CN105244744B - 一种利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，飞秒激光源产生的飞秒脉冲由光纤耦合器耦合进光纤之后，经光纤分束器将输出功率分成三份，其中一份传输至f_r探测装置获得f_r信号，一份进入f_ceo产生和探测装置获得f_ceo信号，一份作为光梳系统的输出；f_r信号和f_ceo信号分别与外部参考信号进行混频后，输出给相应的锁相环电路，通过鉴相、比例积分处理，分别得到f_r和f_ceo反馈控制信号，然后分别利用f_r和f_ceo的反馈控制信号驱动所述飞秒激光源，将f_r和f_ceo锁定到稳定的外部参考源上。本发明能够实现光梳f_ceo的宽带锁定，使f_ceo的控制带宽达兆赫兹量级，从而获得高精度的光梳系统。

Description

一种利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统

技术领域

本发明涉及一种光梳的频率控制技术，利用晶体电光效应控制激光偏振态，实现光梳载波包络偏频快速控制，能有效提高频率控制带宽，进而提升光梳系统的频率控制精度。

背景技术

光梳也称“光学频率综合器”，是一种频率完全受控的锁模激光器，可以实现光学频率到微波频率(或者其它光学频率)的高精度频率变换。光梳自上世纪末发明以来，已经在光频标研究、高精度光学频率传递、激光雷达研制、超稳微波信号产生和精密光谱学等众多研究领域发挥了重要作用。

光梳的受控频率有两个：重复频率(f_r)和载波包络偏频(f_ceo)。作为频率综合器，光梳最重要的指标是频率控制精度，一般用频率稳定度和剩余相位抖动来表示。提高频率控制速度是提高频率控制精度指标的根本途径，通常频率控制速度用控制带宽来表示。早期的光梳系统中的f_r是通过压电陶瓷控制光学腔长度的方法实现的，由于机械响应较慢，控制带宽大多在千赫兹到十千赫兹量级；f_ceo是通过控制光梳的泵浦激光功率来实现的，控制带宽一般在十千赫兹到百千赫兹量级。

美国科学家率先利用电光晶体调制器(EOM)实现了光学腔长度的快速控制，控制带宽达到了几百千赫兹，大幅提高了f_r的控制精度[Hudson et al.OL 2005]。这一实验结果主要受限于电控部分的响应速度。后来国外科学家利用这一方法，将f_r控制带宽提升到兆赫兹量级，进一步提升了f_r这一频率量的控制能力。然而，f_ceo的控制技术一直鲜有突破，有科学家采用后补偿的方式，利用声光调制器(AOM)对光梳信号进行光学移频，但其控制带宽依然没有达到兆赫兹量级。而且，两种f_ceo控制方式都有明显的缺陷。通过宽带控制泵浦电流的方式，由于电流较大，因此对应的宽带噪声水平也较高，在提升控制带宽的同时会不可避免的引入更多的噪声；通过AOM移频的方式一方面AOM的损伤阈值限制了光梳功率，并且AOM会引入一定的功率损耗。另一方面激光通过AOM后会引入与调制频率相关的光学分量，这些多余的光谱分量有可能会影响光梳的后期应用。此外，AOM的最佳工作频率固定，且工作范围很窄，使得其对f_ceo信号的控制范围很有限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用晶体电光效应控制光学腔中激光偏振态，进而实现f_ceo快速控制的光梳系统，能够实现光梳f_ceo的宽带锁定，使f_ceo的控制带宽达兆赫兹量级，从而获得高精度的光梳系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括光路部分和电路部分；所述光路部分包括飞秒激光源、f_r探测装置和f_ceo产生和探测装置；所述电路部分包括f_r锁相环控制装置和f_ceo锁相环控制装置；所述飞秒激光源产生的飞秒脉冲由光纤耦合器耦合进光纤之后，经光纤分束器将输出功率分成三份，其中一份传输至f_r探测装置获得f_r信号；另一份进入f_ceo产生和探测装置获得f_ceo信号，剩余的一份作为光梳系统的输出；所述的f_r信号和f_ceo信号分别与外部参考信号进行混频后，输出给相应的锁相环电路，通过鉴相、比例积分处理，分别得到f_r和f_ceo反馈控制信号，然后分别利用f_r和f_ceo的反馈控制信号驱动所述飞秒激光源，将f_r和f_ceo锁定到稳定的外部参考源上。

