CN103712689B

CN103712689B - 基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置

Info

Publication number: CN103712689B
Application number: CN201410000510.9A
Authority: CN
Inventors: 白东碧; 曾和平
Original assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: East China Normal University; Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103712689A

Abstract

本发明公开了一种基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置，特点是该装置包括光学频率梳控制模块、光学频率梳种子源、光梳频谱展宽模块、连续激光发生源、光学合束模块、光学选频滤波模块、拍频探测模块及信号读取模块。精密控制的光学频率梳经过频域展宽，其输出光与连续激光发生源的输出光一起入射到光学合束模块，使出射的两束激光光斑重合，再一同入射到光学选频滤波模块，滤取出的两路激光通过拍频探测模块，整形光斑大小，将光斑集中于探测器上，相干合成为拍频信号，通过信号读取模块能够获得待测连续激光的输出光谱宽度。本发明结构稳定，测量过程快速简单，可实时获得一个或多个波长连续激光的输出线宽，应用性强。

Description

基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置

技术领域

本发明涉及超快激光领域，具体是讲用精确控制的锁模激光器产生脉冲线宽较窄的稳定光学频率梳，再利用此光学频率梳与窄线宽连续激光器的输出光进行拍频，以实时测量线宽在KHz至MHz量级的连续激光器输出光谱线宽的一种快速有效的测量装置。

背景技术

连续激光与脉冲激光作为激光技术领域的两大分支，一直备受科学研究与生产生活各领域的从业人员的密切关注。一方面，基于原子跃迁谱线的超窄线宽连续激光可以为诸多超快激光技术提供频率标准参考，同时，新兴的窄线宽连续光纤激光器以其良好的噪声抑制特性、单纵模稳定度与结构紧凑的特点，被广泛应用于激光遥感、激光通信与激光雷达等技术领域；另一方面，基于锁模脉冲序列的光学频率梳由于具有时域与频率的高度稳定性，可以用作高精度的频率“标尺”，为精密光谱测量与光梳测距等科学研究提供有力工具。光学频率梳技术与窄线宽连续激光控制技术相融合，不仅能够得到探测精度大幅提高的超窄线宽光学频率梳，而且可以实现光学频率传递，为小型光频原子钟技术及高精度微波原子钟技术打下基础。

光学频率梳与连续激光相结合的技术之一是测量窄线宽连续激光的输出光谱宽度。针对已有的连续激光线宽测量方法，传统的反射光栅型的光谱分析仪与法布里-珀罗干涉仪的测量精度已不能满足现行连续激光技术中，激光器的-3dBm线宽一般在KHz量级的高精度要求。而且高精度的F-B腔结构稳定性差，对材料的热涨控制、外界温度控制、气流与机械抖动控制提出了苛刻要求。另外较为常用的延迟自外差法（DSHI），在原理上需满足光纤的延迟时间不小于激光器相干时间的3倍，如测量输出线宽在千赫兹或赫兹量级的连续激光器，则所需延迟光纤长度将达到几十甚至上百公里。这不仅为实际操作带来不便，还会增强激光传输过程中的受激布里渊散射（SBS，stimulated Brillouin scattering）效应，从而造成光纤激光器输出功率降低，光束质量劣化等不利影响；同时，现有方法无法实现连续激光线宽短期稳定性与长期稳定性的检测。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足而提供的一种以稳定的飞秒光学频率梳作为频率计来测量窄线宽连续激光的光谱宽度的新装置。该装置在实现光学频率梳的精密控制与频谱展宽的基础上，完成脉冲线宽在KHz量级的光学频率梳与窄线宽激光的拍频，通过光学滤波，在测量装置上获取拍频信号，便可直接读取待测连续光的光学频率线宽。整个装置结构稳定，测量过程快速简单，可实时获得一个或多个波长连续激光的输出线宽，应用性强。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置，特点是该装置包括光学频率梳控制模块、光学频率梳种子源、光梳频谱展宽模块、连续激光发生源、光学合束模块、光学选频滤波模块、拍频探测模块及信号读取模块，所述光学频率梳控制模块与光学频率梳种子源之间电连接，光学频率梳种子源、光梳频谱展宽模块、光学合束模块、光学选频滤波模块及拍频探测模块依次光路连接，连续激光发生源与光学合束模块光路连接，拍频探测模块与信号读取模块之间电连接，其中：

