CN106019763B - 一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，包括光学频率梳、连续激光器、拍频装置、移频装置、参考信号源、频率综合器和快速锁相环电路。其中所述光学频率梳可以保证系统长时间稳定运转，其重复频率和载波包络相移频率锁定在一个稳定的参考信号源上；连续激光器可以是外腔半导体激光器也可以连续的光纤激光器，用于将其锁定在精密的光学频率梳的某个梳齿上；移频装置和拍频装置的输入和输出端都是采用保偏光纤连接，用于辅助连续光与光学频率梳的完全重合的锁定。其结构紧凑小巧；拍频结构简单容易，信噪比高；锁定稳定性好、精度高；同时可以保证连续光与光学频率梳的某个梳齿完全重合，从而可以达到完全重合锁定。

Description

一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置
技术领域
本发明涉及超快激光精密测量领域，特别是涉及一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置。
背景技术
近年来随着光学频率梳技术的不断发展，光学频率梳在高精度分辨激光光谱学、基本物理常数的测量、光学原子钟、绝对距离测量、低噪声微波信号产生等诸多领域得到了广泛的应用。在这些广泛的应用当中，连续光与光学频率梳的锁定是必不可少技术。因此为了获得一种高性能地连续光与光学频率某个梳齿完全重合地锁定方法一直都受到人们的广泛关注。
传统实现连续光与光学频率梳的锁定的方法主要是直接利用连续光与光学频率梳拍频信号进行锁定。首先通过空间光路将两束光获得拍频信号，然后采用锁相环电路将拍频信号锁定在一个稳定的参考源中。这种方法的最大缺点在于连续光与光学频率梳的某个梳齿无法完成重合，而且由于空间结构的存在长期稳定性也不是很好，因此对于高性能连续光与光学频率梳某个梳齿完全重复的锁定研究成为精密光谱学中的研究热点。
传统方法锁定连续光与光学频率梳的主要缺点包括：
1、传统的方法对于连续光与光学频率梳的某个梳齿是有间隔的，无法达到完全重合。
2、空间光路对于空间物理抖动敏感、抗噪声能力差，严重影响锁定效果。
3、拍频调节难度大，而且拍频信号信噪比较较差，对于反馈伺服电路系统的响应要求高。
总之，传统技术在实现高性能连续光与光学频率梳完全重合锁定存在较大的难度。
发明内容
针对该领域中现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高性能的全光纤连续光与光学频率梳完全重复锁定装置。
为了实现上述任务，本发明采用以下的技术解决方案：
一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，包括光路结构和电路结构，其特征在于：
所述光路结构包括光学频率梳、连续激光器、拍频装置和移频装置；
所述连续激光器用于产生连续光，所述连续光传输至移频装置时，一级衍射光进入拍频装置，同时所述光学频率梳用于产生稳定的飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲传输在拍频装置中探测获得连续光与光学频率梳的拍频信号；
所述电路结构包括参考信号源、频率综合器和快速锁相环电路装置；其中：
参考信号源用于提供一个稳定的射频参考信号，将频率综合器与参考信号同步，使得频率综合器与参考信号源具有相同的频率稳定性。
频率综合器给移频装置提供移频电信号，同时为快速锁相环电路提供输入信号。在快速锁相环电路中，连续光与光学频率梳获得拍频信号与射频信号进行混频，得到的混频信号经放大直接输给连续激光器中的压电陶瓷或者电流，使得连续光与光学频率梳锁定。
根据本发明，作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置的一种优选方案，所述光学频率梳的输出脉冲激光的平均功率大于20mW，输出重复频率大于200MHz,输出光谱可以覆盖连续光的波长，输出激光的脉冲宽度在fs或者ps量级。
作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置的一种优选方案，所述光学频率梳包括飞秒激光振荡器，用于输出梳齿结构。所述飞秒激光振荡器可以是光纤激光振荡器，还可以是全固态激光振荡器。
作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置一种优选方案，所述光学频率梳还包括腔内色散控制装置可以是啁啾镜，也可以是光栅对，还可以是棱镜对或者光子晶体光纤。
作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置的一种优选方案，所述光学频率梳还包括腔内调制元件，用于锁定光学频率梳的载波包络相移频率，腔内调制元件可以是泵浦电流或者是声光调制器。
作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置的一种优选方案，所述光学频率梳还包括电路部分及重复频率和载波包络相移频率锁相环电路，用于将重复频率和载波包络相移频率锁定在一个稳定的射频源中。
作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置的一种优选方案，所述连续激光器是稳定的半导体激光器，或者是光纤激光器或者是全固态激光器。
