CN106159650A - 一种小型化的掺铒光纤飞秒光梳发生器的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化的掺铒光纤光学频率梳系统，其特征在于所述光纤光梳包括锁模激光产生模块、重复频率/初始频率探测模块以及耦合输出模块，所述锁模激光产生模块具有两路输出端：其中一路用于连接重复频率/初始频率探测模块的输入端，另外一路与耦合输出模块的输入端相连。本发明的优点是，基于波导型电光晶体实现锁模激光重复频率的调谐，具有驱动电压低、功耗小、伺服带宽广等优点，极大地提高光纤光梳的短期频率稳定性；锁模激光产生模块采用单独的物理绝热封装结构，大幅度减小了环境温度变化对系统的影响，有效地提高了光纤光梳的长期频率稳定性；由于将光纤光梳的各组成部分有效地进行一体化的设计，减小了光纤光梳光学系统的尺寸，具有可搬运的特性，能够广泛地应用于航空航天、医学、大规模制造业等领域所需的精密光谱及几何量的在线测量。

Description

一种小型化的掺铒光纤飞秒光梳发生器的光学装置

一、技术领域

本发明涉及光学-微波频率精密传递、光学仪器制造领域，特别涉及一种小型化的掺铒光纤光学频率梳发生器的光学装置。

二、背景技术

光学频率梳状发生器(以下简称光梳)是飞秒激光技术与激光频率精密控制技术完美结合的结晶，它使得人类在微波频率与光学频率之间构建了简单而精密的桥梁，光学频率梳状发生器的发明在光学精密测量与光学频率与微波频率精密传递领域产生了革命性的重大突破，为此2005年的诺贝尔物理学奖授予了这项技术的主要发明人：德国科学家汉斯()与美国科学家江皓(J.Hall)。光梳技术的发展对许多应用基础科学研究诸如时间频率标准传递、精密光谱学研究、光钟波长测量及频率转换、物理常数(精细结构常数、电子-质子质量比)的精确测定及基本物理定律的验证、阿秒脉冲产生、系外行星的探测、极紫外光梳的产生等方面发挥着重要作用。特别是随着光纤技术的发展，基于光纤激光器的光学频率梳(以下简称光纤光梳)以其光束质量好，体积小，重量轻，易集成，简单易操作，运行成本低，可在工业环境下使用等优点成为了目前光梳技术的主流。

在现有的光纤光学频率梳技术中，种子锁模激光的质量直接决定了光纤光梳的最终性能，目前，光纤激光锁模的方法很多，比如半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模、光纤环形镜“8字型”锁模、光纤放大环形镜“9字型”锁模等。其中，光纤环形镜及光纤放大环形镜锁模具有较小的体积及较低的价格，但是此类锁模激光的缺点是谐振腔的腔长调节困难，无法实现大范围的频率调谐；SESAM锁模虽然能够实现大范围腔长的调谐，但是其慢饱和的锁模机制以及核心材料易损坏的特性限制了其进一步的发展及应用。在此基础之上，发展起来的非线性偏振旋转(NPE)锁模激光，凭借快饱和机制、高输出功率、大范围的腔长调谐特性，构成了目前光纤光学频率梳的重要组成单元。然而，市场上的偏振旋转锁模激光为了保证腔长的灵活可调特性，多采用大量的自由空间光路，一方面，使得光学频率梳整机系统体积较大，锁模激光的重复频率无法提高；另一方面，大量自由光路光学元器件的使用降低了锁模激光的长期稳定性。因此，迫切需要改进现有的非线性偏振旋转锁模激光光路结构，使系统在保留腔长调谐的基础上，具有较小的体积及优异的长期工作特性。

目前，国际上的光学频率梳整机系统，采用的是分立的光路结构，例如，独立的锁模种子激光单元以及独立的初始频率探测锁定单元，未能将整机系统进行有效地整合，整体的尺寸结构偏大，不能满足一些生物医疗现场测量对可搬运便携特性的需求，这些不足都限制了光学频率梳更加广泛的应用。