所述光学频率梳控制模块为可以提供激光脉冲功率放大、脉冲宽度压缩与脉冲重复频率f_r和载波包络相位漂移频率f₀探测与反馈控制的元件。通过电子反馈系统把f_r与f₀锁定到标准信号上，使f_r与f₀之间的相位固定，保证光学频率梳的时频域稳定性。

所述光学频率梳种子源为飞秒锁模脉冲序列的发生器，利用发生器内的色散控制，可以实现重复频率在几十MHz的宽频谱飞秒激光的输出，每个脉冲在频域的线宽在KHz量级。

所述光梳频谱展宽模块一般为蜂窝状周期性结构的光子晶体光纤，其非线性程度高，可根据其零色散点的位置为不同波段的光梳脉冲提供不同的色散量，使光梳的输出频谱拓展到覆盖可见至近红外的较宽波段。

所述连续激光发生源为从可见至红外的宽波段范围内任意波长的单纵模激光器及保证单纵模激光器高效运转的隔离器与偏振控制器件，单纵模激光器的输出功率在10mW～500mW量级范围，输出线宽在KHz至MHz量级。

所述光学合束模块为与连续激光发生源输出波长相吻合的空间半透半反镜或光纤耦合器，将光梳的输出光与待测线宽的连续激光合束，达到光场的高度重合。

所述光学选频滤波模块为空间反射式光栅与小孔光阑组合或者是与连续激光发生源输出波长相应波段的光纤滤波器，将进行拍频的两路激光提取出来。

所述拍频探测模块由聚焦透镜与雪崩光电探测器组成，将提取出的拍频光波进行探测。

所述信号读取模块为快速傅里叶变换频谱分析仪或由电学滤波与数据采集卡组成的电学快速读取器件，合理选取测量仪器的带宽与分辨率，可读取拍频信号的线宽。

本发明的工作流程：光学频率梳种子源产生的锁模激光脉冲序列由光学频率梳控制模块完成脉冲重复频率与载波包络相位的锁定，使光梳的输出脉冲宽度在KHz量级；再通过光梳频谱展宽模块实现宽光谱的稳定光梳输出，其输出光与连续激光发生源的输出光一起入射到光学合束模块，通过合理选择光纤耦合器的分束比或调整半透半反镜的俯仰角度，使出射的两束激光光斑重合，一同入射到光学选频滤波模块，将较宽的光学频率梳输出光谱中与待测连续激光波段相同的部分选取出来，以减少测量系统中的杂散光，提高探测信号的信噪比，滤取出的激光波再通过拍频探测模块，整形光斑大小，将光斑高度集中于探测器上，相干合成为拍频信号，通过信号读取模块可以在测量仪器上获得待测连续激光的输出光谱宽度。

本发明的实现原理为：由理论计算可知，当参考激光（本发明中的光学频率梳）的频率与待测连续激光的频率相近，且参考激光的线宽足够窄时，所得的拍频频谱与待测激光频谱线型完全相同，且谱线宽度即为待测激光线宽。

本发明具有以下优点：

1）可测量多种工作原理的连续激光发生源的输出光谱线宽，整个测量系统对连续激光的发生源没有特殊要求，可适用于发射单频连续激光的诸如光纤激光器、半导体激光器与块状固体激光器等多种类型激光器的输出线宽测量；

