CN103825176A - 一种全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法及装置，其方法集合了光纤超短脉冲产生、高功率光纤放大、光纤非线性混频、光学差频与倍频等过程；装置包括激光振荡器、六波混频放大器、光梳差频器及光梳倍频器。装置最终输出的激光脉冲与系统初始种子光频率极为接近，且载波包络位相稳定，可直接作与信号光对应波段的光纤放大器的种子光梳使用。本发明中差频过程所需的两个信号光产生自同一个非线性混频过程，可自动消除差频过程产生的信号光的相位噪声，获得脉冲强度强、对比度高的红外波段载波包络位相为零的光梳激光。

Description

一种全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体地说是一种采用全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法及装置。

背景技术

从上世纪末开始，光学频率梳的研究飞速发展。如何精确的定义时间和长度等物理量的基本单位，一直是国际科学技术领域关注的焦点。目前的时间标准是定义在铯原子基态超精细跃迁频率上。虽然这个作为时间标准的跃迁有非常窄的线宽，即这个跃迁有着客观而稳定的跃迁频率。可惜的是，这个频率落在微波的范围（9.2 GHz），谱线Q值不是很高。将时间标准从微波的范围延伸到可见光的频率，提高时间量测的准确度，是这十年来光频标方面研究的主要方向。

光学频率梳以其在时域和频域的精确可控性受到国内外研究人员的追捧。之前几年，科学家对光学频率梳的研究主要集中于掺钛蓝宝石激光振荡器振荡器，而这种激光振荡器的平均输出功率为300mW左右，一般很难超过500mW，原因不仅在于激光振荡器本身输出的平均功率就十分有限，而且这种梳状频率结构的激光输出需要很大一部分的输出能量进行反馈控制。因此，国际上几个知名的研究小组将研究重点放在了基于光纤结构的光纤激光器和光纤光梳上面。光纤波导，有其独特优势，注入柔性的物理结构、零色散波长可控、极小的纤芯可产生足够的峰值功率密度等等。特别是采用双包层光纤放大器和光子晶体光纤极易将光纤激光的平均功率提高，使其频谱宽度进一步拓展。

高功率光纤光梳的核心技术是光纤光梳的种子脉冲的产生和控制，其性能将直接影响整个光梳系统指标。因此，一种能产生稳定光纤光梳种子脉冲的方法显得尤为重要。最常用的方法是通过控制光纤激光振荡器腔长和注入的泵浦功率来实现，但该方法对光纤长度和泵浦光强度的控制精度要求极高，有时甚至难以实现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题而提出的一种全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法及装置，其方法产生的光梳种子激光可以实现载波-包络相移自动为零，即f_ceo=0，同时具有脉冲对比度高、种子系统搭建方便，无需高复杂度的电路等优势。

本发明的目的是这样实现的：

一种全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法，该方法包括以下具体步骤：

a）脉冲产生

激光振荡器产生低能量种子脉冲，记为信号光ω₁；

b）非线性六波混频

光纤放大器将信号光ω₁的平均功率放大，使放大后信号光ω₁的功率提升至超过发生非线性混频的阈值，并产生后续差频过程所需的两个新频率，记为信号光ω₂和信号光ω₃；非线性六波混频是由两个级联的四波混频组成，即第一个四波混频：2×ω₁=ω₂+ω₆，第二个四波混频：2×ω₂=ω₃+ω₆，其中，ω₁、ω₂和ω₆分别作为第一个四波混频过程中的泵浦光子、信号光子和闲频光子，ω₂、ω₃和ω₆分别作为第二个四波混频过程中的泵浦光子、信号光子和闲频光子，ω₃﹥ω₂﹥ω₁﹥ω₆；满足群速度匹配和相位匹配的条件下，将上述两个四波混频中共享的闲频光子ω₆消去，即等效于一个非线性六波混频：2×ω₁=3×ω₂－ω₃；信号光ω₂和信号光ω₃产生自同一个非线性过程，具有完全相等的相位噪声；

c）光梳差频

将信号光ω₂和信号光ω₃进行光学差频生成新频率，记为信号光ω₄，实现：ω₃－ω₂=ω₄，光学差频过程可将ω₃和ω₂中相同的相位噪声消除，产生的红外波段的信号光ω₄的相位噪声为零，即实现信号光ω₄的载波-包络相移自动为零；

d）光梳倍频

将信号光ω₄进行光学倍频获得信号光ω₅，即：2ω₄=ω₅，信号光ω₅与信号光ω₁的频率极为接近，能够作为与信号光ω₁对应波段的光纤放大器的种子光使用，即ω₅为最终实现的高精度光纤光梳种子脉冲。

