CN105428987B - 基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法 - Google Patents
基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105428987B CN105428987B CN201610001490.6A CN201610001490A CN105428987B CN 105428987 B CN105428987 B CN 105428987B CN 201610001490 A CN201610001490 A CN 201610001490A CN 105428987 B CN105428987 B CN 105428987B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pulse
- frequency
- high power
- submodule
- carrier envelope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
- H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/10053—Phase control
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，该方法基于自相似放大技术，有效克服脉冲放大中的增益窄化、带宽受限、非线性相位畸变，光谱有效展宽，减小输出脉冲宽度，同时有效放大锁模脉冲功率，获得高功率飞秒脉冲，提高载波包络相位零频锁定精度，同时采用基于声光晶体移频器的载波包络相位零频锁定技术，反应带宽大，控制精度高，实时控制实现高精度高功率超短脉冲光学频率梳。本发明的优点是，可以直接拓展应用于飞秒光学频率梳控制技术，得到稳定的高精度高功率飞秒光学频率梳。
Description
技术领域
本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法。
背景技术
时-频域精密控制的飞秒光学频率梳是精密光谱、精密测量以及相关科学领域的一次重大技术飞跃，是提高了频谱测量精度，发展比原子微波钟更精确的时间/频率标准的重要技术革新，同时作为一种有别于传统连续稳频激光的特殊激光光源，在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用，对实现光频率合成和物理常量的精确测定有重大意义。
飞秒光学频率梳传统上主要依靠钛宝石激光振荡器完成。但钛宝石激光振荡器体积庞大、不易维修、环境要求高、造价昂贵，主要应用于实验室环境。同时，传统钛宝石激光振荡器输出功率在瓦量级，这很大程度地限制了光梳技术的应用范围。由于光纤技术和大模场光子晶体光纤放大技术的不断发展使得人们将实现高功率光学频率梳的重任从固体激光器扩展到了光纤激光器上。光纤激光器具有体积小、重量轻、易集成、免维护、风冷却、操作简易、运行成本低、稳定性高等一系列优势。
光纤光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和载波包络位相偏置频率得到。而基于大模场光子晶体光纤的功率放大是探测载波包络位相偏置频率和飞秒光学频率梳锁定的基础。传统上采用的光纤啁啾级联脉冲放大技术利用光纤中的色散效应对种子光的脉冲宽度进行时域的展宽，降低脉冲峰值功率然后进行光纤级联放大，在实现功率放大的同时达到减少非线性效应的目的。
然而啁啾级联放大系统也存在诸多的不足，限制着光学频率梳向宽光谱、高精度等方向的发展。首先，增益光纤自身存在的增益窄化效应在级联放大中会明显减少脉冲激光的光谱成分，减小脉冲的极限脉宽，影响载波包络位相偏置频率的探测信噪比，从而限制光学频率梳的锁定精度及光谱宽带。其次，啁啾级联放大系统往往需要较长光纤在时域上对脉冲展宽，这将引入大量高阶色散和非线性噪声，不易补偿，导致脉冲的失真，影响光学频率梳的高精度锁定。另一方面，基于泵浦电流反馈控制的传统载波包络位相锁定技术存在带宽窄、控制范围有限和反应速度较慢的特点，这些不足都限制着飞秒光学频率梳更广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，该产生方法通过采用自相似放大技术，有效克服脉冲放大中的增益窄化、宽带受限以及非线性相位畸变，获得高功率超短脉冲光学频率梳。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述产生方法包括如下步骤：将激光器种子源、脉冲放大及控制模块以及载波包络相位零频锁定模块三者依次连接；利用所述激光器种子源产生飞秒量级激光脉冲进入所述脉冲放大及控制模块中，所述脉冲放大及控制模块由在光路上依次连接的脉冲预放子模块、啁啾管理子模块、自相似主放子模块以及脉冲压缩子模块组成，其中，所述脉冲预放子模块将脉冲平均功率放大到瓦量级，然后通过所述啁啾管理子模块调整脉冲的啁啾量，脉冲接着进入所述自相似主放子模块进行功率放大、脉冲演变以及光谱展宽，放大后的脉冲再通过所述脉冲压缩子模块补偿色散，将脉冲宽度压缩到最窄，压缩后获得的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：（1）一部分通过与所述脉冲放大及控制模块输出端相连的重复频率锁定模块转化为电信号反馈锁定所述激光器种子源的重复频率；（2）一部分通过与所述脉冲放大及控制模块输出端相连的载波包络相位零频信号测量模块产生高信噪比的载波包络相位零频信号，经过电信号处理作为前向反馈信号作用在所述载波包络相位零频锁定模块中的声光晶体移频器上；（3）最后一部分进入所述载波包络相位零频锁定模块通过所述声光晶体移频器输出高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
所述脉冲预防子模块由光纤隔离器、波分复用器、光纤泵浦源和增益光纤组成，所述光纤隔离器、波分复用器以及增益光纤在光路上依次连接，所述光纤泵浦源连接所述波分复用器的短波输入端，其中，所述增益光纤为单模光纤、多模光纤、双包层光纤或大模场光子晶体光纤中的一种。