2）经过频域拓展的光学频率梳具有从可见到红外的较宽光谱输出范围，可完成输出波长在不同波段的多种连续激光器的线宽测量，可利用范围广；

3）能够在同一时刻完成对多个波长的宽带连续激光线宽的实时测量，实现用一台光学频率梳测控多台连续激光器，这在光频原子钟技术及高精度微波原子钟技术中具有重要应用；

3）结构简单，可以在较短的作用距离内，实现窄线宽激光输出线宽的测量，有效抑制了以往方法中光纤过长而引起的受激布里渊散射效应；

4）可以采用全光纤式结构，不仅为待测激光与参考激光的高度重合与同向传播提供了直接有效的媒介，而且便于实现整个测量装置的集成化，拓宽应用领域。

5）可借助光梳的高功率放大，高功率飞秒光梳的每根梳齿能量高，可以在较低重复频率的情况下完成对光谱线宽的测量，避免脉冲振荡级重复频率在几百MHz甚至GHz的复杂调整；

6）由于光学频率梳能够实现每根梳齿线宽在Hz量级的更高精度的频率锁定，故可以拓展至输出线宽在Hz量级的超窄线宽连续激光的线宽测量；同时，基于对宽带连续激光的快速响应、实时检测等特性，可实现光梳对连续激光的反馈控制，实现激光频率的锁定。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2 为本发明实施例1光学频率梳测量1064nm固体激光器输出线宽示意图；

图3 为本发明实施例2光学频率梳测量1550nm光纤激光器输出线宽示意图；

图4 为本发明实施例3光学频率同时测量657nm与423nm连续激光器输出线宽示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明。

参阅图1，本发明包括光学频率梳控制模块1、光学频率梳种子源2、光梳频谱展宽模块3、连续激光发生源4、光学合束模块5、光学选频滤波模块6、拍频探测模块7及信号读取模块8，所述光学频率梳控制模块1与光学频率梳种子源2之间电连接，光学频率梳种子源2、光梳频谱展宽模块3、光学合束模块5、光学选频滤波模块6及拍频探测模块7依次光路连接，连续激光发生源4与光学合束模块5光路连接，拍频探测模块7与信号读取模块8之间电连接。

光学频率梳控制模块1的功能包括激光功率放大、激光脉冲宽度压缩，并可以通过电子反馈元件控制安装于激光腔内部的伸缩器来调整激光器腔长，锁定光梳种子源输出脉冲的重复频率；通过采用控制泵光功率或声光移频器等方法来进行误差补偿，锁定光梳种子源输出脉冲的载波包络相位漂移频率。

光学频率梳种子源2为飞秒锁模脉冲序列的发生器，能够产生超短脉冲序列的多种激光振荡器均可用作光梳种子源，如非线性偏振旋转锁模光纤振荡器、基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）激光振荡器，Σ腔型光纤振荡器等。

光梳频谱展宽模块3为蜂窝状周期性结构的光子晶体光纤，根据待测激光的波长与光梳种子源的中心波长选择合理光子晶体光纤的零色散点，保证经频域展宽后的光梳输出光具有与待测激光频率重合的部分。

连续激光发生源4为输出波长从可见至红外的单纵模激光器与保证其正常运转的隔离器与偏振控制器件，单纵模激光器可以为块状固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等多种工作原理的激光器。

光学合束模块5是与连续激光波段相吻合的空间半透半反镜或者光纤耦合器，控制空间光路的俯仰角度与光纤耦合器的光纤长度，使两路激光达到光场的重合。

光学选频滤波模块6采用空间反射式光栅与小孔光阑组合或者是与连续激光发生源输出波长相应波段的光纤滤波器，将激光的光谱宽度展开，进行噪声抑制并选择出待测的两路激光。

拍频探测模块7采用聚焦透镜与雪崩光电探测器组成，将提取出的拍频光波进行探测。其中透镜可以选择单片透镜或透镜组，对空间光斑大小、光束质量进行灵活控制，使聚焦后的光斑便于进行探测，探测器件为高速雪崩光电探测器。

