CN106025787B - 基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器。本发明提出通过经声光调制器进行调制发生移频的1级衍射光与未经调制的0级衍射光进行外差干涉，利用不同波长的干涉信号混频后得到的直流电平锁定脉冲包络对准，并利用干涉信号相位锁定光频梳载波包络偏移频率，本发明无非线性过程，不需使用高非线性光纤和倍频晶体等器件，系统结构简单，对激光能量要求不高。

Description

基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统
技术领域
本发明是关于一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，涉及激光测量技术领域。
背景技术
飞秒激光是一种超短脉冲激光，其时域脉冲宽度在飞秒(10-15s)数量级。飞秒激光诞生以来，由于其脉冲宽度短、峰值功率高、并可靠地提供了光频域与射频域的联系途径，因此得到了广泛的研究和应用，所涉及的领域包括精密距离测量、光谱测量、频率基准、天文光谱校准、超快过程观测、飞秒激光加工等。飞秒激光频率梳在频域上由等距分布的梳齿状谱线组成，各谱线对应的频率可表示为fn＝nfrep+fceo，其中，n为梳齿序数(正整数)，frep为飞秒脉冲的重复频率(简称“重频”)，fceo为载波包络偏移频率(简称“偏频”)。在很多应用场合，要求飞秒激光频率梳的每根谱线的频率保持恒定，即要锁定频率梳各谱线的绝对频率，则此时需同时锁定重频frep和偏频fceo。
传统锁定偏频的方法为f-2f法，该方法通过非线性晶体对飞秒激光进行倍频，倍频前后的位于同一频率处的谱线发生干涉，可以从干涉信号中检测偏频并进行锁定。f-2f需要飞秒激光频谱宽度超过一个倍频程，往往需要使用高非线性光纤等对激光进行扩谱展宽的预处理，提高了系统的复杂程度和光路搭建难度；此外该方法使用非线性晶体进行倍频，要求激光脉冲有足够大的能量，因此该方法也难以应用于低能量的飞秒激光器，或必须预先对飞秒激光脉冲能量进行放大，进一步提高了系统的复杂程度。因此，传统的f-2f偏频锁定方法具有一定的局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种对激光能量和频谱宽度要求不高，可达到较高锁定精度的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器；飞秒激光光源系统锁定重复频率后将激光发射到声光调制器；未经声光调制器调制的0级衍射光经一半波片进入可控光程延迟装置，可控光程延迟装置对0级衍射光产生可控的光程延迟，并将光程延迟后的0级衍射光发射到分光棱镜；经声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一四分之一波片发射到分光棱镜；0级衍射光与1级衍射光在分光棱镜处合光发生外差干涉；经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别经一探测光路发送到相位差电压转换装置，相位差电压转换装置将输出的电压信号发送到PID控制器用于反馈控制可控光程延迟装置以锁定光程差；经分光棱镜分光后的另一路光束发射到第一光电探测器，第一光电探测器将探测的信号发送到锁相放大器，探测其相位，该相位信号在0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程已锁定的基础上反馈控制飞秒激光光源系统以锁定偏频。
优选地，可控光程延迟装置包括一长光纤及一光纤移相器或一压电陶瓷；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，经长光纤出射的0级衍射光发射到分光棱镜，其中，光纤移相器或压电陶瓷经PID控制器微调长光纤的总光程。
优选地，可控光程延迟装置还包括一法拉第镜；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，并经设置在长光纤出射端的法拉第镜反射后原光路返回反射到分光棱镜。
优选地，还包括一用于放置可控光程延迟装置的温控箱，温控箱通过PID控制器进行温度调节，以补偿环境因素导致的长程漂移。
优选地，可控光程延迟装置采用一个通过压电陶瓷调节的平面镜将未经声光调制器调制的0级衍射光发射到分光棱镜。
优选地，每一探测光路均包括一带通滤波片、一光电探测器和一低通滤波器，经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别带通滤波片、光电探测器和低通滤波器发送到相位差电压转换装置将两探测光路输出的正弦交流信号的相位差转换为电压信号。
