CN105487222B - 基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，低真空腔室内固定有无源光学谐振腔，且安装有进气阀和抽气阀，抽气阀连通机械泵；无源光学谐振腔内固定有两个平面半透镜和两个凹面反射镜，其中一个凹面反射镜的背面装有压电陶瓷；压电陶瓷在驱动信号的驱动下改变无源光学谐振腔的长度；飞秒脉冲激光经过无源光学谐振腔，由光电探测器采集得到透射信号，透射信号通过示波器显示，并输入信号采集和处理模块，驱动阀门控制器，进而控制进气阀、抽气阀开闭和机械泵工作。本发明能够通过动态调节气压来自动控制无源光学谐振腔的腔内色散。

Description

基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统

技术领域

本发明属于飞秒无源光学谐振腔技术领域，具体涉及到一种基于气压调节的低真空无源光学谐振腔色散自动补偿系统。

背景技术

无源光学谐振腔在激光技术领域有着广泛的应用。其一，用于产生高次谐波的腔增强技术是利用光束在无源光学谐振腔内干涉增强的效应，将腔内的能量放大，从而大大地提高腔内非线性效应的转化效率；另外，在激光噪声滤除方面，无源光学谐振腔相当于一个光学的低通滤波器，能够有效地过滤激光的强度和相位噪声。

随着超短脉冲激光技术的日益成熟，无源光学谐振腔的应用也从连续光领域拓展到飞秒脉冲光领域。值得注意的是，应用于飞秒脉冲激光的无源光学谐振腔需要考虑腔内色散对其共振光谱带宽的影响。由于飞秒脉冲激光具有很多的频谱成分，色散的影响使得飞秒脉冲激光很难在整个光谱范围内同时共振。

由此可见，无源光学谐振腔应用于飞秒脉冲激光的相关实验研究中，无源光学谐振腔内色散的控制是非常重要的。目前，控制无源光学谐振腔内色散一般有两种方法，一是使用一个或多个啁啾镜作为无源光学谐振腔的腔镜，用以补偿其他光学器件和空气引入的色散。但是每个啁啾镜的色散系数相对固定，也就是不能对腔内色散进行比较精细地补偿。另一种是采用零色散镀膜的腔镜配合调节腔内气压的方式，这种方法的优点在于可以比较精确地控制腔内色散，从而获得理想的透射光谱。但是手动调节气压的步骤比较复杂，如果能实现腔内真空度的自动控制，将会给无源光学谐振腔长期稳定地工作提供保障。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，能够通过动态调节气压来自动控制无源光学谐振腔的腔内色散。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括飞秒脉冲激光器、低真空腔室、压电陶瓷、光电探测器、信号采集和处理模块、进气阀、抽气阀和机械泵。

所述的低真空腔室为密闭腔体，内部固定有无源光学谐振腔，低真空腔室上安装有进气阀和抽气阀，且抽气阀连通机械泵；所述的无源光学谐振腔为环形腔结构，无源光学谐振腔内固定有两个平面半透镜和两个凹面反射镜，其中一个凹面反射镜的背面装有压电陶瓷；所述的压电陶瓷在驱动信号的驱动下作动，线性地改变无源光学谐振腔的长度；所述飞秒脉冲激光器产生的飞秒脉冲激光经过无源光学谐振腔中的平面半透镜和凹面反射镜，由光电探测器采集得到透射信号，透射信号通过示波器显示，并输入信号采集和处理模块，信号采集和处理模块根据透射信号驱动阀门控制器，进而控制进气阀、抽气阀开闭和机械泵工作。

所述的信号采集和处理模块控制开启动机械泵和抽气阀，减小低真空腔室内气压，若透射信号的透射主峰对应的电压值提高，则继续抽气；如果透射主峰对应的电压值降低，则关闭机械泵和抽气阀，开启进气阀门，提高低真空腔室内气压；重复本步骤，直至透射光强达到最大。

所述的飞秒脉冲激光器采用钛宝石锁模激光器，中心波长815nm，带宽6nm，重复频率75MHz。

所述压电陶瓷的驱动信号为三角波信号，频率5Hz，幅度变化范围0-500V。

所述光电探测器的响应波长为400nm-1000nm，增益可调为0dB-70dB。

本发明的有益效果是：色散控制的效果比单纯使用啁啾镜要好，因为气压值可以精细调节；省去了手动开关阀门的步骤，控制系统能自动寻找最佳气压值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2(a)没有色散补偿的透射信号图；附图2(b)为色散补偿达到最佳的透射信号图。

图3为真空度自动控制部分逻辑框图。

图4为典型低色散镜片的群速度色散随波长变化曲线图。

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。

本发明设计了一套通过动态调节气压来自动控制无源光学谐振腔内色散的系统。整套系统主要包括光学和真空控制两部分。

光学部分主要是由中心波长815nm，带宽6nm，重复频率75MHz的飞秒脉冲激光器以及无源光学谐振腔组成；真空控制系统包括低真空腔室(气压调节范围10～100mbar)，数据采集和控制模块，阀门控制器，机械泵，电动抽气阀，电动进气阀等。部分未列出器件将在实例中详细说明。