所述啁啾管理子模块和所述脉冲压缩子模块均由基于光栅对或者棱镜对的色散补偿装置构成。
所述自相似主放子模块由基于大模场光子晶体光纤的放大装置组成。
所述重复频率锁定模块包括光电探测器、频率标准源、混频器以及误差信号处理模块，所述光电探测器、所述混频器以及所述误差信号处理模块依次连接，所述频率标准源同所述混频器连接；所述重复频率锁定模块产生信号驱动所述激光器种子源中的压电陶瓷以将其重复频率锁定。
所述载波包络相位零频信号测量模块由基于光子晶体光纤的共线或非共线拍频结构组成。
所述载波包络相位零频锁定模块由基于声光晶体移频器的载波包络相位零频控制装置组成。
本发明的优点是：
（1）基于自相似放大技术，适用于多种锁模方式产生脉冲的放大，能够实现基于多种锁模机制的光学频率梳；
（2）基于自相似放大技术，啁啾管理子模块优化后的脉冲在非线性相移、光纤增益和光纤色散等效应作用下，光谱有效展宽，引入的线性啁啾能有效补偿压缩，相比传统光纤啁啾级联脉冲放大技术，相同功率下输出脉冲宽度更窄，锁定的飞秒光学频率梳光谱范围更宽，锁定精度更高；
（3）基于自相似放大技术，无需使用大量光纤展宽脉冲宽度来减小脉冲峰值功率，结构简单，有效利用放大中的非线性效应；
（4）基于自相似放大技术，提高输出功率，缩短脉冲宽度，获得高功率飞秒脉冲，有利于非线性频率转换拓展到短波段，获得短波段高功率飞秒光学频率梳；
（5）基于自相似放大技术的高功率超短脉冲光学频率梳，适用于1微米和1.5微米波段，也可以拓展到其他波段；
（6）基于声光晶体移频器的载波包络相位零频锁定技术，具有较高的响应带宽和快速响应特性，可实现大多数锁模激光脉冲和高功率放大脉冲载波包络相位零频的实时控制；
（7）基于声光晶体移频器的载波包络相位零频锁定技术，分离式控制结构，简化系统复杂度，同时避免载波包络相位零频控制对激光器种子源锁模状态的影响；
（8）采用的放大技术适用于多种光谱范围，因此适用于产生不同波段的高功率超短脉冲光学频率梳，能够满足不同领域的需求。
附图说明
图1为本发明中高功率超短脉冲光学频率梳装置系统框图；
图2为本发明中基于光栅对预啁啾的反向泵浦自相似放大和非共线自参考结构的高功率超短脉冲光学频率梳示意图；
图3为本发明中基于光栅对预啁啾的反向泵浦自相似放大和共线结构的高功率超短脉冲光学频率梳示意图；
图4为本发明中基于光栅对预啁啾的双向泵浦自相似放大和非共线自参考结构的高功率超短脉冲光学频率梳示意图；
图5为本发明中基于棱镜对预啁啾的双向泵浦自相似放大和非共线自参考结构的高功率超短脉冲光学频率梳示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的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：
如图1-5，图中标记100-500分别为：
激光器种子源100；
脉冲放大及控制模块200；脉冲预放子模块210、光纤隔离器211、半导体激光器212、波分复用器213、掺镱增益光纤214；啁啾管理子模块220、全反镜221、全反镜222、光栅对223、全反镜224、棱镜对235；自相似主放子模块230、空间隔离器231、掺镱大模场光子晶体光纤232、双色镜233、泵浦源234、双色镜235、泵浦源236、双色镜237、泵浦源238；脉冲压缩子模块240、全反镜241、全反镜242、光栅对243、全反镜244、部分反射部分透射镜245；
重复频率锁定模块300、部分反射镜301、全反镜302、光电探测器303、混频器304、频率标准源305、误差信号处理模块306；
载波包络相位零频信号测量模块400、耦合透镜401、光子晶体光纤402、耦合透镜403、双色镜404、BBO倍频晶体405、全反镜406、双色镜407、全反镜408、周期性极化氧化镁铌酸锂晶体409、带通滤波片410；
载波包络相位零频锁定模块500、全反镜501、全反镜502、全反镜503、光电倍增管504、滤波电路模块505、放大及驱动模块506、声光晶体移频器507。
实施例1：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，该方法包括如下步骤：
（1）将激光器种子源100依次连接脉冲放大及控制模块200以及载波包络相位零频锁定模块500；同时脉冲放大及控制模块200的输出端通过重复频率锁定模块300与激光器种子源100连接形成后向闭环腔，脉冲放大及控制模块200的输出端通过载波包络相位零频信号测量模块400与载波包络相位零频锁定模块500连接形成前向闭环腔，其中：
激光器种子源100用于输出锁模脉冲，其锁模方法可以为主动锁模或被动锁模，结构上包含压电陶瓷，该压电陶瓷为空间结构或光纤结构，能够反馈锁定飞秒光学频率梳的重复频率；
脉冲放大及控制模块200包括在光路上依次连接的脉冲预放子模块210、啁啾管理子模块220、自相似主放子模块230和脉冲压缩子模块240，产生高功率飞秒光学频率梳光源；
重复频率锁定模块300能够产生信号驱动激光器种子源中的压电陶瓷，将飞秒光学频率梳的重复频率精确锁定；
载波包络相位零频信号测量模块400可以基于0-f、f-2f或者2f-3f工作原理，拍频可以基于光子晶体光纤的共线或非共线拍频结构，能够产生载波包络相位零频信号；
载波包络相位零频锁定模块500由基于声光晶体移频器的载波包络相位零频控制装置组成，能够对高功率脉冲零频信号精确控制。
（2）激光器种子源100提供稳定的飞秒量级激光脉冲进入脉冲放大及控制模块200；先通过脉冲预放子模块210将平均功率放大到瓦量级，然后通过啁啾管理子模块220调整脉冲的啁啾量，接着进入自相似主放子模块230进行功率放大、脉冲演变以及光谱展宽，放大后的脉冲再通过脉冲压缩子模块240补偿色散，将脉冲宽度压缩到最窄，获得高功率超短飞秒脉冲；压缩后的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：
a.一部分通过重复频率锁定模块300转化为电信号反馈锁定激光器种子源100的重复频率；
b.一部分通过载波包络相位零频信号测量模块400产生高信噪比的载波包络相位零频信号，经过滤波、整形和放大等电信号处理作为前向反馈信号作用在载波包络相位零频锁定模块500内的声光晶体移频器上；