优选地，相位差电压转换装置采用一混频器和一低通滤波器、锁相放大器或模拟鉴相器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出通过经声光调制器进行调制发生移频的1级衍射光与未经调制的0级衍射光进行外差干涉，利用不同波长的干涉信号混频后得到的直流电平锁定脉冲包络对准，并利用干涉信号相位锁定光频梳载波包络偏移频率，本发明无非线性过程，不需使用高非线性光纤和倍频晶体等器件，结构简单，且对激光能量要求不高。2、本发明不需要飞秒激光有超过一个倍频程的光谱宽度，适用于各种频谱宽度的飞秒激光器，系统中采用外差干涉方法获得交流干涉信号，对信号强度即激光强度的波动变化不敏感，可达到较高的锁定精度。本发明可以广泛应用于飞秒激光频率梳偏移频率锁定。
附图说明
图1是本发明飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的结构示意图；
图2是本发明飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的第二种结构示意图；
图3是本发明飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的第三种结构示意图；
图4是本发明飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的第四种结构示意图；
图5是本发明直流电压U归一化后与光程差Δ的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本实施例提供的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，包括一个飞秒激光光源系统L、一个偏振片P、三个半波片、一个声光调制器AOM、两个偏振分光棱镜、一个PID控制器、四个低通滤波器、三个光电探测器、一个混频器Mixer、两个带通滤波片、一个锁相放大器SX、一个四分之一波片QWP、一个分光棱镜BS、一个平面镜M、一个长光纤F、一光纤移相器YX和一个法拉第镜FM。
飞秒激光光源系统L采用飞秒激光频率梳并锁定重频，本实施例中的飞秒激光频率梳的中心波长为1560nm，重复频率为56MHz，通过原子钟锁定，光谱宽度为60nm，以此为例，但是不限于此。
飞秒激光频率梳发出的激光通过一光纤导出后并经一准直透镜发射到偏振片P成为线偏振光，线偏振光发射到第一半波片HWP1旋转偏振方向发射到声光调制器AOM，采用第一半波片HWP1的目的是为了使声光调制器AOM的衍射效率达到最大。
未经声光调制器AOM调制的0级衍射光保持原光路方向传播，0级衍射光的频率与飞秒激光频率梳的光频率相同；0级衍射光经第二半波片HWP2调节偏振方向发射到第一偏振分光棱镜PBS1，经第一偏振分光棱镜PBS1全部透射的0级衍射光可以经一准直透镜Z耦合进入长光纤F，并经设置在长光纤F出射端的法拉第镜FM反射后原光路返回，法拉第镜FM的作用是使光偏振方向旋转90°后沿长光纤F原路返回，以抵消光在单模光纤中传播产生的偏振状态不稳定的情况，0级衍射光经第一偏振分光棱镜PBS1全部反射到分光棱镜BS，其中，光纤移相器YX经PID控制器通过电压微调长光纤F的总光程(一般在几微米到几十微米量级)。
经声光调制器AOM调制的1级衍射光以某个调制角度发射到四分之一波片QWP调整为圆偏振光，圆偏振光经平面反射镜M反射到分光棱镜BS；1级衍射光的频率相对于飞秒激光频率梳发生改变，改变量与声光调制器AOM所加的射频信号频率fAOM相等，本实施例中fAOM＝65MHz，以此为例，不限于此，其中，长光纤F目的是使得0级和1级衍射光产生光程，使得二者在分光棱镜BS处合光时的光程差为飞秒激光脉冲间隔的整数倍，即光程差应满足Δ＝mc/frep，m为一个正整数，c为真空光速，0级衍射光与1级衍射光在分光棱镜BS处合光发生外差干涉。
经分光棱镜BS分光后的一路光束经第三半波片HWP3调整偏振方向发射到第二偏振分光棱镜PBS2，经第二偏振分光棱镜PBS2分成的两束光分别经一第一带通滤波片BPF1/或第二带通滤波片BPF2、一第二光电探测器PD2/或第三光电探测器PD3和一第二低通滤波器LPF2/或第三低通滤波器LPF3发送到混频器Mixer进行混频，混频器Mixer输出的信号经第四低通滤波器LPF4发送到PID控制器用于反馈锁定光程差Δ，其中，本实施例中第一带通滤波片BPF1和第二带通滤波片BPF2的中心波长分别为1540nm和1580nm，带宽均为12nm，第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3探测并经第二低通滤波器LPF2和第三低通滤波器LPF3滤出频率为fAOM-frep＝9MHz的低频外差干涉信号通过混频器Mixer进行混频，输出信号中含有一直流电压成分U。该直流电压信号用于反馈控制0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程。