信号读取模块8为快速傅里叶变换分析仪或经电学滤波的电学快速响应器件，读取仪器的频域测量范围需大于光梳的重复频率。

精密控制的光学频率梳输出脉冲序列经频谱拓展后与连续激光经过合束，保证两路光场的高度叠加，同向传播，两者共同传播至光学滤波器件，滤去干扰光，选取出光频相同的部分，进行聚焦探测；由于光学频率梳光场中与连续激光频率相同的成分会与连续光波自发相干成拍，故光电探测器可以探测到两者在频率谱上的拍频信号。基于光学频率梳每个脉冲的线宽小于连续激光器的输出线宽，故光梳与待测连续激光的拍频信号宽度即可以反应为连续激光的光谱宽度。通过本发明，光梳与连续激光的相干拍频可以将位于几百GHz量级的光频率转化为可方便探测的射频频率，选取合适频段的频谱分析仪，便可以直接读取连续激光的输出光谱宽度。

实施例1

参阅图2，为采用1064nm固体激光器作为待测激光器，实现用光学频率梳测量其输出光谱宽度的示意图，图中：1-光学频率梳控制模块；2-光学频率梳种子源；3-光梳频谱展宽模块即光子晶体光纤；4-连续激光发生源（由1064nm连续激光器模块15、1064nm偏振隔离器16、1064nm空间半波片17构成）；5-光学合束模块（由金镜18、近红外波段半透半反镜19构成）；6-光学选频滤波模块（由1μm波段反射式光栅9、小孔光阑10构成）；7-拍频探测模块（由汇聚透镜11、1064nm高反镜12、雪崩光电探测器13构成）；8-信号读取模块（由快速傅里叶变换分析仪14构成）。

实施细节：

（1）光学频率梳种子源2在重复频率与载波包络相位精密控制的条件下，输出时域与频域高度稳定的锁模脉冲序列，每个脉冲在频率上的宽度在KHz量级。

（2）根据测量要求，选用零色散点在890nm附件的光子晶体光纤3对光梳脉冲进行频域展宽，调整输入光子晶体光纤3前脉冲序列的功率、偏振态与脉冲宽度，使光子晶体光纤3达到最佳的频域展宽效果，并在1064nm波段具有较强的输出光。

（3）为防止输出连续激光中的回返光影响激光腔的正常运转，在连续激光器的输出端使用1064nm波段的偏振隔离器16，隔离器的透过率在80%以上。

（4）使用1064nm波段空间半波片17调整输出的连续激光的偏振态，以获得最佳信噪比的拍频信号。

（5）通过金镜18与半透半反镜19调整光学频率梳输出激光与连续激光的空间光路分布，使通过半透半反镜19输出的两路激光在空间上完全重合。

（6）重合后的两路激光一同入射到反射式光栅9上，一般要求光栅刻线数在600lines/mm以上。调整光栅的角度，使光栅的某一衍射级次效率最高，最大程度上实现光谱成分的分离；光栅后配合使用小孔光阑10，将由光栅分散开的各个光谱成分中的待测激光选取出来，杂散光滤除掉，调整小孔光阑10的通过孔径，使特定波段的两束激光刚好完全通过。

（7）选择焦距与雪崩光电探测器13匹配的汇聚透镜11，将光斑整形，提高光束质量，使其便于光电探测器13进行信号探测。探测器的输出信号输送至傅里叶变换分析仪14，直接读取光梳与连续激光器的拍频信号，反应为待测连续激光的输出光谱宽度。

（8）通过光梳脉冲的色散特性、连续激光的偏振态，各个镜片、光栅、小孔光阑与透镜的位置与俯仰角度，优化傅里叶变换分析仪上显示的拍频信号强度，得到精确的待测连续激光的线宽值。

实施例2

参阅图3，为采用1550nm光纤激光器作为待测激光器，实现用光学频率梳测量其输出光谱宽度的示意图，图中：1-光学频率梳控制模块；2-光学频率梳种子源；3-光梳频谱展宽模块即光子晶体光纤；4-连续激光发生源（由1550nm连续激光器模块13、1550nm光纤隔离器14及光纤偏振控制器15构成）；5-光学合束模块（由光纤准直器16、1550nm波段光纤耦合器17构成）；6-光学选频滤波模块（由1550nm波段光纤窄带滤波器9构成）；7-拍频探测模块（由光纤准直器10、雪崩光电探测器11构成）；8-信号读取模块（由电学滤波器和数据采集卡12构成）。