c.最后一部分进入载波包络相位零频锁定模块500通过声光晶体移频器504，输出高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
在本实施例中，高功率超短脉冲光学频率梳装置基于自相似放大技术，有效克服脉冲放大中的增益窄化、带宽受限、非线性相位畸变，光谱有效展宽，减小输出脉冲宽度，同时有效放大锁模脉冲功率，获得高功率飞秒脉冲，提高载波包络相位零频锁定精度，同时采用基于声光晶体移频器的载波包络相位零频锁定技术，反应带宽大，控制精度高，实时控制实现高精度高功率超短脉冲光学频率梳。
实施例2：如图1、2所示，本实施具体涉及一种基于光栅对预啁啾的反向泵浦自相似放大和非共线自参考结构的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，该方法包括如下步骤：
（1）将激光器种子源100依次连接脉冲放大及控制模块200以及载波包络相位零频锁定模块500；同时脉冲放大及控制模块200的输出端通过重复频率锁定模块300与激光器种子源100连接形成后向闭环腔，脉冲放大及控制模块200的输出端通过载波包络相位零频信号测量模块400与载波包络相位零频锁定模块500连接形成前向闭环腔，其中：
激光器种子源100为掺镱光纤激光器种子源；
脉冲放大及控制模块200包括在光路上依次连接的脉冲预放子模块210、啁啾管理子模块220、自相似主放子模块230和脉冲压缩子模块240，产生高功率飞秒光学频率梳光源；其中，（a）脉冲预放子模块210包括光纤隔离器211、半导体激光器212、波分复用器213以及掺镱增益光纤214，能够将激光器种子源100输出脉冲的功率放大到瓦量级；（b）啁啾管理子模块220可控制产生正啁啾或负啁啾脉冲，包括全反镜221、全反镜222、光栅对223以及全反镜224；（c）自相似主放子模块230能够工作在自相似啁啾脉冲放大模式，包括空间隔离器231、掺镱大模场光子晶体光纤232、双色镜233以及泵浦源234；（d）脉冲压缩子模块240能够对放大后的脉冲进行压缩，包括全反镜241、全反镜242、光栅对243、全反镜244以及部分反射部分透射镜245；
重复频率锁定模块300能够产生信号驱动激光器种子源中的压电陶瓷，将飞秒光学频率梳的重复频率精确锁定，包括部分反射镜301、全反镜302、光电探测器303、混频器304、频率标准源305以及误差信号处理模块306；
载波包络相位零频信号测量模块400基于非共线自参考结构，包括耦合透镜401、光子晶体光纤402、耦合透镜403、双色镜404、BBO倍频晶体405、全反镜406、双色镜407以及全反镜408；
载波包络相位零频锁定模块500包括全反镜501、全反镜502、全反镜503、光电倍增管504、滤波电路模块505、放大及驱动模块506以及声光晶体移频器507。
（2）掺镱光纤激光器种子源100输出的飞秒脉冲，经过一个1030nm光纤隔离器211后通过波分复用器213进入掺镱增益光纤214进行功率预放大，波分复用器213的短波输入端连接一个中心波长在976nm半导体激光器212，放大后的脉冲进入啁啾管理子模块220在全反镜224的作用下往返经过光栅对223，脉冲宽度适度压缩，略带负色散，然后经过高功率空间隔离器231进入掺镱大模场光子晶体光纤232，在功率放大引入的非线性相移与光纤增益以及正色散等效应作用下，脉冲形状和光谱输出呈现抛物线形，基于强度相关的自相位调制克服增益窄化效应充分展宽光谱。自相似放大系统的泵浦源234采用反向泵浦方式空间耦合到掺镱大模场光子晶体光纤232，高功率空间隔离器231防止回返光损坏前级器件。自相似放大系统输出的高功率脉冲在放大中引入正色散，经过脉冲压缩子模块240在全反镜244作用下往返经过光栅对243补偿色散，压缩得到平均功率100W，光谱宽度达100nm，脉冲宽度100fs以下的高功率超短飞秒脉冲，然后经全反镜242和部分反射部分透射镜245输出。
压缩得到的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：
a.毫瓦量级部分激光进入重复频率锁定模块300，经过光电探测器303将脉冲光信号转换为电信号，然后通过混频器304与频率标准源305输出的参考信号拍频得到重复频率误差信号，再经过误差信号处理模块306转换为驱动信号作用在激光器种子源100中的压电陶瓷101上，锁定重复频率；
b.瓦量级部分激光进入基于非共线自参考结构的载波包络相位零频信号测量模块400，经过耦合透镜401超短飞秒脉冲注入光子晶体光纤402产生超过一个倍频程600nm-1200nm的超连续光谱，然后经过双色镜404分光，短波段600nm激光反射依次经过全反镜408、双色镜407，长波段1200nm激光透射经过BBO倍频晶体405产生600nm激光与另一路600nm激光空间上重合一起输出到载波包络相位零频锁定模块500中的光电倍增管504，拍频产生高信噪比的载波包络相位零频信号，然后经过滤波电路模块505和放大及驱动模块506得到幅度适当的载波包络相位零频信号，作为调制驱动频率加载在声光晶体移频器507的驱动端上；
c.剩余部分经衰减输入到声光晶体移频器507，根据声光晶体移频原理，声光晶体移频器507的一级衍射光将会获得驱动频率的频移量，此时超短飞秒脉冲的载波包络相位及噪声巧妙抵消，获得载波包络相位锁定的飞秒脉冲，由于重复频率得到稳定，声光晶体移频器507一级衍射角输出的即为高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
实施例3：如图1、3所示，本实施例具体涉及一种基于光栅对预啁啾的反向泵浦自相似放大和共线结构的高功率超短脉冲光学频率梳方法，该方法包括如下步骤：
（1）将激光器种子源100依次连接脉冲放大及控制模块200以及载波包络相位零频锁定模块500；同时脉冲放大及控制模块200的输出端通过重复频率锁定模块300与激光器种子源100连接形成后向闭环腔，脉冲放大及控制模块200的输出端通过载波包络相位零频信号测量模块400与载波包络相位零频锁定模块500连接形成前向闭环腔，其中：
激光器种子源100为掺镱光纤激光器种子源；