经分光棱镜BS分光后的另一路光束发射到第一光电探测器PD1，第一光电探测器PD1将探测的信号发射到第一低通滤波器LPF1，第一低通滤波器LPF1将含有频率为fAOM-frep＝9MHz的低频外差干涉信号滤出并发送到锁相放大器SX探测其相位(以同频稳定电信号为参考)，该相位信号在0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程已锁定的基础上用于反馈控制飞秒激光器泵浦二极管的注入电流以锁定偏频。
在一个优选的实施例中，本发明的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统还包括一温控箱，长光纤F、光纤移相器YX和法拉第镜FM均设置在温控箱内，温控箱用于稳定长光纤F所处的温度，并通过PID控制器进行温度调节，以补偿环境因素导致的长程漂移。本发明中的长光纤F、光纤移相器YX和法拉第镜FM及温控箱的作用是对0级衍射光产生一段可控的光程延迟，其他能实现可控光程延迟的装置均可以应用于本发明的系统，不局限于本发明实施例，下面分别介绍不同的实施方式：
例如，将光纤移相器YX替换为压电陶瓷PZT，只要能够对光纤的光程产生可控改变即可，通过PID控制器控制压电陶瓷PZT进行动作微调长光纤F的总光程。
或将本实施例中的法拉第镜FM去掉而将长光纤F的另一端直接作为光出口，光在长光纤中单向转播而不需原路返回，经长光纤出射的0级衍射光经一准直镜和一第三偏振分光棱镜PBS3发射到第一偏振分光棱镜PBS1(如图2所示)。
或将本发明的整个长光纤F替换为空间光路，采用一个通过压电陶瓷调节的平面镜将经第一偏振分光棱镜PBS出射的0级衍射光进行反射返回第一偏振分光棱镜PBS1(如图3所示)。
在一个优选的实施例中，如图4所示，本发明实施例中的混频器Mixer及第四低通滤波器LPF4的作用是将第二低通滤波器LPF2和第三低通滤波器LPF3输出的正弦交流信号的相位差转换为一个电压信号，其他可实现此功能的装置或仪器均可以应用，不局限于此，例如采用一锁相放大器或模拟鉴相器等仪器替换本发明的混频器Mixer及第四低通滤波器LPF4。
结合本发明实施例，下面详细说明本发明的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的原理。
飞秒激光频率梳各谱线频率为fn＝nfrep+fceo，经过声光调制器AOM后，0级衍射光频率不变，各谱线频率仍为fn0＝nfrep+fceo；1级衍射光频率发生平移，谱线频率变为fn1＝nfrep+fceo+fAOM-frep。二者发生外差干涉产生的拍频为fbeat＝fAOM-frep＝9MHz，相位为可用复振幅的形式表示为：
式中，An为拍频信号幅值，为一个实数；c为真空中光速。
第一光电探测器PD1探测到的外差干涉信号为所有谱线产生的外差干涉信号之和，可用复振幅的形式表示为：
由式(2)可知，影响第一光电探测器PD1信号相位的因素有光程差Δ和偏频fceo。
同样地，第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3信号的相位也可表示成式(2)的形式，只是由于加入了带通滤光片，上式中的求和范围和振幅有变化。经过混频后，混频器Mixer输出的直流信号U与第二光电探测器和第三光电探测器的信号的相位差有关，当第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3同相时，U达到极大值；当第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3反相时，U达到极小值；当第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3相差为90°时，U为零。要求出第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3的相位差，只需将二者的复振幅相除取相位部分即可：
式中，Bn和Cn分别表示经过1560nm滤光片和1580nm滤光片后的拍频信号的幅值，为实数。