所述飞秒激光源产生的飞秒脉冲经光纤分束器功分后，传输至f_r探测装置的平均功率为毫瓦级，传输至f_ceo产生和探测装置的平均功率为毫瓦级至十毫瓦级。

所述f_ceo产生和探测装置包括光纤放大装置、脉冲压缩装置、光谱扩展装置和自参考外差拍频装置；输入的飞秒脉冲经光纤放大装置进行一级或两极脉冲放大后，进入脉冲压缩装置进行脉冲压缩，压缩后的飞秒脉冲经光谱扩展装置和自参考外差拍频装置，由光电探测器探测得到f_ceo信号。

所述飞秒激光源采用环形的光学腔，包括串接的偏振控制器件、f_r控制器件、f_ceo控制器件、脉冲输出器件、色散控制器件、增益光纤和传输光纤。

所述f_r控制器件包括压电陶瓷控制器和电光晶体，压电陶瓷控制器通过控制电压的变化改变光学腔腔长；所述f_ceo控制器件采用电光晶体。

所述的电光晶体采用点群对称性为3m的系列晶体。

所述的电光晶体采用铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。

所述f_r控制器件的电光晶体的电场沿晶体光轴方向，激光垂直于光轴方向传播，且将所述电光晶体放置在偏振分光棱镜透光位置，保证入射所述电光晶体的激光偏振态与光学腔平面平行；所述f_ceo控制器件的电光晶体沿晶体光轴方向切割，激光沿光轴方向传播，电场垂直于光轴方向施加。

所述的电光晶体中，垂直于通光方向的平面上镀有相应通光波长的增透膜，垂直于电场施加方向的平面上镀有导电介质。

本发明的有益效果是：提出一种利用晶体电光效应实现f_ceo宽带控制的光梳系统，利用晶体电光效应能够快速改变激光偏振态的特性，结合光梳系统中f_ceo的频率受光学腔内激光偏振态控制的特点，将特殊设计的电光晶体引入到光梳系统中，提高f_ceo的带宽，进而提高光梳的控制精度。该系统可以使f_ceo的控制带宽提高到从未达到的兆赫兹量级，能够降低光梳系统中高频噪声。利用晶体电光效应控制f_ceo的方法，避免了激光泵浦功率作为控制量时，引入到光梳系统的频率噪声，提高系统控制精度。对光学频率合成、相干脉冲合成及阿秒脉冲产生等技术具有推动作用。