脉冲放大及控制模块200包括在光路上依次连接的脉冲预放子模块210、啁啾管理子模块220、自相似主放子模块230和脉冲压缩子模块240，产生高功率飞秒光学频率梳光源；其中，（a）脉冲预放子模块210包括光纤隔离器211、半导体激光器212、波分复用器213以及掺镱增益光纤214，能够将激光器种子源100输出脉冲的功率放大到瓦量级；（b）啁啾管理子模块220可控制产生正啁啾或负啁啾脉冲，包括全反镜221、全反镜222、光栅对223以及全反镜224；（c）自相似主放子模块230能够工作在自相似啁啾脉冲放大模式，包括空间隔离器231、掺镱大模场光子晶体光纤232、双色镜233以及泵浦源234；（d）脉冲压缩子模块240能够对放大后的脉冲进行压缩，包括全反镜241、全反镜242、光栅对243、全反镜244以及部分反射部分透射镜245；
重复频率锁定模块300能够产生信号驱动激光器种子源中的压电陶瓷，将飞秒光学频率梳的重复频率精确锁定，包括部分反射镜301、全反镜302、光电探测器303、混频器304、频率标准源305以及误差信号处理模块306；
载波包络相位零频信号测量模块400基于共线结构，包括耦合透镜401、光子晶体光纤402、耦合透镜403、周期性极化氧化镁铌酸锂晶体409、全反镜406以及带通滤波片410；
载波包络相位零频锁定模块500包括全反镜501、全反镜502、全反镜503、光电倍增管504、滤波电路模块505、放大及驱动模块506以及声光晶体移频器507。
（2）掺镱光纤激光器种子源100输出的飞秒脉冲，经过一个1030nm光纤隔离器211后通过波分复用器213进入掺镱增益光纤214进行功率预放大，波分复用器213的短波输入端连接一个中心波长在976nm半导体激光器212，放大后的脉冲进入啁啾管理子模块220在全反镜224的作用下往返经过光栅对223，脉冲宽度适度压缩，略带负色散，然后经过高功率空间隔离器231进入掺镱大模场光子晶体光纤232，在功率放大引入的非线性相移与光纤增益以及正色散等效应作用下，脉冲形状和光谱输出呈现抛物线形，基于强度相关的自相位调制克服增益窄化效应充分展宽光谱；自相似放大系统的泵浦源234采用反向泵浦方式空间耦合到掺镱大模场光子晶体光纤232，高功率空间隔离器231防止回返光损坏前级器件。自相似放大系统输出的高功率脉冲在放大中引入正色散，经过脉冲压缩子模块240在全反镜244作用下往返经过光栅对243补偿色散，压缩得到平均功率100W，光谱宽度达100nm，脉冲宽度100fs以下的高功率超短飞秒脉冲，然后经全反镜242和部分反射部分透射镜245输出；压缩得到的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：
a.毫瓦量级部分激光进入重复频率锁定模块300，经过光电探测器303将脉冲光信号转换为电信号，然后通过混频器304与频率标准源305输出的参考信号拍频得到重复频率误差信号，再经过误差信号处理模块306转换为驱动信号作用在激光器种子源100中的压电陶瓷101上，锁定重复频率；
b.瓦量级部分激光进入基于共线结构的载波包络相位零频信号测量模块400，经过耦合透镜401超短飞秒脉冲注入光子晶体光纤402产生超过一个倍频程600nm-1200nm的超连续光谱，然后将超连续光谱一起耦合注入一块高非线性系数的周期性极化氧化镁铌酸锂晶体（PP-MgO:LN）409中，在非线性倍频作用下产生包含载波包络相位零频的拍频信号，再经过带通滤波片410输出到载波包络相位零频锁定模块500中的光电倍增管504，产生高信噪比的载波包络相位零频信号，然后经过滤波电路模块505和放大及驱动模块506得到幅度适当的载波包络相位零频信号，作为调制驱动频率加载在声光晶体移频器507的驱动端上；
c.剩余部分经衰减输入到声光晶体移频器507，根据声光晶体移频原理，声光晶体移频器507的一级衍射光将会获得驱动频率的频移量，此时超短飞秒脉冲的载波包络相位及噪声巧妙抵消，获得载波包络相位锁定的飞秒脉冲，由于重复频率得到稳定，声光晶体移频器507一级衍射角输出的即为高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
实施例4：如图1、4所示，本实施例具体涉及一种基于光栅对预啁啾的双向泵浦自相似放大和非共线自参考结构的高功率超短脉冲光学频率梳方法，该方法包括如下步骤：
（1）将激光器种子源100依次连接脉冲放大及控制模块200以及载波包络相位零频锁定模块500；同时脉冲放大及控制模块200的输出端通过重复频率锁定模块300与激光器种子源100连接形成后向闭环腔，脉冲放大及控制模块200的输出端通过载波包络相位零频信号测量模块400与载波包络相位零频锁定模块500连接形成前向闭环腔，其中：
激光器种子源100为掺镱光纤激光器种子源；
脉冲放大及控制模块200包括在光路上依次连接的脉冲预放子模块210、啁啾管理子模块220、自相似主放子模块230和脉冲压缩子模块240，产生高功率飞秒光学频率梳光源；其中，（a）脉冲预放子模块210包括光纤隔离器211、半导体激光器212、波分复用器213以及掺镱增益光纤214，能够将激光器种子源100输出脉冲的功率放大到瓦量级；（b）啁啾管理子模块220可控制产生正啁啾或负啁啾脉冲，包括全反镜221、全反镜222、光栅对223以及全反镜224；（c）自相似主放子模块230能够工作在自相似啁啾脉冲放大模式，包括空间隔离器231、双色镜237、泵浦源238、掺镱大模场光子晶体光纤232、双色镜235以及泵浦源236；（d）脉冲压缩子模块240能够对放大后的脉冲进行压缩，包括全反镜241、全反镜242、光栅对243、全反镜244以及部分反射部分透射镜245；
重复频率锁定模块300能够产生信号驱动激光器种子源中的压电陶瓷，将飞秒光学频率梳的重复频率精确锁定，包括部分反射镜301、全反镜302、光电探测器303、混频器304、频率标准源305以及误差信号处理模块306；
载波包络相位零频信号测量模块400基于非共线自参考结构，包括耦合透镜401、光子晶体光纤402、耦合透镜403、双色镜404、BBO倍频晶体405、全反镜406、双色镜407以及全反镜408；