从式(3)可以看出，第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3的相位差，即混频器Mixer输出的直流电压U只与光程差Δ有关，而与偏频fceo无关。由于分光棱镜BS处合光时的0级衍射光为线偏振光而1级衍射光为圆偏振光，经第二偏振分光棱镜PBS2后的两路0级衍射光相位差为0，而两路1级衍射光相位差为π/2，当Δ＝mc/frep成立时，混频后的直流信号电平为0，且零点不随出射光强和光谱宽度变化而变化，根据以上公式配合计算机数值模拟仿真，可以得到该直流电平U(归一化后)与两路光光程差Δ相对整数倍脉冲间隔即mc/frep偏差量的关系，如图5所示。该曲线在两路光光程差Δ＝mc/frep，即偏差量为0时，输出电平也为0，且在这一点附近，曲线有一段近似线性区域，因此可以根据输出电平反馈控制光程差始终严格等于整数倍脉冲间隔，即Δ＝mc/frep。
根据以上原理，本发明的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统工作时：
(1)先通过反馈控制激光谐振腔长度锁定飞秒激光频率梳的重复频率frep；
(2)再利用PID控制器驱动光纤移相器改变长光纤长度，将直流电平U锁定在如图2所示中心的电压为0处，从而锁定了光程差Δ；
(3)锁定光程差Δ后，相位将仅与偏频fceo有关，而改变飞秒激光器的泵浦激光二极管的注入电流可以改变飞秒激光器的偏频fceo。因此，利用PID控制器反馈控制飞秒激光频率梳的泵浦激光二极管的注入电流，即调整偏频fceo，将相位锁定到一个常数值，即可锁定偏频fceo。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器；
飞秒激光光源系统锁定重复频率后将激光发射到声光调制器；
未经声光调制器调制的0级衍射光经一半波片进入可控光程延迟装置，可控光程延迟装置对0级衍射光产生可控的光程延迟，并将光程延迟后的0级衍射光发射到分光棱镜；经声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一四分之一波片发射到分光棱镜；0级衍射光与1级衍射光在分光棱镜处合光发生外差干涉；经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别经一探测光路发送到相位差电压转换装置，相位差电压转换装置将输出的电压信号发送到PID控制器用于反馈控制可控光程延迟装置以锁定光程差；
经分光棱镜分光后的另一路光束发射到第一光电探测器，第一光电探测器将探测的信号发送到锁相放大器，探测其相位，该相位信号在0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程已锁定的基础上反馈控制飞秒激光光源系统以锁定偏频。
2.如权利要求1所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，可控光程延迟装置包括一长光纤及一光纤移相器或一压电陶瓷；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，经长光纤出射的0级衍射光发射到分光棱镜，其中，光纤移相器或压电陶瓷经PID控制器微调长光纤的总光程。
3.如权利要求2所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，可控光程延迟装置还包括一法拉第镜；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，并经设置在长光纤出射端的法拉第镜反射后原光路返回反射到分光棱镜。
4.如权利要求2或3所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，还包括一用于放置可控光程延迟装置的温控箱，温控箱通过PID控制器进行温度调节，以补偿环境因素导致的长程漂移。
5.如权利要求1所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，可控光程延迟装置采用一个通过压电陶瓷调节的平面镜将未经声光调制器调制的0级衍射光发射到分光棱镜。
6.如权利要求1或2或3所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，每一探测光路均包括一带通滤波片、一光电探测器和一低通滤波器，经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别经带通滤波片、光电探测器和低通滤波器发送到相位差电压转换装置将两探测光路输出的正弦交流信号的相位差转换为电压信号。
7.如权利要求1或2或3所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，相位差电压转换装置采用一混频器和一低通滤波器、锁相放大器或模拟鉴相器。
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