实施细节：

（2）根据测量要求，选用零色散点在1550nm附件的光子晶体光纤3对光梳脉冲进行频域展宽，控制输入光子晶体光纤3前脉冲序列的功率、偏振态与脉冲宽度，使光子晶体光纤3达到最佳的频域展宽效果，并在1550nm波段具有较强的输出光。

（3）为防止输出连续激光中的回返光影响激光腔的正常运转，在连续激光器的输出端使用1550nm波段的光纤偏振无关隔离器14，隔离器14的透过率在80%以上。

（4）使用光纤偏振控制器15调整输出的连续激光的偏振态，调整时注意力度不宜过大，防止光纤发生损坏。

（5）为配合本实施例中光纤激光器13的使用，一般通过与连续激光波长相吻合的光纤准直器16将光梳的空间输出光转化为光纤光，并用相应波段的光纤耦合器17将两路光耦合到一起，根据两路激光的强度选择光纤耦合器的分束比，使耦合后在光纤中传播的两路激光强度大致相同。

（6）经耦合后的两路激光一同输入光纤窄带滤波器9，根据测量精度选择滤波器的通频带宽，一般要求带宽越窄越好。也可以选用光纤型可调节带通滤波器，根据探测到的拍频信号的强弱，微调滤波器的通频波段，使拍频信号的强度增强。

（7）为达到较高的探测效率，可以将经过光学滤波模块选取出的待测激光通过光纤准直器10转化为空间光，本实施例中光纤准直器10的波段选择1550nm。

（8）本实施例中的雪崩光电探测器11内部自带与探测器相匹配的汇聚透镜，将光斑整形，提高光束质量，使其便于雪崩光电探测器11进行信号探测。探测器的输出信号输送至经电学滤波与数据采集卡组成的数据快速读取模块，测量光梳与连续激光器的拍频信号。

（9）为抑制光梳脉冲宽度的展宽，减少连续激光的受激布里渊散射，需控制测量装置中光纤链路的长度不宜过长，并将光纤紧密排布，光纤的弯曲半径不宜过小。

（10）控制光梳脉冲的色散特性、连续激光的偏振态，稳固各个光纤器件，优化电学滤波与数据采集卡组成的数据快速读取模块上显示的拍频信号强度，获得具有最佳信噪比的拍频信号。调整测量范围与分辨率带宽，即可直接读取拍频信号的线宽，反应为待测连续激光的输出光谱宽度。

实施例3

参阅图4，为用光学频率梳同时测量657nm与423nm两台连续激光器输出线宽的示意图。在基于钙原子的激光频率标准模块中，需首先用一束423nm的激光激发钙离子，使其实现能级在657nm的激光跃迁，故实时测控423nm与657nm激光的线宽十分重要。图中：1-光学频率梳控制模块；2-光学频率梳种子源；3-光梳频谱展宽模块即光子晶体光纤；4-连续激光发生源（由423nm连续激光器模块20、可见光波段偏振隔离器22、可见光波段半空间波片24及透镜组10构成）；4^，-连续激光发生源（由657nm连续激光器模块21、可见光波段偏振隔离器23、可见光波段空间半波片9及透镜组11构成）；5-光学合束模块（由可见光波段半透半反镜12、13构成）；5^，-光学合束模块（由可见光波段半透半反镜12、13构成）；6 -光学选频滤波模块（由可见光波段反射式光栅14、小孔光阑15构成）；7-拍频探测模块（由汇聚透镜16、可见光波段高反镜17、雪崩光电探测器18构成）；8-信号读取模块（由快速傅里叶变换分析仪19构成）。

实施细节：

（2）根据测量要求，选用零色散点在750nm附件的光子晶体光纤3对光梳脉冲进行频域展宽，控制输入光子晶体光纤3前脉冲序列的功率、偏振态与脉冲宽度，使光子晶体光纤3达到最佳的频域展宽效果，并在657nm波段与423nm波段具有较强的输出光。

