤构成，其目的在于确保放大过程中脉冲的偏振态保持不变。

如图3、图4所示，放大后的光脉冲经过一个脉冲压缩器E，实现对色散补偿与脉宽压缩，压缩器采用两个透射式光栅，通过调整两个光栅402之间的距离可以实现对合束后脉冲的有效压缩，振荡器A产生的种子光经过驱动频率为fx的声光频移器B后，其一级衍射光被频移fx，并被送入级联放大方法进行功率放大；然后放大输出光经过1:99的分束片后，1%的光被送入零频探测方法并产生的拍频信号f0，其中，探测器D-1产生的拍频信号经过电路滤波放大后，用于驱动声光频移器，即使得fx=f0，这样整个方法的输出光将会被频移-f0，从而输出载波包络相位频率为0的脉冲序列，其结果相当于对零频快变量的精确锁定，同时，探测器D-2产生的拍频信号经过电路滤波放大后用于调制振荡器泵浦源G的电流，进而达到调制泵浦光功率，实现对脉冲载波包络相位零频慢漂量的精确锁定。

如图5所示，每一路高功率光梳脉冲，经过一个1：99的分束片后，其中1%用于互相关时间抖动测量，产生误差信号Δt；其余99%的光经过一个延时控制器后用于脉冲倍频与合束，延时器中的反射镜对M-2放置在一个压电陶瓷PZT503控制的平台上，通过将误差信号Δt反馈控制PZT506，可以实时控制脉冲相对延时，进而达到使合束脉冲时间精确重合的目的，方案采用平衡式光学互相关探测方法实现对多路脉冲之间的时间抖动进行精密测量。

如图6所示，方案中，参考光与放大光偏振方向互相垂直，并通过偏振分束器PBS601合为一路，通过双色镜604和透镜606聚焦在第Ⅱ类相位匹配的PPKTP晶体607中，并在晶体两端产生倍频信号，将这两个倍频信号经过探测器605后，由一个差分放大器609求差即可得到互相关输出信号，通过调节反射镜的位置，可以改变两输入脉冲的初始位置，从而可以保证在一定相对时延范围内，平衡互相关器输出的倍频信号近似正比于时间抖动大小，其中参考光为高功率光梳-1的输出；待测光为高功率光梳-X的输出光，X代表2，3，…，n，

如图7所示，将入射光通过焦距为50mm的透镜701聚焦于一块倍频晶体BBO702上，其在二阶非线性效应作用下将会产生入射光的倍频光，即532nm附近的绿光，然后通过一个相同焦距的透镜703将发散光整形为平行光，并通过一块低通滤波,704滤去近红外光，仅使绿光通过。

如图8所示，倍频光-1与倍频光-2经过一个偏振分束器802合成一束光，其中每路倍频光中放置一个二分之一波片，可以用于调整倍频光的偏振态，使它们彼此偏振态相互垂直，其结果是，倍频光-1可以透过偏振分束器PBS，而倍频光-2从PBS另一端入射后，近1/4波片、反射镜、1/4波片转成水平光，并被PBS反射，进而实现与倍频光-1的空间重合，利用该方法将倍频光-1和2的合束光与倍频光-3以相同方式合束，并依此类推可以实现n束光的偏振合束。

Claims (8)

1.一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：

⑴、将多台掺镱光学频率梳锁定在同一个频率标准器上，每台掺镱光学频率梳具有相同的脉冲重复频率fr1＝fr2＝…＝frn，和相同的脉冲载波包络相位零频f01＝f02＝…＝f0n；

⑵、采用平衡式光学互相关探测方法检测各光梳脉冲之间的时间延时抖动，并将抖动信号经过电路滤波放大后，反馈控制延时光路中的压电陶瓷器，实现对各路光脉冲时间延时的精密控制，使得倍频后的绿光脉冲在相干合成过程中始终保持时间重合；

⑶、利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生波长为525～535nm的倍频绿光，根据每台掺镱光学频率梳自身的中心波长特性，选择对该波长具有最佳相位匹配角的倍频晶体；

⑷、各路倍频脉冲在相对载波包络相位精密锁定和时间精确同步的条件下，通过多波长波分复用器进行多路脉冲的相干合成，获得具有宽度光谱特性的绿光光梳输出。

2.根据权利要求1所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：所述光学频率梳为重复频率和脉冲载波包络相位零频同时被精密锁定的锁模激光器。

3.根据权利要求1所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：所述频率标准器为一个稳频的连续激光器。

4.根据权利要求1所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：所述频率标准器为一个射频原子钟。

5.根据权利要求1所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：所述光学倍频是指利用非线性晶体中的二阶非线性效应，对入射光的光频率ω进行倍频，进而产生频率为2ω的倍频光。

6.根据权利要求5所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：所述非线性晶体为偏硼酸钡晶体。

7.根据权利要求5所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：所述非线性晶体为周期性极化铌酸锂晶体。

8.根据权利要求1所述的一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法，其特征在于：利用倍频晶体对每台掺镱光学频率梳的输出脉冲进行光学倍频，产生波长为532nm的倍频绿光。