本发明所采用的技术方案是：利用空气的色散值与气压大小相关的特性，通过调节腔内气压值来改变腔内的色散值。当飞秒脉冲激光注入到放置于低真空腔室内的无源光学谐振腔并在腔内共振时，开启机械泵和电动抽气阀，机械泵向外抽气，低真空腔室内气压减小。此时如果无源光学谐振腔透射峰对应的电压值比抽气之前高，则继续抽气；如果透射峰对应的电压值比抽气之前低，信号采集和处理模块向阀门控制器发送指令，关闭电动抽气阀，开启电动进气阀，空气进入低真空腔室，腔内气压升高。如此往复，直至透射峰对应的电压值达到最大。

如图1所示，本实施例中基于气压调节的低真空无源光学谐振腔内色散自动补偿系统由以下部件组成：

飞秒脉冲激光器1：飞秒脉冲激光器(钛宝石锁模激光器)，中心波长815nm，带宽6nm，重复频率75MHz；

低真空腔室2：从下往上分别由由殷钢底板，方形不锈钢腔体，有机玻璃盖三部分组成，殷钢底板与方形不锈钢腔体、方形不锈钢腔体与有机玻璃盖之间均采用O型氟橡胶圈和螺丝固定的方式来保证腔体的密封性。其中殷钢底板上有标准的光学螺丝孔，用以固定无源光学谐振腔的腔镜。实例中所用的光学无源腔是环形腔结构，如图1所示，脉冲激光进入光学无源腔后，先后分别经过两个平面镜和两个凹面镜，在靠近飞秒脉冲激光器一侧的凹面镜背面装有压电陶瓷(PZT)3；

压电陶瓷(PZT)3：在不同的电压驱动下PZT伸长量不同，可以线性地改变无源光学谐振腔的长度；

压电陶瓷驱动信号4：三角波信号，频率5Hz，幅度变化范围0-500V，施加在压电陶瓷(PZT)3上，用以产生相应周期的透射峰信号；

光电探测器5：响应波长400nm-1000nm，增益可调0dB-70dB；

示波器6：用以实时监测无源光学谐振腔的透射信号；

信号采集和处理模块7：接收光电探测器5的电压信号，判断是否需要继续抽气或者进气；

阀门控制器8：接收信号采集和处理模块7的信号，并发送指令控制电动进气阀9和抽气阀10的开关。

电动进气阀9：一端连接方形不锈钢腔体侧壁上的KF法兰接口，另一端连通空气，其开关连接阀门控制器8；

电动抽气阀10：一端连接方形不锈钢腔体侧壁上的KF法兰接口，另一端连接机械泵11，其开关连接阀门控制器8；

机械泵11：连接电动抽气阀10的一端，电动抽气阀10开启的同时机械泵11工作，低真空腔室内的气压减小。

所述的飞秒脉冲激光器1、低真空腔室2、光电探测器5位于同一光学平台上。飞秒脉冲激光器1发出飞秒脉冲激光，穿过方形不锈钢腔体侧壁上的石英玻璃窗片进入无源光学谐振腔，先后分别经过两个平面镜和两个凹面镜。从远离飞秒脉冲激光器一侧平面镜透射的飞秒脉冲激光穿过方形不锈钢腔体另一侧壁上的石英玻璃窗片进入光电探测器5，经过光电探测器5转换而来的电压信号分成两路，一路连接示波器6实时监视，另一路连接信号采集和处理模块7。经过处理后的信号传送给阀门控制器8，阀门控制器8将控制阀门开关的指令发送给电动进气阀9和电动抽气阀10。

要使飞秒脉冲激光器输出的多个纵模在无源光学谐振腔内同时共振，无源光学谐振腔的自由光谱区(FSR)必须是飞秒脉冲激光器重复频率(f_rep)的整数倍。实例中所用飞秒脉冲激光器的重复频率为75MHz，对应无源腔的长度大约为4m。

通过给腔镜上的压电陶瓷3加周期性的驱动信号4，使得无源光学谐振腔的自由光谱区(FSR)随之周期性变化。无源光学谐振腔的透射光信号经光电探测器5转换为电压信号，通过示波器6可以实时地监视光电探测器5的输出。

在腔共振状态下，无源光学谐振腔的自由光谱区(FSR)与飞秒脉冲激光器的重复频率(f_rep)相等，假设此时无源光学谐振腔的长度为L。但是由于无源光学谐振腔内色散的影响，在飞秒脉冲激光器中心频率附近的频率没有都在腔长L处共振，而是在相邻的自由光谱区(主峰左右两边的透射峰对应的腔长为L1和L2)共振，如图2(a)所示。由于腔长的偏移(大约一个中心波长)导致腔内循环的飞秒脉冲重合不好，主峰两边的透射峰高度低，半高宽较宽，同时色散的存在也导致透射峰具有不对称性。

此时开启机械泵11和抽气阀门10，机械泵11向外抽气，低真空腔室内气压减小。同时信号采集和处理模块7接收光电探测器5的输出信号，如果此时透射主峰对应的电压值比抽气之前高，则继续抽气；如果透射主峰对应的电压值比抽气之前低，信号采集和处理模块7向阀门控制器8发送指令，关掉阀门10，开启进气阀门9。这样空气进入低真空腔室，腔内气压升高。如此往复，直至透射光强达到最大。

