CN103995413A - 一种掺镱全光纤光学频率梳系统 - Google Patents

一种掺镱全光纤光学频率梳系统 Download PDF

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本发明公开了一种掺镱全光纤光学频率梳系统，涉及频率梳测量技术领域。该系统利用掺镱全光纤环形腔锁模激光器实现了非线性偏振旋转下的锁模激光脉冲的输出，通过第一带隙光子晶体光纤实现对腔内的色散控制从而减少了腔内噪声。利用掺镱双胞层光纤放大器对锁模激光脉冲放大，并利用第二带隙光子晶体光纤实现对锁模激光脉冲宽度的压缩。压缩后的激光脉冲经过与光纤压缩器焊接的拉锥光子晶体光纤实现了倍频程超连续光谱的输出。该系统实现了整个掺镱光学频率梳系统的全光纤化，并能够对该光学频率梳的重复频率和初始频率进行锁定，该全光纤结构的光学频率梳提高了掺镱光学频率梳的稳定性和便携性。

Description

一种掺镱全光纤光学频率梳系统
技术领域
本发明涉及频率梳测量技术领域，具体涉及一种掺镱全光纤光学频率梳系统。
背景技术
光学频率梳用于实现对光学频率极其精密的测量，其由锁模激光器产生，是一种超短脉冲激光。超短锁模光脉冲为一系列等间隔的光脉冲组成，这种光会在光谱上显示为一系列等间隔的光谱成分,从而构成一个光学频率梳。在这里，锁模激光器发射的光脉冲的两个特征为研制光学频率梳的关键。第一个特征是脉冲相位：包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微变化，脉冲包络的峰值可以和对应的载波波峰同时出现，也可以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量称为脉冲相位。第二个特征为重复频率(频率间隔)，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列，这种脉冲序列光的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离散的频率，这个频率分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频率精确相等。光学频率梳技术是目前超短脉冲激光科学最前沿的研究内容之一。基本的光学频率梳的通过如下过程如下实现：将激光器的输出或放大后的激光器输出的飞秒脉冲列耦合进入光子晶体光纤，利用光子晶体光纤实现倍频程的扩谱，然后将该光谱中的较长波长的光谱部分倍频，得到的倍频光与原光谱中相应的短波部分进行拍频得到载波相位频率信号。通过将重复频率和载波相位频率信号锁定实现整个光梳的锁定。
光纤光学频率梳相对于固体光学频率梳有着体积小、耗能少、稳定性高和光束质量好能优点。光纤光学频率梳主要包括掺镱光纤光学频率梳和掺铒光纤光学频率梳，其中掺镱光纤光学频率梳相对于掺铒光学频率梳有着能量高，频率分量更接近可见光等优势。但是由于掺镱光纤的色散特性等原因导致已有的掺镱光学频率梳无法实现全光纤设计。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何利用掺镱全光纤环形腔锁模激光器实现全光纤结构的光学频率梳。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种掺镱全光纤光学频率梳系统，该系统包括掺镱全光纤环形腔锁模激光器和光纤压缩器；
所述掺镱全光纤环形腔锁模激光器包括用于补偿色散的第一带隙光子晶体光纤，所述光纤压缩器包括用于补偿色散的第二带隙光子晶体光纤。
优选的，所述第一带隙光子晶体光纤和第二带隙光子晶体光纤均为空心的带隙光子晶体光纤或固态的带隙光子晶体光纤。
优选的，所述系统还包括：与所述掺镱全光纤环形腔锁模激光器相连的光纤放大器，所述光纤放大器包括泵浦源、泵浦合束器和掺镱双胞层增益光纤，所述泵浦源与所述泵浦合束器的第一输入端相连，所述泵浦合束器的第二输入端与掺镱全光纤环形腔锁模激光器相连，所述泵浦合束器的输出端与所述掺镱双胞层增益光纤相连，用于放大由所述掺镱全光纤环形腔锁模激光器产生的锁模激光脉冲。
优选的，所述光纤压缩器还包括偏振控制器，所述偏振控制器用于对所述第二带隙光子晶体光纤补偿色散后的脉冲进行偏振控制。