作为上述全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置的一种优选方案，所述的拍频装置采用单模保偏光纤结构的耦合器来达到拍频共线，以保证光学频率梳与连续光光路完全重合，得到较高的信噪比。
本发明的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，采用的都是光纤结构，为长期稳定性提供了较好的条件，从而带来下列有益技术效果：
(1)可以方便的实现连续光与光学频率梳完全重合锁定；
(2)能够获得高性噪比的连续光与光学频率梳拍频信号；
(3)拍频信号获取空间光路更加容易方便快捷，而且长期稳定性也好。
附图说明
图1是本发明的高性能连续光与光频率梳重复频率完全重合锁定装置的结构示意图。
图2是连续光移频装置的结构示意图。
图3是连续光与光学频率梳拍频装置的结构示意图。
图中的标记分别表示：1、光学频率梳，2、拍频装置，3、参考信号源，4、快速锁相环电路，5、频率综合器，6、移频装置，7、连续激光器，8、第一光学频率梳传输保偏光纤，9、连续光传输保偏光纤，10、第二单模保偏光纤，11、光纤光束耦合器，12、FC光纤接口的雪崩二级管，13、连续光输入保偏光纤，14、声光频移器，15、1级衍射光输出保偏光纤。
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
在以下的实施例中，所给出的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，采用滤波片选出与连续光相同的波段，通过单模保偏光纤输出。
光学频率梳选择基于全固态光学频率梳或者是基于光纤激光器的光学频率梳，其重复频率和载波包络相移频率精密锁定在一个射频源上，光学频率梳的输出光谱涵盖连续光波长。
基于全固态光学频率梳或者是基于光纤激光器的光学频率梳，其重复频率和载波包络相移频率通过锁相环电路精密的锁定在一个稳定的射频源上；载波包络相移频率的控制是通过前反馈或者电流调制来实现；重复频率的精密控制是通过反馈腔内的压电陶瓷或者电光晶体来实现。
连续激光器可以是稳定的半导体激光器也可以是光纤激光器或者是全固态激光器。连续激光器通过空间耦合或者光纤熔接的方式将连续光输入到单模保偏光纤中，如要转为空间输出，需要采用非球面透镜来准直输出。
所述的拍频装置用于将光学频率梳与连续光调整共线，然后通过雪崩二极管APD获得拍频信号。
拍频装置采用单模保偏光纤结构的耦合器来达到拍频共线，可以保证光学频率梳与连续光光路完全重合，可以得到较高的信噪比。拍频装置中的APD的类型是选用光纤口，可以保证整个拍频系统的稳定性。
移频装置，可以选用声光移频器AOFS或者电光移频器EOFS来对连续光的频率进行频移。移频装置中的AOFS或者EOFS采用的是保偏光纤输入和输出，可以保证整个系统的稳定性。
参见图1，本实施例给出一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，包括光路结构和电路结构，其中光路结构包括光学频率梳1、拍频装置2、移频装置6和连续激光器7。
光学频率梳1用于产生稳定的飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲传输至拍频装置2，同时连续光经过移频装置6后，一级衍射光也进入拍频装置2中，然后通过雪崩二极管探测可以得到连续光与光学频率梳的拍频电信号(fbeat)。
电路结构包括参考信号源3、频率综合器5和快速锁相环电路4，其中：
参考信号源3用于提供一个稳定的射频参考信号，上述参考信号源3与频率综合器5同步后，二者就具有相同的频率稳定性。将以上测得的连续光与光学频率梳的拍频信号与频率综合器5提供的参考信号同时进入快速锁相环电路4中，经过混频、比例积分放大后反馈控制连续激光器7。通常控制器可以是压电陶瓷或者电流。从而起到稳定和调控连续光波长的作用。
快速锁相环电路装置4用于控制连续光波长，使用雪崩而激光探测光学频率梳1与连续激光器7的拍频信号(fbeat)，并将该信号与外部频率综合器5信号同时输入给快速锁相环电路，通过鉴相、比例积分放大处理得到反馈控制信号，然后将该控制信号驱动连续光的电流或者光栅上的压电陶瓷，通过改变连续光电流大小或者通过改变压电陶瓷伸长量改变光栅角度，从而将连续光的波长调谐，实现拍频信号锁定在稳定的外部频率综合器上。
上述是连续光与光学频率梳1完成重合锁定方法的电路反馈控制部分，以下是详细的光路部分。
光学频率梳1的输出脉冲激光平均功率大于5mW,输出光谱的中心波长最好和连续光输出一致或者连续光波长在光学频率梳输出光谱范围之内，对于光学频率梳重复频率和输出激光脉冲宽度没有限制，保证整个光学频率梳重复频率和载波包络相位频率可以同时实现长时间锁定，重复频率锁定精度高于50μHz，载波包络相移频率锁定精度高于2mHz。
连续激光器7可以是全固态激光器也可以是外腔半导体激光或者光纤激光，激光输出功率大于1mW,波长在光学频率梳输出光谱范围内，激光线宽小于500kHz，波长控制稳定包括慢环控制和快环控制，这样可以保证后续连续光与光学频率梳长时间锁定。
为了实现连续光与光学频率梳完全重合锁定，需要通过移频装置6来实现。移频装置6如图2所示，包括声光移频器(AOFS)9两端设置的用于连续光传输的第一、第二单模保偏光纤(8和10)、射频放大器11和频率综合器5。
连续光经过非球面透镜耦合进入单模保偏光纤8后，经过声光移频器(AOFS)9将频率移动后，再耦合进入单模保偏光纤10。其中射频放大器11和频率综合器5用于提供声光移频器(AOFS)9的驱动，实现频率的移动。移频后的连续光用于进入拍频装置2。