附图说明

图1是本发明利用晶体电光效应实现f_ceo宽带控制的光梳系统结构示意图；

图2是本发明f_ceo产生和探测装置结构示意图；

图3是本发明具体实施案例中掺铒光纤光梳系统中透射式光学腔结构示意图；

图4是本发明掺铒光纤光梳系统中反射式光学腔结构示意图；

图5是本发明掺铒光纤光梳系统中反射式光学腔结构示意图；

图6是本发明用于控制f_r的电光晶体示意图；

图7是计算获得的控制f_r所用电光晶体施加不同电压对激光偏振态作用示意图；

图8是本发明用于控制f_ceo的电光晶体示意图；

图9是计算获得的控制f_ceo所用电光晶体施加不同电压对激光偏振态作用示意图；

图中，1-飞秒激光源，2-f_r探测装置，3-f_ceo产生和探测装置，4-控制f_r的锁相环电路，5-控制f_ceo的锁相环电路，6-参考信号源，7-光纤放大装置，8-脉冲压缩装置，9-光谱扩展装置，10-自参考外差拍频装置，11-压电陶瓷控制器，12-四分之一波片，13-偏振分束棱镜，14-电光晶体，15-四分之一波片，16-耦合器，17-反射镜，18-电光晶体，19-二分之一波片，20-四分之一波片，21-普通单模光纤，22-光纤耦合器，23-二分之一波片，24-泵浦激光源，25-掺铒光纤，26-位移平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提出了一种利用晶体电光效应控制光学腔中激光偏振的方法，实现了f_ceo宽带频率控制的光梳系统。首先，由于电光效应的响应速度快，因此可以大幅提高f_ceo，其控制带宽达到兆赫兹量级；其次，本方法可以避免现有技术两种宽带控制方式的缺陷。这种方式的代价与f_r控制一样，是在光学腔内加入特殊设计的电光晶体，其引入的不利寄生效应基本可以忽略不计。本发明适用于基于非线性偏振旋转锁模机制激光器的光梳系统，对于其他类型的光梳是否适用需进一步研究。

本发明的思想在于：基于“晶体电光效应响应速度快”的特性和“非线性偏振旋转锁模光梳的f_ceo受光学腔内偏振态控制”的特性，通过控制光学腔内特殊设计电光晶体的外加电场，快速调节光学腔的偏振特性，实现f_ceo宽带控制的光梳系统。

利用晶体电光效应实现f_ceo宽带控制光梳系统的获得方法，所采用的技术方案如下：

所述利用晶体电光效应实现f_ceo宽带控制的光梳系统，包括光路部分和电路部分，其中，所述光路部分包括飞秒激光源、f_r探测装置和f_ceo产生和探测装置。

所述飞秒激光源采用一种环形光学腔结构，用于产生飞秒脉冲的锁模激光器。所述光学腔由偏振控制器件、f_r控制器件、f_ceo控制器件、脉冲输出器件、色散控制器件、增益光纤和传输光纤组成。通过控制所述光学腔内不同光纤的比例、色散控制器件，控制光学腔内色散接近于零，之后通过调节偏振控制器件，实现飞秒脉冲的输出；

所述飞秒脉冲由光纤耦合器耦合进光纤之后，经光纤分束器将输出功率分成三份，其中一份飞秒脉冲(平均功率大约为几毫瓦左右)传输至f_r探测装置获得f_r信号；另外一份飞秒脉冲(平均功率一般在几毫瓦到几十毫瓦的范围内)进入f_ceo产生和探测装置获得f_ceo信号，剩余的一份作为光梳系统的输出。

所述电路部分包括f_r锁相环控制装置和f_ceo锁相环控制装置；将上述探测得到的f_r和f_ceo信号分别与外部参考信号进行混频后，输出给相应的锁相环电路，通过鉴相、比例积分处理，得到反馈控制信号，然后分别利用f_r和f_ceo的反馈控制信号驱动所述光学腔中的f_r控制器件和f_ceo控制器件，从而实现将所述的两个参量f_r和f_ceo锁定到稳定的外部参考源上。

所述光学腔中偏振控制器件包括二分之一波片、四分之一波片和偏振控制器；所述f_r控制器件包括压电陶瓷控制器和电光晶体；所述脉冲输出器件包括偏振分光棱镜、光纤耦合器和光纤分束器；所述色散控制器件包括反射型光栅对、透射型光栅对和可控的尖劈型透镜；

所述f_ceo产生和探测装置包括光纤放大装置、脉冲压缩装置、光谱扩展装置和自参考外差拍频装置；飞秒激光源产生的部分飞秒脉冲经光纤放大装置进行一级或两极脉冲放大后，进入脉冲压缩装置进行脉冲压缩，经压缩后的脉冲经光谱扩展装置和自参考外差拍频装置中，由光电探测器探测得到f_ceo信号；