载波包络相位零频锁定模块500包括全反镜501、全反镜502、全反镜503、光电倍增管504、滤波电路模块505、放大及驱动模块506以及声光晶体移频器507。
（2）掺镱光纤激光器种子源100输出的飞秒脉冲，经过一个1030nm光纤隔离器211后通过波分复用器213进入掺镱增益光纤214进行功率预放大，波分复用器213的短波输入端连接一个中心波长在976nm半导体激光器212，放大后的脉冲进入啁啾管理子模块220在全反镜224的作用下往返经过光栅对223，脉冲宽度适度压缩，略带负色散，然后经过高功率空间隔离器231和双色镜237进入掺镱大模场光子晶体光纤232，在功率放大引入的非线性相移与光纤增益以及正色散等效应作用下，脉冲形状和光谱输出呈现抛物线形，基于强度相关的自相位调制克服增益窄化效应充分展宽光谱。自相似放大系统的泵浦源238和泵浦源236采用双向泵浦方式空间耦合到掺镱大模场光子晶体光纤232，高功率空间隔离器231防止回返光损坏前级器件。自相似放大系统输出的高功率脉冲在放大中引入正色散，经过脉冲压缩子模块240在全反镜244作用下往返经过光栅对243补偿色散，压缩得到平均功率100W，光谱宽度达100nm，脉冲宽度100fs以下的高功率超短飞秒脉冲，然后经全反镜242和部分反射部分透射镜245输出，压缩得到的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：
a.毫瓦量级部分激光进入重复频率锁定模块300，经过光电探测器303将脉冲光信号转换为电信号，然后通过混频器304与频率标准源305输出的参考信号拍频得到重复频率误差信号，再经过误差信号处理模块306转换为驱动信号作用在激光器种子源100中的压电陶瓷101上，锁定重复频率；
b.瓦量级部分激光进入基于非共线自参考结构的载波包络相位零频信号测量模块400，经过耦合透镜401超短飞秒脉冲注入光子晶体光纤402产生超过一个倍频程600nm-1200nm的超连续光谱，然后经过双色镜404分光，短波段600nm激光反射依次经过全反镜408、双色镜407，长波段1200nm激光透射经过BBO倍频晶体405产生600nm激光与另一路600nm激光空间上重合一起输出到载波包络相位零频锁定模块500中的光电倍增管504，拍频产生高信噪比的载波包络相位零频信号，然后经过滤波电路模块505和放大及驱动模块506得到幅度适当的载波包络相位零频信号，作为调制驱动频率加载在声光晶体移频器507的驱动端上；
c.剩余部分经衰减输入到声光晶体移频器507，根据声光晶体移频原理，声光晶体移频器507的一级衍射光将会获得驱动频率的频移量，此时超短飞秒脉冲的载波包络相位及噪声巧妙抵消，获得载波包络相位锁定的飞秒脉冲，由于重复频率得到稳定，声光晶体移频器507一级衍射角输出的即为高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
实施例5：如图1、5所示，本实施例具体涉及一种基于棱镜对预啁啾的双向泵浦自相似放大和非共线自参考结构的高功率超短脉冲光学频率梳方法，该方法包括如下步骤：
（1）将激光器种子源100依次连接脉冲放大及控制模块200以及载波包络相位零频锁定模块500；同时脉冲放大及控制模块200的输出端通过重复频率锁定模块300与激光器种子源100连接形成后向闭环腔，脉冲放大及控制模块200的输出端通过载波包络相位零频信号测量模块400与载波包络相位零频锁定模块500连接形成前向闭环腔，其中：
激光器种子源100为掺镱光纤激光器种子源；
脉冲放大及控制模块200包括在光路上依次连接的脉冲预放子模块210、啁啾管理子模块220、自相似主放子模块230和脉冲压缩子模块240，产生高功率飞秒光学频率梳光源；其中，（a）脉冲预放子模块210包括光纤隔离器211、半导体激光器212、波分复用器213以及掺镱增益光纤214，能够将激光器种子源100输出脉冲的功率放大到瓦量级；（b）啁啾管理子模块220可控制产生正啁啾或负啁啾脉冲，包括全反镜221、全反镜222、全反镜224以及棱镜对225；（c）自相似主放子模块230能够工作在自相似啁啾脉冲放大模式，包括空间隔离器231、双色镜237、泵浦源238、掺镱大模场光子晶体光纤232、双色镜235以及泵浦源236；（d）脉冲压缩子模块240能够对放大后的脉冲进行压缩，包括全反镜241、全反镜242、光栅对243、全反镜244以及部分反射部分透射镜245；
重复频率锁定模块300能够产生信号驱动激光器种子源中的压电陶瓷，将飞秒光学频率梳的重复频率精确锁定，包括部分反射镜301、全反镜302、光电探测器303、混频器304、频率标准源305以及误差信号处理模块306；
载波包络相位零频信号测量模块400基于非共线自参考结构，包括耦合透镜401、光子晶体光纤402、耦合透镜403、双色镜404、BBO倍频晶体405、全反镜406、双色镜407以及全反镜408；
载波包络相位零频锁定模块500包括全反镜501、全反镜502、全反镜503、光电倍增管504、滤波电路模块505、放大及驱动模块506以及声光晶体移频器507；
（2）掺镱光纤激光器种子源100输出的飞秒脉冲，经过一个1030nm光纤隔离器211后通过波分复用器213进入掺镱增益光纤214进行功率预放大，波分复用器213的短波输入端连接一个中心波长在976nm半导体激光器212，放大后的脉冲进入啁啾管理子模块220在全反镜224的作用下往返经过棱镜对225，脉冲宽度适度压缩，略带负色散，然后经过高功率空间隔离器231和双色镜237进入掺镱大模场光子晶体光纤232，在功率放大引入的非线性相移与光纤增益以及正色散等效应作用下，脉冲形状和光谱输出呈现抛物线形，基于强度相关的自相位调制克服增益窄化效应充分展宽光谱。自相似放大系统的泵浦源238和泵浦源236采用双向泵浦方式空间耦合到掺镱大模场光子晶体光纤232，高功率空间隔离器231防止回返光损坏前级器件。自相似放大系统输出的高功率脉冲在放大中引入正色散，经过脉冲压缩子模块240在全反镜244作用下往返经过光栅对243补偿色散，压缩得到平均功率100W，光谱宽度达100nm，脉冲宽度100fs以下的高功率超短飞秒脉冲，然后经全反镜242和部分反射部分透射镜245输出。