三、发明内容

(1)发明目的

本发明的目的是，针对现有技术的不足，提供一种小型化的光学频率梳发生器装置，该装置通过在光纤光梳谐振腔中的波导型电光晶体实现腔长的微调，进而对重复频率实现调谐，由于自由空间光路有限，结合高增益的掺铒光纤，光梳的重复频率可以很高；通过将光学频率梳的各个组成部分进行一体化的设计，减小系统的整体尺寸，并提高光学频率梳的频率稳定性。

(2)技术方案：

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的光纤光学频率梳装置，其特征在于，它包括：锁模激光产生模块100、重复频率/初始频率探测模块200以及耦合输出模块300。

所述锁模激光产生模块100，其特征在于由通过单模光纤依次连接的泵浦光源101、波分复用器102、增益光纤103、光纤偏振态控制器104、光纤隔离器105、波导型电光晶体调制器106、1×2光纤耦合器107、光纤隔离器108及1×2光纤耦合器109构成。所述泵浦光源101的输出端与波分复用器102的980nm复用输入端相连，波分复用器102的输出端连接至增益光纤103的输入端，实现光放大，增益光纤103的输出端连接至光纤偏振态控制器104，实现光束偏振态的调节，光纤偏振态控制器104的输出端连接至光纤隔离器105，提供光束的单向传播并保证光脉冲的峰值功率位置能够通过，光纤隔离器105的输出端与波导型电光晶体106的输入端相连，利用晶体的电光效应实现光程的改变，电光晶体106的输出端与1×2光纤耦合器107的输入端相连，两个输出端中其中一路连接至波分复用器102的1550nm复用输入端，构成光纤环形腔；另外一路与光纤隔离器108的输入端相连，抑制后向传输光对种子光源的影响，光纤隔离器108的输出端连接至1×2光纤耦合器109的输入端，其两路输出端作为锁模激光产生模块的两路输出。

所述1×2耦合器107的两路输出端的功率分配为30∶70。

所述重复频率/初始频率探测模块200，其特征在于：由光纤偏振态控制器201、增益光纤202、泵浦光源203、波分复用器204、高非线性光纤205、光纤准直器206、四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透镜209、周期性极化铌酸锂晶体210、聚焦透镜211、平面反射镜212、滤光片213及光电探测器214构成。1×2光纤耦合器109的一路输出端连接至光纤偏振态控制器201，提供光束的偏振态调节，光纤偏振态控制器201的输出端与增益光纤202的输入端相连，提供光功率的放大，增益光纤202的另一端及泵浦光源203的输出端分别连接至波分复用器204的1550nm及980nm复用输入端，实现对增益光纤202的反向光泵浦，波分复用器204的复用输出端连接至高非线性光纤205，利用其高阶非线性效应实现光谱的展宽，获得倍频程光谱，高非线性光纤205的输出端与光纤准直器206的输入端相连，光束由光纤耦合至自由空间并准直输出，在光纤准直器206的透射光路上放置依次放置四分之一波片207及二分之一波片208，实现光束偏振态的调节，所述聚焦透镜209将光束聚焦至周期性极化铌酸锂晶体210，对位于长波端的光谱成分进行倍频，所述聚焦透镜211将聚焦光束准直输出，所述平面反射镜212用于调节光束的方向，光束经反射后透过滤光片213由光电探测器214接收，滤光片能够通过光束的光谱成分中短波分量，使得原始的光谱成分中的短波成分以及长波部分的倍频光能够入射至光电探测器214进行拍频，获得重复频率及初始频率信号。

所述周期性极化铌酸锂晶体210，长度为20mm，其工作中心波长为2200nm，倍频光的输出的波长为1100nm。

所述耦合输出模块300，其特征在于，包括：光纤偏振态控制器301、增益光纤302、泵浦光源303、波分复用器304及光纤准直器305。1×2光纤耦合器109的一路输入端连接至光纤偏振态控制器301，提供光束的偏振态调节，光纤偏振态控制器301的输出端与增益光纤302的输入端相连，提供光功率的放大，增益光纤302的另一端及泵浦光源303的输出端分别连接至波分复用器304的1550nm及980nm复用输入端，实现对增益光纤302的反向光泵浦，波分复用器304的复用输出端连接至光纤准直器305，将光纤中的光束耦合至自由空间实现1560nm光学频率梳的输出。