所述f_r控制器件采用压电陶瓷调制器和电光晶体，所述压电陶瓷控制器通过控制施加在压电陶瓷上的电压，控制压电陶瓷的伸缩改变光学腔腔长，实现f_r的慢速控制；所述压电陶瓷可将其固定在光学腔内反射镜上，也可粘贴在装有光纤耦合器的位移平台上，通过改变光学腔的空间光路长度，控制f_r，如图3、图4所示。另外可采用将压电陶瓷直接粘贴在光纤光路上，通过拉伸光纤，实现f_r的控制，如图5所示；

所述用于控制f_r的电光晶体可采用铌酸锂晶体或钽酸锂晶体等点群对称性为3m系列的晶体，所述电光晶体的电场沿晶体轴的光轴方向，激光垂直于光轴方向传播，且将所述电光晶体放置在偏振分光棱镜透光位置，保证入射所述电光晶体的激光偏振态与光学腔平面平行；

上述用于控制所述f_r的电光晶体，沿垂直于所述电光晶体的通光方向平面镀相应通激光波长的增透膜，减小激光能量损耗，沿垂直于所述电光晶体的电场施加方向平面镀导电介质；

所述f_ceo控制器件可选用能够改变光学腔内激光偏振态的电光晶体，通过控制所述电光晶体施加电压，实现f_ceo的快速反馈控制；

所述f_ceo的控制器件选用铌酸锂晶体或或钽酸锂晶体等点群对称性为3m系列的晶体，所述电光晶体沿晶体光轴(z轴)方向切割，激光沿光轴方向传播，电场垂直于光轴方向(x轴)施加，光学腔水平放置在光学平台时，电场沿水平方向；

上述用于控制所述f_ceo的电光晶体，沿垂直于所述电光晶体的通光方向平面镀相应通激光波长的增透膜，沿垂直于所述电光晶体的电场施加方向平面镀导电介质；

将用于控制f_ceo的晶体放置在光学腔内激光偏振状态不变的位置，以保证入射激光偏振态保持不变。所述偏振状态不变的位置包括偏振控制器件、偏振分光棱镜、用于控制f_r的电光晶体等光学器件后；

上述利用晶体电光效应改变光学腔内激光偏振态实现f_ceo高带宽控制的光梳系统，包括掺铒光纤光梳、掺镱光纤光梳等多种基于非线性偏振旋转机制锁模的光梳系统，且根据经偏振分光棱镜输出光方式的不同，可将光学腔的结构分为反射式光学腔和透射式光学腔两种形式。

本发明的实施例包括光学部分和电学部分，如图1所示；其中光学部分包括飞秒激光源1、f_r探测装置2和f_ceo产生和探测装置3，电路部分包括控制f_r的锁相环电路4、控制f_ceo的锁相环电路5和参考信号源6；

飞秒激光源1用于产生飞秒脉冲，所述飞秒激光源的输出飞秒脉冲分成三份，其中一份飞秒脉冲进入f_r探测装置2，经控制f_r的锁相环电路4反馈控制飞秒激光源，实现f_r的控制，另外一份输出的飞秒脉冲进入f_ceo产生和探测装置3，得到f_r信号，经由f_ceo的锁相环电路5反馈控制飞秒激光源，实现f_ceo的控制。

所述f_ceo产生和探测装置3由光纤放大装置7、脉冲压缩装置8、光谱扩展装置9和自参考外差拍频装置10组成，如图2所示；所述由飞秒激光源1输出的飞秒脉冲，平均功率为～60mW，经光纤放大装置7一级或两级放大，放大后脉冲平均功率大到～300mW，经脉冲压缩装置8将脉冲压缩到60fs，后经光谱扩展装置9得到含有一个倍频程的宽带光谱，最后进入自参考外差拍频装置10，得到f_ceo信号，在分辨率为300kHz条件下，所得f_ceo信号的信噪比～45dBm；