优选的，所述系统还包括：与所述光纤压缩器相连的为拉锥光子晶体光纤，所述拉锥光子晶体光纤用于产生超连续谱。
优选的，所述拉锥光子晶体光纤包括拉锥部分、两段过渡拉锥部分和两段未拉锥部分，所述两段过渡拉锥部分的第一端分别与所述拉锥部分的两端相连，所述两段过渡拉锥部分的第二端分别与所述两段未拉锥部分相连。
优选的，所述拉锥光子晶体光纤的空气占空比为0.5～0.55，其中拉锥部分长度2～20cm，且光纤芯径1.7μm；所述两段过渡拉锥部分的长度均为2cm-5cm，且光纤芯径由4.5μm线性的渐变为1.5μm；所述两段未拉锥部分的长度均为2-5cm，且光纤芯径为4.5μm。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种掺镱全光纤光学频率梳系统，利用掺镱全光纤环形腔锁模激光器实现了非线性偏振旋转下的锁模激光脉冲的输出，通过第一带隙光子晶体光纤实现对腔内的色散控制从而减少了腔内噪声。利用掺镱双胞层光纤放大器对锁模激光脉冲放大，并利用第二带隙光子晶体光纤实现对锁模激光脉冲宽度的压缩。压缩后的激光脉冲经过拉锥光子晶体光纤实现了倍频程超连续光谱的输出。该系统实现了整个掺镱光学频率梳系统的全光纤化，并能够对该光学频率梳的重复频率和初始频率进行锁定，该全光纤结构的光学频率梳提高了掺镱光学频率梳的稳定性和便携性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种掺镱全光纤光学频率梳系统模块示意图；
图2为本发明实施例提供的一种掺镱全光纤光学频率梳系统结构示意图；
图3为本发明实施方案中通过光纤放大器放大后利用带隙光子晶体光纤压缩后得到的脉冲的自相关图；
图4为使用本发明实施的拉锥光子晶体光纤结构示意图；
图5为本发明实施例中脉宽为100fs，峰值功率6kW的锁模激光经过拉锥光子晶体光纤后利用fiberdesk模拟的扩谱结果；
图6为本发明实施例中脉宽为100fs，峰值功率6kW的锁模激光经过拉锥光子晶体光纤后实验的扩谱结果；
图7为使用本发明实施的实验上掺镱全光纤光学频率梳系统中的超连续光谱获得的初始频率信号；
其中，1单模泵浦源；2波分复用器；3增益光纤；4第一偏振控制器；5偏振分束器；6第二偏振控制器；7光纤式压电陶瓷；8第一带隙光子晶体光纤；9第一光纤隔离器；10第二光纤隔离器；11第一分束器；12泵浦源；13泵浦合束器；14掺镱双胞层光纤；15第三光纤隔离器；16第二分束器；17第二带隙光子晶体光纤；18第三偏振控制器；19拉锥光子晶体光纤；20倍频晶体；21雪崩二极管；22光电二极管；23重复频率锁定电路；24频率锁定电路；25外部微波频率源；26拉锥部分；27过渡拉锥部分；28未拉锥部分。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种掺镱全光纤光学频率梳系统，本发明以掺镱全光纤环形腔锁模激光器为源，利用具有特殊性质的第一带隙光子晶体光纤、第二光子晶体光纤和拉锥光子晶体光纤解决色散补偿和倍频程超连续谱的产生，并采用光子晶体光纤和普通光纤的低损耗焊接方式实现整个系统的全光纤化和一体化。该光学频率梳系统由光学系统和电学系统组成。光学系统为全光纤设计，主要包括全光纤的掺镱环形腔锁模激光器、光纤放大器、光纤压缩器、超连续谱产生模块和倍频模块。电学系统则主要包括初始频率和重复频率的锁定电路、泵浦驱动电路和微波频率源。
图1为依照本发明实施方式的掺镱全光纤光学频率梳系统的模块框图。该掺镱全光纤光学频率梳系统的原理流程为：由掺镱全光纤环形腔锁模激光器实现锁模激光输出；输出光分为两部分，一部分被光电二极管转变成电信号，利用重复频率锁定电路将掺镱全光纤环形腔锁模激光器的重复频率锁定在外部的微波频率源上；另一部分光被光纤放大器放大至较高功率，放大后的激光经过光纤压缩器后将激光的脉宽压窄；压缩后的激光一部分用于超连续谱的产生，另一部分作为光学频率梳的输出；利用拉锥光子晶体光纤作为介质实现倍频程超连续谱的产生，作为超连续谱产生模块；倍频程超连续谱经过倍频系统时，其中的长波部分经过频率倍增与原有的短波部分实现拍频；拍频信号打到雪崩二极管上，实现初始频率信号的探测；初始频率信号被初始频率锁定电路锁定到外部频率源上。至此实现了掺镱全光纤光学频率梳的搭建和锁定，并实现了较高功率的光学频率梳的激光输出。
如图2所示，本发明实施例提供的一种掺镱全光纤光学频率梳系统结构示意图。