当色散补偿达到最佳时，透射信号如图2(b)所示。飞秒脉冲的大部分频率在腔长L处共振，所以透射主峰会变高，同时主峰左右两侧的透射峰的高度会变低而且等高。

本发明所采用的工作原理如下所述：

飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲进入无源光学谐振腔后，在腔内循环一周所积累的相移函数可以表示为：

其中ω为飞秒脉冲的频率，L为无源光学谐振腔的长度，c为光速。上式等号右边第一项为线性项，是由传输距离引入的相移；第二项则是附加相移，该项与频率ω是非线性的关系，主要来源是无源光学谐振腔内的色散。为了便于理解色散对无源光学谐振腔共振条件的影响，我们可以对在飞秒脉冲中心频率ω₀处进行泰勒展开到二阶项：

为相速度色散，为群速度色散(GDD)，以下主要讨论群速度色散的影响。当无源光学谐振腔内存在群速度色散时，也就是同时假设飞秒脉冲在中心频率ω₀处共振，那么由(2)式很容易得到飞秒脉冲在腔内循环一周的相移：

其中n＝0，1，2，3，...。由于群速度色散的存在，当飞秒脉冲的频率偏离中心频率ω₀时，相移函数也偏离共振条件。对于无源光学谐振腔而言，其光谱透射率函数T(ω)与无源光学谐振腔的精细度F和相移函数的关系可以表示为：

定义无源光学谐振腔透射光谱的半高全宽为Δω，即：

将(2)式代入(5)式中可得无源光学谐振腔内群速度色散与无源光学谐振腔透射光谱的半高全宽Δω以及精细度F的关系如下所示，

无源光学谐振腔内的群速度色散主要来源于两部分，腔镜镀膜带入的色散以及空气的色散。为了尽量减小色散，一般选用低色散镀膜的镜片。图4为典型低色散镀膜镜片的色散曲线。从图中可以看出低色散镀膜镜片的色散值在飞秒脉冲激光器中心波长815nm处是负值(GDD＜0)。空气作为一种常见的介质，其群速度色散值与气压值的大小是相关的，大约是21fs²/bar.m，因此可以通过调节腔内气压值来改变腔内空气的正色散值，用以补偿低色散镜片的负色散值，最终使得二者共同作用的群速度色散值最小化。当色散补偿到最佳时，透射光谱最宽。

透射光强其中I₀(ω)为进入无源光学谐振腔之前的光强。在无源光学谐振腔的精细度一定的情况下，减小腔内的群速度色散能够获得更宽的透射光谱带宽。从透射光强的角度来看，当色散补偿达到最佳时，透射光强会最大。

由上面的分析可知，色散补偿达到最佳时，无源光学谐振腔的透射峰的光强会达到最大值，基于这一判据标准的控制部分逻辑框图如图3所示。开启动机械泵11和电动抽气阀10，机械泵11向外抽气，腔内气压减小。如果此时透射主峰对应的电压值比抽气之前高，则继续抽气；如果透射主峰对应的电压值比抽气之前低，则关掉电动抽气阀10，开启电动进气阀门9，让空气进入低真空腔室，使腔内气压升高。如此往复，直至透射光强达到最大。

Claims (5)

1.一种基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，包括飞秒脉冲激光器、低真空腔室、压电陶瓷、光电探测器、信号采集和处理模块、进气阀、抽气阀和机械泵，其特征在于：所述的低真空腔室为密闭腔体，内部固定有无源光学谐振腔，低真空腔室上安装有进气阀和抽气阀，且抽气阀连通机械泵；所述的无源光学谐振腔为环形腔结构，无源光学谐振腔内固定有两个平面半透镜和两个凹面反射镜，其中一个凹面反射镜的背面装有压电陶瓷；所述的压电陶瓷在驱动信号的驱动下作动，线性地改变无源光学谐振腔的长度；所述飞秒脉冲激光器产生的飞秒脉冲激光经过无源光学谐振腔中的平面半透镜和凹面反射镜，由光电探测器采集得到透射信号，透射信号通过示波器显示，并输入信号采集和处理模块，信号采集和处理模块根据透射信号驱动阀门控制器，进而控制进气阀、抽气阀开闭和机械泵工作。

2.根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征在于：所述的信号采集和处理模块控制开启动机械泵和抽气阀，减小低真空腔室内气压，若透射信号的透射主峰对应的电压值提高，则继续抽气；如果透射主峰对应的电压值降低，则关闭机械泵和抽气阀，开启进气阀门，提高低真空腔室内气压；重复本步骤，直至透射光强达到最大。

3.根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征在于：所述的飞秒脉冲激光器采用钛宝石锁模激光器，中心波长815nm，带宽6nm，重复频率75MHz。

4.根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征在于：所述压电陶瓷的驱动信号为三角波信号，频率5Hz，幅度变化范围0-500V。

5.根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征在于：所述光电探测器的响应波长为400nm-1000nm，增益可调为0dB-70dB。