压缩得到的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：
a.毫瓦量级部分激光进入重复频率锁定模块300，经过光电探测器303将脉冲光信号转换为电信号，然后通过混频器304与频率标准源305输出的参考信号拍频得到重复频率误差信号，再经过误差信号处理模块306转换为驱动信号作用在激光器种子源100中的压电陶瓷101上，锁定重复频率；
b.瓦量级部分激光进入基于非共线自参考结构的载波包络相位零频信号测量模块400，经过耦合透镜401超短飞秒脉冲注入光子晶体光纤402产生超过一个倍频程600nm-1200nm的超连续光谱，然后经过双色镜404分光，短波段600nm激光反射依次经过全反镜408、双色镜407，长波段1200nm激光透射经过BBO倍频晶体405产生600nm激光与另一路600nm激光空间上重合一起输出到载波包络相位零频锁定模块500中的光电倍增管504，拍频产生高信噪比的载波包络相位零频信号，然后经过滤波电路模块505和放大及驱动模块506得到幅度适当的载波包络相位零频信号，作为调制驱动频率加载在声光晶体移频器507的驱动端上；
c.剩余部分经衰减输入到声光晶体移频器507，根据声光晶体移频原理，声光晶体移频器507的一级衍射光将会获得驱动频率的频移量，此时超短飞秒脉冲的载波包络相位及噪声巧妙抵消，获得载波包络相位锁定的飞秒脉冲，由于重复频率得到稳定，声光晶体移频器507一级衍射角输出的即为高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
Claims (7)
1.一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述产生方法包括如下步骤：将激光器种子源、脉冲放大及控制模块以及载波包络相位零频锁定模块三者依次连接；利用所述激光器种子源产生飞秒量级激光脉冲进入所述脉冲放大及控制模块中，所述脉冲放大及控制模块由在光路上依次连接的脉冲预放子模块、啁啾管理子模块、自相似主放子模块以及脉冲压缩子模块组成，其中，所述脉冲预放子模块将脉冲平均功率放大到瓦量级，然后通过所述啁啾管理子模块调整脉冲的啁啾量，脉冲接着进入所述自相似主放子模块进行功率放大、脉冲演变以及光谱展宽，放大后的脉冲再通过所述脉冲压缩子模块补偿色散，将脉冲宽度压缩到最窄，压缩后获得的高功率超短飞秒脉冲分为三部分：（1）一部分通过与所述脉冲放大及控制模块输出端相连的重复频率锁定模块转化为电信号反馈锁定所述激光器种子源的重复频率；（2）一部分通过与所述脉冲放大及控制模块输出端相连的载波包络相位零频信号测量模块产生高信噪比的载波包络相位零频信号，经过电信号处理作为前向反馈信号作用在所述载波包络相位零频锁定模块中的声光晶体移频器上；（3）最后一部分进入所述载波包络相位零频锁定模块通过所述声光晶体移频器输出高精度锁定的高功率飞秒光学频率梳。
2.根据权利要求1所述的一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述脉冲预放子模块由光纤隔离器、波分复用器、光纤泵浦源和增益光纤组成，所述光纤隔离器、波分复用器以及增益光纤在光路上依次连接，所述光纤泵浦源连接所述波分复用器的短波输入端，其中，所述增益光纤为单模光纤、多模光纤、双包层光纤或大模场光子晶体光纤中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述啁啾管理子模块和所述脉冲压缩子模块均由基于光栅对或者棱镜对的色散补偿装置构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述自相似主放子模块由基于大模场光子晶体光纤的放大装置组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述重复频率锁定模块包括光电探测器、频率标准源、混频器以及误差信号处理模块，所述光电探测器、所述混频器以及所述误差信号处理模块依次连接，所述频率标准源同所述混频器连接；所述重复频率锁定模块产生信号驱动所述激光器种子源中的压电陶瓷以将其重复频率锁定。
6.根据权利要求1所述的一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述载波包络相位零频信号测量模块由基于光子晶体光纤的共线或非共线拍频结构组成。
7.根据权利要求1所述的一种基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法，其特征在于所述载波包络相位零频锁定模块由基于声光晶体移频器的载波包络相位零频控制装置组成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610001490.6A CN105428987B (zh) | 2016-01-05 | 2016-01-05 | 基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610001490.6A CN105428987B (zh) | 2016-01-05 | 2016-01-05 | 基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105428987A CN105428987A (zh) | 2016-03-23 |
| CN105428987B true CN105428987B (zh) | 2018-09-28 |
Family
ID=55507006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610001490.6A Active CN105428987B (zh) | 2016-01-05 | 2016-01-05 | 基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105428987B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105914573A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-08-31 | 哈尔滨工业大学 | 内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法与装置 |