所述六波混频过程所需的群速度匹配和相位匹配条件是依靠模式色散、材料色散、波导色散及非线性相移共同实现。

一种实现全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲方法的装置，该装置包括激光振荡器、六波混频放大器、光梳差频器及光梳倍频器，所述激光振荡器、六波混频放大器、光梳差频器及光梳倍频器依次连接，其中：

所述六波混频放大器包括第一光隔离器、波分复用器、第一泵浦源、第一增益光纤、第二光隔离器、合束器、第二泵浦源、第三泵浦源及第二增益光纤，所述第一光隔离器输出端与波分复用器的一个输入端连接，波分复用器的另一输入端连接用于提供泵浦能量的第一泵浦源；所述波分复用器的复合输出端连接第一增益光纤，第一增益光纤的输出端通过第二光隔离器的输入端连接合束器，所述合束器的另外两个输入端分别连接用于提供泵浦能量的第二泵浦源和第三泵浦源，合束器的输出端连接第二增益光纤，第二增益光纤的输出端作为六波混频放大器的输出端。

所述光梳差频器包括分频器、光差频器及脉冲压缩装置，光梳差频器的输入端口为分频器的输入端，分频器用于将六波混频放大器的输出光中的共同传输的信号光ω₁、信号光ω₂和信号光ω₃中的信号光ω₁分出滤除，在分频器的输出端仅包含信号光ω₂和信号光ω₃；分频器的输出端连接用于频率变换的光差频器，光差频器用于将信号光ω₂和信号光ω₃进行光学差频，实现ω₃－ω₂=ω₄过程，该过程将ω₃和ω₂中相同的相位噪声消除，产生的红外波段的信号光ω₄的相位噪声为零，即实现信号光ω₄的载波-包络相移自动为零；光差频器的输出端连接用于进行压缩脉宽的脉冲压缩装置，实现飞秒量级的脉冲输出；所述的脉冲压缩装置为由透射式的光栅对的结构或者是反射式光栅的结构；脉冲压缩装置的输出端口作为光梳差频器的输出端。

所述的光倍频器的输入端口为脉冲压缩装置的输出端，光倍频器的输出端用于输出信号光ω₅。

所述的光差频器和光倍频器频率变换器件为非线性光学晶体。

所述激光振荡器的锁模为半导体可饱和吸收镜锁模、石墨烯锁模或者非线性偏振旋转锁模。

本发明的有益效果：

⑴、采用全光差频方式实现红外波段载波包络位相为零的光梳激光输出。原因在于该差频方式所需的两个信号光产生自同一个非线性混频过程，差频过程可以自动消除相位噪声，产生红外波段载波包络位相为零的光梳激光。

⑵、采用差频过程产生的红外波段载波包络位相为零的光梳激光的脉冲对比度高。由同一个六波混频过程产生的用于参量差频的泵浦光和信号光的脉冲宽度相近，可保证只在有泵浦光和信号光通过非线性晶体时才发生参量作用，脉冲强度强，对比度高。与通常的啁啾脉冲放大过程相比，从根源上避免了增益介质被连续泵浦产生的放大自发辐射。同时，与直接控制激光器的方案相比，消除了增益介质中自发辐射的影响。此外，差频方式可在极大程度上消除次级脉冲的影响。

⑶、采用皮秒激光产生、非线性六波混频、全光差频、光梳倍频的环路方案， 最终产生的光梳种子光的波长位于用于皮秒激光产生和放大介质的增益光谱范围内，有利于后续进一步提高光梳的激光的能量。

⑷、采用光纤全光差频方式，系统搭建方便，无需高复杂度的电路设计。

附图说明

图1为本发明产生高精度光纤光梳种子脉冲过程中频率转换的示意图；

图2为本发明装置结构示意图；

图3为本发明由两级级联光纤放大器构成的非线性六波混频放大器结构示意图；

图4为本发明由三级级联光纤放大器构成的非线性六波混频放大器结构示意图；

图 5 为本发明非线性六波混频（两级级联四波混频）过程的光谱数据图；

图 6 为本发明的脉冲压缩装置原理图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

实施例

参阅图2，本发明的装置包括激光振荡器100、六波混频放大器200、光梳差频器300以及光梳倍频器400。

所述的激光振荡器100用于产生低能量皮秒器种子脉冲信号光ω₁，脉冲重复频率为千赫兹到百兆赫兹量级，中心频率为ω₁=289.6THz，即中心波长为1036nm，平均功率为几个到几十毫瓦。激光振荡器100的输出端通过光隔离器201的输入端连接有六波混频放大器200。

