CN105514790A - 一种全固态光学频率梳系统 - Google Patents

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魏志义
于子蛟
韩海年
田文龙
张金伟
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    • 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
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Abstract

一种全固态光学频率梳系统，包括：光纤光源泵浦的全固态激光器，作为整个光学频率梳系统的光源；超连续光谱产生部分，其接收所述全固态激光器的输出光，并产生覆盖一个倍频程的超连续光谱；f-2f部分，其接收所述超连续光谱产生部分的输出光，并产生载波包络相移频率信号；和电路反馈系统，用于将f-2f部分产生的所述载波包括相移频率信号反馈给所述全固态激光器。该全固态光学频率梳系统兼备了成本低和相位噪声低的优点，同时还具有脉冲脉宽短、超连续光谱相干性好、结构灵活等特点，是一种极具发展潜力的新型的光学频率梳。

Description

一种全固态光学频率梳系统
技术领域
本发明属于光学频率梳领域，尤其涉及一种基于光纤光源的全固态光学频率梳系统。
背景技术
自上世纪九十年代末自参考光学频率梳诞生以来，时频测量领域发生了革命性的变化，现如今，高精度的光学频率梳已广泛应用到分子光谱学、天文光谱学、阿秒光学等众多领域。广泛的应用需求反过来也促进了不同种类的光学频率梳的发展。其中，基于固态泵源泵浦的钛宝石光学频率梳的发展时间最早，性能最为优良，技术也最为成熟。然而其固态泵源成本较高，体积较大，这极大限制了钛宝石光学频率梳的广泛应用。最近十年，光纤光学频率梳凭借长期稳定性好、可靠性高等优势也受到了广泛关注，然而其自身较大的相位噪声制约了它们在低噪声测量领域的应用。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种全固态光学频率梳系统，包括：
光纤光源泵浦的全固态激光器，作为整个光学频率梳系统的光源；
超连续光谱产生部分，其接收所述全固态激光器的输出光，并产生覆盖一个倍频程的超连续光谱；
f-2f部分，其接收所述超连续光谱产生部分的输出光，并产生载波包络相移频率信号；和
电路反馈系统，用于将f-2f部分产生的所述载波包括相移频率信号反馈给所述全固态激光器。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述光纤光源为976nm的光纤激光器，所述全固态激光器的激光增益介质为Yb3+：CaYAlO4。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述全固态激光器的激光增益介质为掺钛蓝宝石或者掺铬的镁橄榄石，所述光纤光源的输出波长在全固态激光器的激光增益介质的吸收光谱范围之内。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述全固态激光器的激光增益介质为块状。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述超连续光谱产生部分包括高非线性光纤。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述高非线性光纤为光子晶体光纤、微结构光纤或熔融拉锥的单模光纤。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述f-2f部分为双路干涉仪结构或单路结构。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述双路干涉仪结构包括：
双色镜，用于将输入光束分成第一光束和第二光束；
倍频晶体，用于将所述第一光束进行倍频；
延时光路，用于将所述第二光束进行延时；
偏振分光镜，所述第一光束和所述第二光束在所述偏振分光镜处达到时间上的重合；
半波片和半波片之后的偏振分光镜，用于将重合的第一光束和第二光束进行合束拍频，从而产生载波包络相移频率信号。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述双路干涉仪结构还包括雪崩光电二极管，用于测量得到载波包络相移频率信号。
根据本发明的全固态光学频率梳系统，优选地，所述单路结构沿光的传播方向依次包括：双色镜、周期极化的铌酸锂晶体、半波片、偏振分光镜以及雪崩光电二极管。
本发明的全固态光学频率梳系统兼备了成本低和相位噪声低的优点，同时还具有脉冲脉宽短、超连续光谱相干性好、结构灵活等特点，是一种极具发展潜力的新型的光学频率梳。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明的实施例1的全固态光学频率梳系统的结构示意图；
图2为根据本发明的实施例1的超连续光谱图；
图3为根据本发明的实施例1的载波包络相移频率测量信号；
图4为根据本发明的实施例2的全固态光学频率梳系统的f-2f部分的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于光纤光源泵浦的全固态光学频率梳系统，其组成结构如图1所示，包括：
976nm光纤激光器泵浦的Yb3+：CaYAlO4(掺镱的铝酸钇钙)固态激光器01，其激光增益介质为块状，输出光的中心波长为1048nm，典型输出功率为250mW，输出光的脉冲宽度为57fs；
超连续光谱产生部分02，其接收固态激光器01的输出光，主要包括1.3m长的光子晶体光纤A，其零色散波长为975nm，纤芯直径为3.7微米，优选地包括光子晶体光纤A之前的聚焦透镜L1和其之后的准直透镜L2，固态激光器的输出光部分耦合到该光子晶体光纤中，产生超连续光谱，其中光谱覆盖了从700nm到1400nm的一个倍频程的范围，如图2所示；