| CN105896263A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-08-24 | 哈尔滨工业大学 | F-p腔并联移频和外色散补偿双频梳生成方法与装置 |
| CN105932528A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-09-07 | 哈尔滨工业大学 | 外色散补偿四镜环形腔和并联移频双频梳生成方法与装置 |
| CN105914574A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-08-31 | 哈尔滨工业大学 | 串联移频和三镜环形腔内色散补偿双频梳生成方法与装置 |
| CN105932527A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-09-07 | 哈尔滨工业大学 | 并联移频和外色散补偿三镜环形腔双频梳生成方法与装置 |
| CN105742953A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-07-06 | 上海朗研光电科技有限公司 | 一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置与方法 |
| CN109211414B (zh) * | 2018-07-13 | 2020-10-16 | 华东师范大学 | 超高精度光频测试仪及其测试方法 |
| CN111180990B (zh) * | 2020-02-24 | 2021-01-15 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种光学频率梳自动锁模控制方法及控制系统 |
| CN111624169A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-04 | 华东师范大学 | 基于外差探测的紫外双光梳吸收光谱测量的装置及方法 |
| CN111722450A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-29 | 华东师范大学 | 一种中红外光学频率梳的产生方法 |
| CN113488833B (zh) * | 2021-07-07 | 2022-08-19 | 北京交通大学 | 平坦光频率梳生成装置及方法 |
| CN117031856A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-11-10 | 上海频准激光科技有限公司 | 光学脉冲输出序列的控制装置及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202977957U (zh) * | 2012-11-16 | 2013-06-05 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种前向反馈式放大系统 |
| CN203011826U (zh) * | 2012-11-14 | 2013-06-19 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种新型高精密度快速痕量分析装置 |
| CN103904546A (zh) * | 2014-04-03 | 2014-07-02 | 上海朗研光电科技有限公司 | 高精度光纤光学频率梳的测控方法及装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001076026A1 (en) * | 2000-03-30 | 2001-10-11 | National Institute Of Standards And Technology ('nist') | Mode-locked pulsed laser system and method |
| WO2013155243A1 (en) * | 2012-04-11 | 2013-10-17 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Stabilization of an injection locked harmonically mode-locked laser via polarization spectroscopy for frequency comb generation |
| US9490605B2 (en) * | 2013-04-22 | 2016-11-08 | Cornell University | Parametric comb generation via nonlinear wave mixing in high-Q optical resonator coupled to built-in laser resonator |
-
2016
- 2016-01-05 CN CN201610001490.6A patent/CN105428987B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203011826U (zh) * | 2012-11-14 | 2013-06-19 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种新型高精密度快速痕量分析装置 |
| CN202977957U (zh) * | 2012-11-16 | 2013-06-05 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种前向反馈式放大系统 |