所述掺铒光纤光梳系统的飞秒激光源1的具体结构如图3、图4、图5所示，包括：压电陶瓷控制器11，四分之一波片12、15、20，偏振分光棱镜13，电光晶体14、18，反射镜17，二分之一波片19、23，普通单模光纤21、光纤耦合器16、22，泵浦激光源24，掺铒光纤25和位移平台26。

所述光梳的光学腔为环形结构，采用的是非线性偏振旋转机制实现锁模。整个光学腔分成光纤光路与空间光路两部分，其中光纤部分包括掺铒光纤25和普通单模光纤21，使用的增益光纤长度为41cm左右，采用Liekki ER-110掺铒光纤，其在波长1530nm处的增益110dB/m，其他部分为普通单模光纤；空间光路长度～12cm，由光纤耦合器、偏振控制器件、f_r频率控制装置和f_ceo频率控制装置组成，光纤耦合器用于空间光路与光纤光路之间的耦合，耦合效率在90％以上。

偏振控制器件包括反射镜17，二分之一波片19、23和四分之一波片12、15、20。其中，四分之一波片20用于将经分光棱镜13反射后，入射至反射镜17的竖直偏振状态的激光变换为水平偏振状态，保证空间光路的能量耦合效率。

f_r频率控制装置包括压电陶瓷控制器11和电光晶体14，压电陶瓷控制器11是通过机械的方式，改变光学腔腔长，实现f_r频率控制的；具体对于透射式的光梳系统，如图3所示，将反射镜17粘贴在压电陶瓷控制器11上，当压电陶瓷控制器11的长度改变时，带动反射镜17在光学腔位置发生改变，实现光学腔腔长的改变；对于反射式光梳系统，如图4所示，压电陶瓷控制器11粘贴在装有光纤耦合器22的位移平台26上，当压电陶瓷控制器11长度改变时，带动光纤耦合器22在光学腔内位置发生改变，实现光学腔腔长的改变；另一种反射式光梳系统，如图5所示，压电陶瓷控制器11粘贴在掺铒光纤25或普通单模光纤21上，通过拉伸光纤，改变光学腔腔长，实现f_r的频率控制；

电光晶体14为单轴晶体，本实施案例中采用铌酸锂晶体。电光晶体14置于偏振分光束棱镜13的透射光方向，保证入射到所述电光晶体14的激光偏振态为平行于光学腔所在平面；

如图6所示，所述用于控制f_r的电光晶体14，电场沿光轴方向施加，通光方向垂直于光轴，通光方向的晶体长度为8mm，电场施加方向的厚度为3.2mm，所述电光晶体x轴的尺寸为3.2mm；在所述的透射式掺铒光梳系统的光学腔内，当光学腔水平放置在光学平台上时，电光晶体14的电场方向沿水平方向，计算得到水平入射光进入所述电光晶体后，椭球度和方位角在电光晶体施加电压改变时均不变，即激光偏振状态保持水平不变，计算结果如图7所示；

f_ceo频率控制装置为电光晶体18，所述电光晶体18采用单轴铌酸锂晶体，电光晶体18安装在电光晶体14与四分之一波片15之间的位置，由于穿过电光晶体14的激光水平偏振状态能够保持不变，因此入射到电光晶体18的入射激光为水平偏振；

为了能够改变入射激光的偏振态，电光晶体18采用的设计为：激光沿光轴方向，电场垂直于光轴方向施加，如图8所示，通光方向的晶体长度为3mm，电场施加方向的晶体厚度为3mm，晶体y轴方向的尺寸为8mm；

在所述的透射式掺铒光梳系统的光学腔内，当光学腔水平放置在光学平台上时，电光晶体18的水平面为xoz平面，利用椭球折射率主轴理论计算得到水平偏振激光进入所述电光晶体后，在0-200v范围内改变电光晶体18的施加电压大小时，通过所述电光晶体的激光椭球度改变0.86度，即等价于光学腔内四分之一波片19或29旋转了0.86°，如图9所示。