参阅图3，本发明的两级级联光纤放大器构成的非线性六波混频放大器200中的光隔离器201的输出端和波分复用器202的一个输入端连接。波分复用器202的另一输入端连接有用于提供泵浦能量的第一泵浦源203，第一泵浦源203为单模光纤耦合的半导体激光器，泵浦源波长为976nm，泵浦功率为400mW。

所述波分复用器202的复合输出端连接有第一增益光纤204，第一增益光纤204为掺镱单模光纤，可将种子脉冲的能量进一步提高，实现功率预放大过程，平均功率从数个毫瓦提升至百毫瓦量级，中心波长保持不变，仍为ω₁。第一增益光纤204的输出端通过光隔离器205的输入端连接合束器206；合束器206的另外两个输入端分别连接有用于提供泵浦能量的第二泵浦源207和第三泵浦源208；第一泵浦源207和第三泵浦源208为多模光纤耦合的半导体激光器，中心波长为976nm,每个泵浦源的平均功率至少为10W，可以更高。

所述合束器206的输出端连接有第二增益光纤209，该光纤不仅可以利用有源粒子掺杂吸收第二泵浦源207和第二泵浦源208的高功率泵浦光实现对六波混频放大器200输出的基频光ω₁放大，而且可以将放大后的高功率基频光转换到短波段的信号光ω₂和信号光ω₃。如图1所示，当第二增益光纤209将基频光ω₁的平均功率提升至发生非线性混频过程的阈值时，可产生显著的非线性六波混频效应，即2×ω₁=3×ω₂－ω₃，ω₁=289.58THz（1036nm），ω₂=361.45 THz（830nm），ω₃=505.19THz（594nm）。该六波混频过程是由两个级联的四波混频过程组成，即第一个四波混频过程，①：2×ω₁=ω₂+ω₆，ω₆=217.71THz（1378nm）,第二个四波混频过程，②：2×ω₂=ω₃+ω₆，ω₁﹥ω₆。将上述两个四波混频过程中的光子ω₆消去，即等效于一个非线性六波混频过程：2×ω₁=3×ω₂－ω₃。由于信号光ω₂和信号光ω₃产生自同一个非线性过程，因其具有完全相等的相位噪声；光梳差频器用于将信号光ω₂和信号光ω₃进行光学差频，实现③：ω₃－ω₂=ω₄，ω₄=143.74THz（2087nm）。该过程将ω₃和ω₂中相同的相位噪声消除，产生的红外波段的信号光ω₄的相位噪声为零，即实现信号光ω₄的载波-包络相移自动为零；最后，通过光梳倍频器将信号光ω₄进行光学倍频，即④：2ω₄=ω₅，ω₅=287.48THz（1044nm），即为最终实现的光纤光梳种子脉冲。其中，功率主放大过程和非线性六波混频过程同时在第二增益光纤209中实现；混频过程所需的相配匹配条件依靠模式色散、材料色散、波导色散、及非线性相移共同实现；非线性六波混频（两级级联四波混频）过程的光谱数据图如图5所示。

所述第二增益光纤209的输出端作为六波混频放大器200的输出端。

参阅图4，本发明还可以采用三级级联光纤放大器构成非线性六波混频放大器，以实现更高功率的激光放大。三级级联光纤放大过程分别由第一增益光纤204、第二增益光纤209和第三增益光纤218实现。由光隔离器210连接第二增益光纤209和合束器217，并实现逆向光隔离。泵浦源211、212、213、214、215和216由合束器217注入到第三增益光纤218中。所述的非线性六波混频过程可发生在第三增益光纤218中。第三增益光纤218输出端作为六波混频放大器200的输出端。

参阅图2及图6，本发明的光梳差频器300用于将六波混频放大器200输出的高能量信号光ω₂和信号光ω₃进行差频变换，产生波长为2087nmm的信号光ω₄。所述脉冲压缩装置303对输出的信号光ω₄ 进行脉宽压缩。

本发明的光梳倍频器400将信号光ω₄进行倍频，产生信号光ω₅，波长为1044nm。

所述的光差频器302和光倍频器400采用PPLN等非线性光学晶体进行非线性频率变换。

Claims (6)