f-2f部分03，其接收超连续光谱产生部分02的输出光，用于将超连续光谱的长波(900nm～1400nm)部分倍频及拍频产生载波包络相移频率信号，其主要包括：双色镜B，其对900nm～1400nm的长波长的光高透，对700nm～900nm的短波长的光高反，用于将输入光束分成长波的第一光束和短波的第二光束；偏硼酸钡(BBO)倍频晶体D，用于将长波的第一光束进行倍频；延时光路C，用于将短波的第二光束进行延时，以使得第一光束和第二光束在偏振分光镜F1处达到时间上的重合，在该实施例中，延时光路C采用沿光的传播方向依次放置的反射镜M1、M2、M3和M4；重合的第一光束和第二光束依次经过半波片E、偏振分光镜F2进行合束拍频，最终由雪崩光电二极管G测量得到载波包络相移频率信号，该信号的频谱图如图3所示，强度信噪比40dB，达到了反馈电路对信号强度的要求；
电路反馈系统04，用于将f-2f部分的输出信号反馈给固态激光器01的泵浦功率，从而实现对该全固态激光器的载波包络相移频率的锁定控制，最终得到光学频率梳。
该实施例实现了对固态激光器的载波包络相移频率的锁定控制，锁定时间长达4小时以上，控制精度(1秒阿伦方差)为5.6×10-18，时间抖动(1Hz到10MHz的积分相位噪声)为316mrad，而现有技术的类似参数的光学频率梳的长时间的控制精度(1秒阿伦方差)在1×10-16量级，时间抖动也均大于700mrad。可以看出，本发明的光学频率梳大大改善了控制精度和噪声特性。
实施例2
该实施例提供另一种基于光纤光源泵浦的全固态光学频率梳系统，其组成结构与实施例1的全固态光学频率梳系统的组成结构类似，不同之处在于其中的f-2f部分采用图4所示的单路结构，该结构沿光的传播方向依次包括：双色镜B、可选择的第一透镜L3、周期极化的铌酸锂晶体D、可选择的第二透镜L4、半波片E、偏振分光镜F2以及雪崩光电二极管G。用单光路结构产生载波包络相移的过程和双路结构比较类似，只不过此时双色镜B除了对长波长部分(有用成分是1400nm)有高的透过率外，还对短波长(有用成分是700nm)也有约5％的透过率，长波经过BBO晶体倍频后的成分和透过的短波成分再进行拍频，即可得到载波包络相移的信号。值得注意的是，在该实施例中，700nm的波长成分和1400nm的波长成分的在时间上的重合是通过调节固态激光器的腔内色散来实现的，具体地，通过微调固态激光器内晶片的俯仰和左右偏转来实现。
根据本发明的其他实施例，光纤光源泵浦的固态激光器的增益介质不局限于掺镱(Yb3+)离子的激光介质材料，也可以是掺钛(例如：掺钛蓝宝石)或者掺铬(例如：掺铬的镁橄榄石)等掺杂其他稀土元素的激光介质材料，但相对应的光纤光源的选择必须是其输出波长在激光介质材料吸收光谱范围之内。
根据本发明的其他实施例，所述超连续光谱产生部分采用高非线性光纤，例如微结构光纤或熔融拉锥的单模光纤。并且，本领域技术人员很容易理解，本发明的超连续光谱产生部分并不限于光纤结构，本领域公知的任何超连续光谱产生结构都可以被应用于本发明的全固态光学频率梳系统。
本领域技术人员能够理解，本发明对全固态光学频率梳系统的f-2f部分不作任何限定，本领域公知的任何f-2f结构都可以用于本发明的全固态光学频率梳系统。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种全固态光学频率梳系统，包括：
光纤光源泵浦的全固态激光器，作为整个光学频率梳系统的光源；
超连续光谱产生部分，其接收所述全固态激光器的输出光，并产生覆盖一个倍频程的超连续光谱；
f-2f部分，其接收所述超连续光谱产生部分的输出光，并产生载波包络相移频率信号；和
电路反馈系统，用于将f-2f部分产生的所述载波包括相移频率信号反馈给所述全固态激光器。
2.根据权利要求1所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述光纤光源为976nm的光纤激光器，所述全固态激光器的激光增益介质为Yb3+：CaYAlO4。
3.根据权利要求1所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述全固态激光器的激光增益介质为掺钛蓝宝石或者掺铬的镁橄榄石，所述光纤光源的输出波长在全固态激光器的激光增益介质的吸收光谱范围之内。
4.根据权利要求1-3所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述全固态激光器的激光增益介质为块状。
5.根据权利要求1所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述超连续光谱产生部分包括高非线性光纤。
6.根据权利要求5所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述高非线性光纤为光子晶体光纤、微结构光纤或熔融拉锥的单模光纤。
7.根据权利要求1所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述f-2f部分为双路干涉仪结构或单路结构。
8.根据权利要求7所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述双路干涉仪结构包括：
双色镜，用于将输入光束分成第一光束和第二光束；
倍频晶体，用于将所述第一光束进行倍频；
延时光路，用于将所述第二光束进行延时；
偏振分光镜，所述第一光束和所述第二光束在所述偏振分光镜处达到时间上的重合；
半波片和所述半波片之后的偏振分光镜，用于将重合的第一光束和第二光束进行合束拍频，从而产生载波包络相移频率信号。
9.根据权利要求8所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述双路干涉仪结构还包括：
雪崩光电二极管，用于测量得到载波包络相移频率信号。
10.根据权利要求7所述的全固态光学频率梳系统，其中，所述单路结构沿光的传播方向依次包括：双色镜、周期极化的铌酸锂晶体、半波片、偏振分光镜以及雪崩光电二极管。
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