调节腔内的偏振控制器件，实现锁模激光脉冲在偏振分光棱镜垂直端的稳定输出。其中，四分之一波片控制光学腔内激光的方位角，二分之一波片控制光学腔内激光的椭球度。

所述光学谐振腔输出光的重复频率为232MHz，中心波长为1560nm，输出激光的脉冲宽度为50fs，输出激光的平均功率为180mW。当改变所述光学谐振腔中的偏振控制器件二分之一波片15或23改变1°时，对应光梳的f_ceo改变200MHz，当改变所述光学谐振腔中的偏振控制器件四分之一19或20波片改变1°时，对应的f_ceo的频率改变量50MHz；

所述透射式光梳系统在自由运转情况下，8小时时间内f_ceo的漂移量～0.8MHz。

Claims (9)

1.一种利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，包括光路部分和电路部分，其特征在于：所述光路部分包括飞秒激光源、f_r探测装置和f_ceo产生和探测装置；其中f_r表示为重复频率，f_ceo表示为载波包络偏频；所述电路部分包括f_r锁相环控制装置和f_ceo锁相环控制装置；所述飞秒激光源产生的飞秒脉冲由光纤耦合器耦合进光纤之后，经光纤分束器将输出功率分成三份，其中一份传输至f_r探测装置获得f_r信号；另一份进入f_ceo产生和探测装置获得f_ceo信号，剩余的一份作为光梳系统的输出；所述的f_r信号和f_ceo信号分别与外部参考信号进行混频后，输出给相应的锁相环电路，通过鉴相、比例积分处理，分别得到f_r和f_ceo反馈控制信号，然后分别利用f_r和f_ceo的反馈控制信号驱动所述飞秒激光源，将f_r和f_ceo锁定到稳定的外部参考源上。

2.根据权利要求1所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述飞秒激光源产生的飞秒脉冲经光纤分束器功分后，传输至f_r探测装置的平均功率为毫瓦级，传输至f_ceo产生和探测装置的平均功率为毫瓦级至十毫瓦级。

3.根据权利要求1所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述f_ceo产生和探测装置包括光纤放大装置、脉冲压缩装置、光谱扩展装置和自参考外差拍频装置；输入的飞秒脉冲经光纤放大装置进行一级或两极脉冲放大后，进入脉冲压缩装置进行脉冲压缩，压缩后的飞秒脉冲经光谱扩展装置和自参考外差拍频装置，由光电探测器探测得到f_ceo信号。

4.根据权利要求1所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述飞秒激光源采用环形的光学腔，包括串接的偏振控制器件、f_r控制器件、f_ceo控制器件、脉冲输出器件、色散控制器件、增益光纤和传输光纤。

5.根据权利要求4所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述f_r控制器件包括压电陶瓷控制器和电光晶体，压电陶瓷控制器通过控制电压的变化改变光学腔腔长；所述f_ceo控制器件采用电光晶体。

6.根据权利要求5所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述的f_r控制器件采用的电光晶体和f_ceo控制器件采用的电光晶体采用点群对称性为3m的系列晶体。

7.根据权利要求5所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述的f_r控制器件采用的电光晶体和f_ceo控制器件采用的电光晶体采用铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。

8.根据权利要求5所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述f_r控制器件的电光晶体的电场沿晶体光轴方向，激光垂直于光轴方向传播，且将所述电光晶体放置在偏振分光棱镜透光位置，保证入射所述电光晶体的激光偏振态与光学腔平面平行；所述f_ceo控制器件的电光晶体沿晶体光轴方向切割，激光沿光轴方向传播，电场垂直于光轴方向施加。

9.根据权利要求5所述的利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统，其特征在于：所述的f_r控制器件采用的电光晶体和f_ceo控制器件采用的电光晶体中，垂直于通光方向的平面上镀有相应通光波长的增透膜，垂直于电场施加方向的平面上镀有导电介质。