掺镱全光纤环形腔锁模激光器作为光学频率梳的核心部分，采用了第一带隙光子晶体光纤在腔内提供色散补偿，并利用非线性偏振旋转的方法实现了锁模激光脉冲的输出。利用单模泵浦源1，波分复用器2，增益光纤3，第一偏振控制器4，偏振分束器5，第二偏振控制器6，光纤式压电陶瓷7，第一带隙光子晶体光纤8和第一光纤隔离器9组成掺镱全光纤环形腔锁模激光器；需要通过控制第一带隙光子晶体光纤8的长度实现对腔内色散的控制。利用第二光纤隔离器10实现种子源和放大器之间的隔离，利用第一分束器11实现种子源的两路输出。利用光电二极管22实现对重复频率的探测。
现有的掺镱全光纤环形锁模激光器主要有基于非线性偏振旋转的全正色散结构的锁模激光器和基于可饱和吸收体的掺镱光纤激光器。但是这些激光器本身的输出光谱较窄，输出脉冲较宽，腔内噪声较大，不适作为光学频率梳的种子源。本发明实施例中利用了第一带隙光子晶体光纤对腔内色散进行了补偿，第一带隙光子晶体光纤可以选择空心的带隙光子晶体光纤结构，也可以选择全固态的带隙光子晶体光纤结构。利用光子晶体光纤和单模光纤的低损耗焊接，并选择合适的光子晶体光纤的长度，可以有效的进行腔内色散的补偿，腔内总色散应当选取在零色散附近，这种情况下的腔内噪声较低。
本发明实施例中与所述掺镱全光纤锁模激光器相连的光纤放大器，所述光纤放大器包括泵浦源12、泵浦合束器13和掺镱双胞层增益光纤14，所述泵浦源与所述泵浦合束器的第一输入端相连，所述泵浦合束器的第二输入端与掺镱全光纤锁模激光器相连，所述泵浦合束器的输出端与所述掺镱双胞层增益光纤相连，以放大由所述掺镱全光纤锁模激光器产生的锁模激光脉冲。放大器可以利用保偏或者非保偏的结构，但若利用非保偏放大器需实现放大器光纤的稳定盘绕。可以根据最终两路输出功率的需求并除以压缩器的效率计算出放大后激光所需的功率。通过第三光纤隔离器15实现光纤放大器和光纤压缩器之间的隔离，利用第二分束器16实现放大后锁模激光脉冲的输出。
掺镱光学频率梳相对于掺铒光学频率梳的输出功率更高。为了获得较高的频率梳的输出功率和足够用于倍频程超连续谱的激光功率。需要对种子源振荡器输出的激光进行放大。在本实施例中利用一级掺镱双胞层光纤放大器可以获得足够的激光功率，不仅可以满足超连续谱的功率要求，剩余的部分还可以提供较高的频率梳功率输出。
本发明实施例所述的光纤压缩器采用负色散全光纤脉冲压缩器，该负色散全光纤脉冲压缩器包括第二带隙光子晶体光纤17和偏振控制器18，利用第二带隙光子晶体光纤17实现光纤压缩器对放大后的脉冲进行压缩，利用偏振控制器18实现对压缩后脉冲偏振状态的控制。第二带隙光子晶体光纤17的长度应当保证压缩后的脉冲的二阶色散基本为零。
本发明实施例为了降低获得超连续谱所需的能量和降低超连续谱产生过程中的噪声，需要对放大后的脉冲进行压缩。本发明中利用空心带隙光子晶体光纤对放大后的脉冲进行二阶色散补偿从而压缩脉冲宽度。空心光子晶体光纤的长度由以下方法得到:先利用空间色散补偿器件(例如光栅对)对放大后的脉冲进行色散补偿,通过调节色散补偿器件的空间距离使得压缩后的脉冲宽度最窄；测量空间色散补偿器件的空间距离L_space,将其与空间色散补偿器件单位距离的色散量β2_s相乘得到最终所需补偿的色散值β2；将β2除以空心光子晶体光纤单位长度的色散量β2_t,从而得到所需的光子晶体光纤长度L_fiber。
如图3所示，按照本方案搭建的光学频率梳系统中，利用第二带隙光子晶体光纤17压缩后的脉冲的自相关曲线图，其脉宽为98fs。
本发明实施例所述的超连续频谱产生模块包括拉锥光子晶体光纤19，用于产生倍频程超连续谱。用于超连续谱产生的脉冲峰值功率应当大于5kW。
如图4所示，按照本方案搭建的光学频率梳系统中用于超连续谱产生的拉锥光子晶体光纤的结构示意图，超连续谱产生模块为拉锥光子晶体光纤，所述拉锥光子晶体光纤用于产生超连续谱和获得该光学频率梳的初始频率信号。所述拉锥光子晶体光纤包括拉锥部分26、过渡拉锥部分27和未拉锥部分28，所述两段过渡拉锥部分的第一端分别与所述拉锥部分的两端相连，所述两段过渡拉锥部分的第二端分别与所述两段未拉锥部分相连。超连续谱的产生不仅需要较高的非线性系数，还需要光子晶体光纤的色散曲线满足一定的条件。本方案中利用拉锥的光子晶体光纤实现倍频程超连续谱的产生。拉锥光子晶体光纤是通过改变光子晶体光纤纤芯从而提高光子晶体光纤的非线性系数，并改变光子晶体光纤色散曲线的有效方法。