拍频装置2如图3所示，包括用于光学频率梳激光传输的保偏光纤12、用于连续光传输的连续光输入保偏光纤13、光学频率梳与连续激光合束器14、适合连续光和光学频率梳同时传输的1级衍射光输出保偏光纤15，雪崩光电二极管激光16。
激光在全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置具体的传播方式为：光学频率梳1的激光通过非球面透镜耦合进入第一单模保偏光纤8，连续光同样采用非球面透镜耦合进入声光移频器(AOFS)9，然后经过声光移频器(AOFS)9合束后进入第二单模保偏光纤10，然后采用FC/APC头输出耦合进入FC/APC头。
其中，需要说明的是上述的单模保偏光纤采用的是适合连续光波长传输。采用保单模偏光纤传输可以很好的满足拍频所需同偏振、空间共线条件，这样可以得到最佳的连续光与光学频率梳的拍频信号，信噪比可以达到35dB以上，满足锁定电路要求的拍频信号(fbeat)。
连续光与光学频率梳完全重合锁定主要依靠拍频装置2、移频装置6和锁相环电路锁定技术来实现，具体原理步骤为：
首先，将经过移频装置6移频后的连续光ν0+fR(ν0为未经过移频前的光频，fR为频率综合提供的射频频率)耦合进入拍频装置2后获得拍频信号fbeat＝(ν0+fR)-fcomb(其中fcomb为光学频率梳的某个梳齿的光频)。然后将拍频信号经锁相环电路将拍频信号锁定在频率综合器上即fbeat＝(ν0+fR)-fcomb＝fR。这样很容可以看出ν0＝fcomb也就是连续光与光学频率梳完全重合锁定。传统的锁定方式连续光频率总是与光学频率梳有一个频率差即ν0＝fcomb+Δv无法达到完全重合锁定。
由此可见，与传统的连续光与光学频率锁定技术相比，本实施例给出的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，可以实现连续光与光学频率梳完全重合锁定。
最后所应说明的是，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在本发明的技术方案的基础上所进行的简单修改或者等同替换，都不会脱离本发明技术方案保护的范围。

Claims (9)

1.一种全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，包括光路结构和电路结构，其特征在于：
所述光路结构包括光学频率梳(1)、拍频装置(2)、移频装置(6)和连续激光器(7)；其中：
所述连续激光器(7)用于产生连续光，连续光传输至移频装置(6)时，一级衍射光进入拍频装置(2)，同时所述光学频率梳(1)用于产生稳定的飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲传输在拍频装置(2)中探测获得连续光与光学频率梳的拍频信号；
所述电路结构包括参考信号源(3)、频率综合器(5)和快速锁相环电路(4)；其中：
所述参考信号源(3)用于提供一个稳定的射频参考信号，将频率综合器(5)与参考信号同步，使得频率综合器(5)与参考信号源(3)具有相同的频率稳定性；
所述频率综合器(5)给移频装置(6)提供移频电信号，同时为快速锁相环电路(4)提供输入信号，在快速锁相环电路(4)中，连续光与光学频率梳(1)获得拍频信号与射频信号进行混频，得到的混频信号经放大直接输给连续激光器(7)中的压电陶瓷或者电流，使得连续光与光学频率梳锁定。
2.如权利要求1所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述光学频率梳(1)的输出脉冲激光的平均功率大于20mW，输出重复频率大于200MHz，输出光谱能够覆盖连续光的波长，输出激光的脉冲宽度在fs量级或者ps量级。
3.如权利要求1或2所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述光学频率梳(1)包括飞秒激光振荡器，用于输出梳齿结构。
4.如权利要求3所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述飞秒激光振荡器是光纤激光振荡器，或者是全固态激光振荡器。
5.如权利要求1所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述光学频率梳(1)还包括腔内色散控制装置，它们是啁啾镜，或者是光栅对，或者是棱镜对，或者光子晶体光纤。
6.如权利要求1所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述光学频率梳(1)还包括腔内调制元件，用于锁定光学频率梳的载波包络相移频率，腔内调制元件是泵浦电流或者是声光调制器。
7.如权利要求1所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述光学频率梳(1)还包括电路部分及重复频率和载波包络相移频率锁相环电路，用于将重复频率和载波包络相移频率锁定在一个稳定的射频源中。
8.如权利要求1所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述连续激光器(7)是稳定的半导体激光器，或者是光纤激光器或者是全固态激光器。
9.如权利要求1所述的全光纤连续光与光学频率梳的锁定装置，其特征在于，所述的拍频装置(2)采用单模保偏光纤结构的耦合器。
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