（3）为防止输出连续激光中的回返光影响激光腔的正常运转，在每个连续激光输出模块20、21输出端使用可见光波段空间隔离器22、23，隔离器的透过率在70%以上。

（4）使用423nm波段的空间半波片24和657nm波段的空间半波片9调整两台激光输出模块输出的连续激光的偏振态，以获得最佳信噪比的拍频信号。

（5）为适应不同应用场合下光斑尺寸的要求，获得更优异的光束质量，将连续激光输出模块的输出光输入到透镜组10、11，实现所有光斑大小的统一；

（6）通过可见光波段的半透半反镜12和13，调整两路连续激光与光学频率梳输出激光的空间光路分布，使三路激光合束，通过镜片13输出的三路激光在空间上完全重合。

（7）重合后的三路激光一同入射到反射式光栅14上，调整光栅的角度，使光栅的某一衍射级次效率最高，最大程度上实现光谱成分的分离；光栅后配合使用小孔光阑15，将由光栅分散开的各个光谱成分中的待测激光选取出来，杂散光滤除掉，合理调整小孔光阑15的通过孔径，使待测的423nm与657nm波段的激光均完全通过。

（8）选择焦距与雪崩光电探测器18匹配的汇聚透镜16，将光斑整形，提高光束质量，使其便于雪崩光电探测器18进行信号探测。探测器的输出信号输送快速傅里叶变换分析仪19，调整光梳脉冲的色散特性、连续激光的偏振态，各个镜片、光栅、小孔光阑与透镜的位置与俯仰角度，优化快速傅里叶变换分析仪上显示的拍频信号强度，获得具有最佳信噪比的拍频信号。

（9）调整傅里叶变化分析仪19的测量范围与分辨率带宽，可以在光梳每两个重复频率信号之间观测到两组拍频信号，分别为423nm激光与657nm激光与光梳拍频而成。直接读取拍频信号的线宽，即为待测连续激光的输出光谱宽度，从而实现用一台光梳同时测量多个波长连续激光的线宽，整个测量过程快速有效。

Claims

1.一种基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置，其特征在于该装置包括光学频率梳控制模块、光学频率梳种子源、光梳频谱展宽模块、连续激光发生源、光学合束模块、光学选频滤波模块、拍频探测模块及信号读取模块，所述光学频率梳控制模块与光学频率梳种子源之间电连接，光学频率梳种子源、光梳频谱展宽模块、光学合束模块、光学选频滤波模块及拍频探测模块依次光路连接，连续激光发生源与光学合束模块光路连接，拍频探测模块与信号读取模块之间电连接，其中：

所述光学频率梳控制模块为能够提供激光脉冲功率放大、脉冲宽度压缩与脉冲重复频率f_r和载波包络相位漂移频率f₀探测与反馈控制的元件，实现光学频率梳各个脉冲序列之间的相位锁定，使光学频率梳在时间域与频率域具有高度稳定性；

所述光学频率梳种子源为飞秒锁模脉冲序列发生器，利用发生器内的色散控制，能够实现重复频率在几十MHz的宽频谱飞秒激光的输出，每个脉冲在频域的线宽在KHz量级；

所述光梳频谱展宽模块将光学频率梳的输出频率谱拓展到覆盖可见光至近红外光的范围，由蜂窝状周期性结构的光子晶体光纤实现；

所述连续激光发生源为从可见至红外的宽波段范围内任意波长的单纵模激光器及保证单纵模激光器运转的隔离器与偏振控制器件，单纵模激光器的输出功率在10mW～500mW量级范围，输出线宽在KHz至MHz量级；

所述光学合束模块为与连续激光波段相吻合的空间半透半反镜或光纤耦合器，将光梳的输出光与待测线宽的连续激光合束，达到光场的重合；

所述光学选频滤波模块为空间反射式光栅与小孔光阑组合或者是与连续激光波段相吻合的光纤滤波器，将进行拍频的两路激光提取出来；

所述拍频探测模块由聚焦透镜与雪崩光电探测器组成，将提取出的拍频光波进行探测；

所述信号读取模块为快速傅里叶变换频谱分析仪或由电学滤波与数据采集卡组成的电学快速读取器件，能够读取拍频信号的线宽。