其光纤的参数如下：本方案中的光子晶体光纤的选择的空气孔间距与空气孔直径的比值为0.5～0.55，其中均匀拉锥部分长度2～20cm，光纤芯径1.7μm；两侧的过渡拉锥部分长度2cm-5cm，光纤芯径由4.5μm线性的渐变为1.7μm；最两端未拉锥部分光子晶体光纤长度2-5cm，光纤芯径为4.5μm。这种带有未拉锥部分和过渡拉锥部分的设计不仅仅可以减少焊接和光纤过渡区的损耗，还可以大大增强被转移到短波长区域的能量。在该参数下，拉锥光子晶体光纤可以使利用中心波长为1030nm～1060nm，脉宽20fs～150fs，峰值功率大于5kW的脉冲实现倍频程光谱的产生。
如图5所示，利用fiberdesk软件模拟计算脉宽98fs，峰值功率6kW。
如图6所示，实际的脉宽98fs，峰值功率6kW的脉冲在拉锥光子晶体光纤中传播后的光谱图。由图可知，实验结果和模拟结果符合一致。
如图7所示为利用上述超连续谱实现的初始频率信号。信噪比约20dB。可以用于初始频率信号的锁定。
本发明实施例所述的倍频模块利用光纤尾纤的波导式倍频晶体20实现倍频。
利用波导结构的倍频晶体，并设计波导结构的色散可以补偿基频和倍频光的时间延迟，从而使得这两束光在时间上重合，进而在倍频后实现拍频信号的产生。最后利用雪崩二极管探测拍频信号即可得到初始频率信号。
本发明实施例还可以对该光学频率梳的重复频率和初始频率进行锁定，将探测到的初始频率信号和重复频率信号利用外部的锁定电路系统将这两个信号锁定到外部的频率标准上即可实现对整个全光纤光学频率梳的锁定。通过雪崩二极管21实现对初始频率信号的探测，雪崩二极管21的输出信号被初始频率锁定电路24通过改变种子源泵浦源1的驱动电流锁定到外部微波频率源25上；光电二极管22用于探测重复频率信号，其输出信号被重复频率锁定电路23通过改变压电陶瓷7的驱动电压锁定到外部微波频率源25上。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种掺镱全光纤光学频率梳系统，其特征在于，该系统包括掺镱全光纤环形腔锁模激光器和光纤压缩器；
所述掺镱全光纤环形腔锁模激光器包括用于补偿色散的第一带隙光子晶体光纤，所述光纤压缩器包括用于补偿色散的第二带隙光子晶体光纤。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一带隙光子晶体光纤和第二带隙光子晶体光纤均为空心的带隙光子晶体光纤或固态的带隙光子晶体光纤。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述掺镱全光纤环形腔锁模激光器相连的光纤放大器，所述光纤放大器包括泵浦源、泵浦合束器和掺镱双胞层增益光纤；
所述泵浦源与所述泵浦合束器的第一输入端相连，所述泵浦合束器的第二输入端与掺镱全光纤环形腔锁模激光器相连，所述泵浦合束器的输出端与所述掺镱双胞层增益光纤相连，用于放大由所述掺镱全光纤环形腔锁模激光器产生的锁模激光脉冲。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤压缩器还包括偏振控制器，所述偏振控制器用于对所述第二带隙光子晶体光纤补偿色散后的脉冲进行偏振控制。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述光纤压缩器相连的拉锥光子晶体光纤，所述拉锥光子晶体光纤用于产生超连续谱。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述拉锥光子晶体光纤包括拉锥部分、两段过渡拉锥部分和两段未拉锥部分，所述两段过渡拉锥部分的第一端分别与所述拉锥部分的两端相连，所述两段过渡拉锥部分的第二端分别与所述两段未拉锥部分相连。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述拉锥光子晶体光纤的空气占空比为0.5～0.55，其中拉锥部分长度2～20cm，且光纤芯径1.7μm；所述两段过渡拉锥部分的长度均为2cm-5cm，且光纤芯径由4.5μm线性的渐变为1.5μm；所述两段未拉锥部分的长度均为2-5cm，且光纤芯径为4.5μm。
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