| CN103904546A (zh) * | 2014-04-03 | 2014-07-02 | 上海朗研光电科技有限公司 | 高精度光纤光学频率梳的测控方法及装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "掺镱光纤光学频率梳产生及高功率放大技术研究";赵健;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20151031;I135-11 * |
| "高重复频率超短脉冲放大及相位噪声抑制的研究";闫明;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20130331;I135-3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105428987A (zh) | 2016-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105428987B (zh) | 基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳产生方法 | |
| CN105470800B (zh) | 基于自相似放大器的高功率超短脉冲光学频率梳装置 | |
| CN103633537B (zh) | 一种载波包络相移频率可控的低噪声光纤激光频率梳装置 | |
| US4635263A (en) | Soliton laser | |
| CN100452569C (zh) | 光学参量啁啾脉冲放大激光系统 | |
| CN101764346B (zh) | 高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法 | |
| JPH10213827A (ja) | 高出力光パルスの発生装置および発生方法 | |
| CN106229805B (zh) | 基于微环谐振腔的多倍重频速率锁模激光器 | |
| CN105244744B (zh) | 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 | |
| CN101741000B (zh) | 以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器 | |
| CN104950546B (zh) | 一种利用参量转换技术产生中波红外激光输出的方法 | |
| CN103995413A (zh) | 一种掺镱全光纤光学频率梳系统 | |
| CN107302179B (zh) | 一种结构紧凑的全光纤亚百飞秒超短脉冲产生装置 | |
| CN109656078A (zh) | 一种能量-时间纠缠双光子产生方法 | |
| CN108365513A (zh) | 一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置及方法 | |
| CN106025779A (zh) | 一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统 | |
| CN108767637A (zh) | 基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器 | |
| CN109904715A (zh) | 一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器 | |
| CN111721732B (zh) | 基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法 | |
| CN103825176A (zh) | 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 | |
| CN103337779A (zh) | 光纤泵浦的中红外气体激光器 | |
| CN108879302B (zh) | 一种基于光参量振荡的光频率梳产生器 | |
| CN202977957U (zh) | 一种前向反馈式放大系统 | |
| CN102570254A (zh) | 带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器 | |
| CN110492345B (zh) | 一种波长可调谐非线性镜锁模激光器及工作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210803 Address after: 401120 No.2 Huizhu Road, Yubei District, Chongqing Patentee after: Chongqing Research Institute of East China Normal University Address before: 200062 No. 3663, Putuo District, Shanghai, Zhongshan North Road Patentee before: EAST CHINA NORMAL University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230515 Address after: 401120 No. 2, Floor 2, Building 1, No. 2, Huizhu Road, Yubei District, Chongqing Patentee after: Chongqing Huapu Information Technology Co.,Ltd. Address before: 401120 No.2 Huizhu Road, Yubei District, Chongqing Patentee before: Chongqing Research Institute of East China Normal University |
|
| TR01 | Transfer of patent right |