1.一种全光差频产生高精度光纤光梳种子脉冲的方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

a）脉冲产生

激光振荡器产生低能量种子脉冲，记为信号光ω₁；

b）非线性六波混频

光纤放大器将信号光ω₁的平均功率放大，使放大后信号光ω₁的功率提升至超过发生非线性混频的阈值，并产生后续差频过程所需的两个新频率，记为信号光ω₂和信号光ω₃；非线性六波混频是由两个级联的四波混频组成，即第一个四波混频：2×ω₁=ω₂+ω₆，第二个四波混频：2×ω₂=ω₃+ω₆，其中，ω₁、ω₂和ω₆分别作为第一个四波混频过程中的泵浦光子、信号光子和闲频光子，ω₂、ω₃和ω₆分别作为第二个四波混频过程中的泵浦光子、信号光子和闲频光子，ω₃﹥ω₂﹥ω₁﹥ω₆；满足群速度匹配和相位匹配的条件下，将上述两个四波混频中共享的闲频光子ω₆消去，即等效于一个非线性六波混频：2×ω₁=3×ω₂－ω₃；信号光ω₂和信号光ω₃产生自同一个非线性过程，具有完全相等的相位噪声；

c）光梳差频

将信号光ω₂和信号光ω₃进行光学差频生成新频率，记为信号光ω₄，实现：ω₃－ω₂=ω₄，光学差频过程可将ω₃和ω₂中相同的相位噪声消除，产生的红外波段的信号光ω₄的相位噪声为零，即实现信号光ω₄的载波-包络相移自动为零；

d）光梳倍频

将信号光ω₄进行光学倍频获得信号光ω₅，即：2ω₄=ω₅，信号光ω₅与信号光ω₁的频率极为接近，能够作为与信号光ω₁对应波段的光纤放大器的种子光使用，即ω₅为最终实现的高精度光纤光梳种子脉冲。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述六波混频过程所需的群速度匹配和相位匹配条件是依靠模式色散、材料色散、波导色散及非线性相移共同实现。

3.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置包括激光振荡器（100）、六波混频放大器（200）、光梳差频器（300）及光梳倍频器（400），所述激光振荡器（100）、六波混频放大器（200）、光梳差频器（300）及光梳倍频器（400）依次连接，其中：

所述六波混频放大器（200）包括第一光隔离器（201）、波分复用器（202）、第一泵浦源（203）、第一增益光纤（204）、第二光隔离器（205）、合束器（206）、第二泵浦源（207）、第三泵浦源（208）及第二增益光纤（209），所述第一光隔离器（201）输出端与波分复用器（202）的一个输入端连接，波分复用器（202）的另一输入端连接用于提供泵浦能量的第一泵浦源（203）；所述波分复用器（202）的复合输出端连接第一增益光纤（204），第一增益光纤（204）的输出端通过第二光隔离器（205）的输入端连接合束器（206），所述合束器（206）的另外两个输入端分别连接用于提供泵浦能量的第二泵浦源（207）和第三泵浦源（208），合束器（206）的输出端连接第二增益光纤（209），第二增益光纤（209）的输出端作为六波混频放大器（200）的输出端；

所述光梳差频器（300）包括分频器（301）、光差频器（302）及脉冲压缩装置（303），光梳差频器（300）的输入端口为分频器（301）的输入端，分频器（301）用于将六波混频放大器（200）的输出光中的共同传输的信号光ω₁、信号光ω₂和信号光ω₃中的信号光ω₁分出滤除，在分频器（301）的输出端仅包含信号光ω₂和信号光ω₃；分频器（301）的输出端连接用于频率变换的光差频器（302），光差频器（302）用于将信号光ω₂和信号光ω₃进行光学差频，实现ω₃－ω₂=ω₄过程，该过程将ω₃和ω₂中相同的相位噪声消除，产生的红外波段的信号光ω₄的相位噪声为零，即实现信号光ω₄的载波-包络相移自动为零；光差频器（302）的输出端连接用于进行压缩脉宽的脉冲压缩装置（303），实现飞秒量级的脉冲输出；所述的脉冲压缩装置（303）为由透射式的光栅对的结构或者是反射式光栅的结构；脉冲压缩装置（303）的输出端口作为光梳差频器（300）的输出端；

所述的光倍频器（400）的输入端口为脉冲压缩装置（303）的输出端，光倍频器（400）的输出端用于输出信号光ω₅。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的光差频器（302）和光倍频器（400）频率变换器件为非线性光学晶体。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述激光振荡器（100）的锁模为半导体可饱和吸收镜锁模、石墨烯锁模或者非线性偏振旋转锁模。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述六波混频放大器为至少二级级联光纤放大器；其中，六波混频过程发生在最后一级放大器的增益光纤上。

Images