(3)技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)利用波导型电光调制器的电光效应，可用于微调谐振腔的腔长，将频率梳的重复频率锁定至标准的微波源，波导型电光调制器的特点是驱动电压小，功耗低，调制带宽广，可以实现光学频率梳的重复频率的快速锁定，锁定后的重复频率抖动优于0.5mHz。

2)飞秒光学频率梳的锁模种子激光采用波导型电光晶体，自由空间光路元件少，抗干扰能力强，结合谐振腔的精密控温，可实现光学频率梳的长期连续稳定运行。

3)将光学频率梳的种子锁模激光、重复频率/初始频率探测及耦合输出部分进行光路集成，具有体积小、集成度高、控制方便，调节简单等优势，可为1560nm波段的分子及原子精密光谱测量、大尺寸绝对距离测量以及频率标准建立发挥着重要作用。

四、附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的光路机械结构图；

图3是本发明获得的初始频率信号及重复频率信号的频谱图

五、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1-3：图中标记100-300分别为：锁模激光产生模块100、重复频率/初始频率探测模块200以及耦合输出模块300，图中标记101-305分别为：980nm泵浦激光源101、980nm/1550nm波分复用器102、增益光纤103、光纤偏振态控制器104、光纤隔离器105、波导型电光调制器106、1×2光纤耦合器107、光纤隔离器108、1×2光纤耦合器109、光纤偏振态控制器201、增益光纤202、980nm泵浦激光源203、980nm/1550nm波分复用器204、高非线性光纤205、光纤准直器206、四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透镜209、周期性极化铌酸锂晶体210、聚焦透镜211、平面反射镜212、滤光片213、光电探测器214、光纤偏振态控制器301、增益光纤302、980nm泵浦光源303、980nm/1550nm波分复用器304、光纤准直器305。

实施例一：如图1、2所示，本实施例具体涉及一种一体化光路设计的掺铒光学频率梳状发生器装置，该装置包括锁模激光产生模块100、重复频率/初始频率探测模块200以及耦合输出模块300，锁模激光产生模块100具有两路输出端，其中一路输出端与重复频率/初始频率探测模块的输入端相连；另外一路输出端与耦合输出模块相连，作为光学频率梳的自由空间输出以供人们使用。

如图1所示，980nm泵浦光源101的输出端与980nm/1550nm波分复用器102的980nm复用输入端相连，所述980nm/1550nm波分复用器102的复用输出端经单模光纤依次连接增益光纤103、光纤偏振态控制器104、光纤隔离器105、波导型电光晶体调制器106及1×2光纤耦合器107，所述1×2光纤耦合器107具有两个输出端：其中一路输出端直接连接至980nm/1550nm波分复用器102的1550nm复用输入端，形成光纤环形腔；另外一路输出端获得30％功率输出通过光纤隔离器108连接至1×2光纤耦合器109的输入端。1×2光纤耦合器109的一路输出端通过单模光纤依次连接光纤偏振态控制器301、增益光纤302、泵浦光源303、980nm/1550nm波分复用器304及光纤准直器305，实现光学频率梳的输出；1×2光纤耦合器109的另外一路输出端通过单模光纤依次连接光纤偏振态控制器201、增益光纤202、泵浦光源203、980nm/1550nm波分复用器204、高非线性光纤205及光纤准直器206，在光纤准直器的透射光路上，依次放置四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透镜209、周期性极化铌酸锂210、聚焦透镜211、平面反射镜212、滤光片213及光电探测器214，由光电探测器获得光学频率梳的重复频率信号及初始频率信号。

本发明的工作原理是这样的：泵浦光源101输出980nm的连续光，通过波分复用器102耦合进入光纤环形腔对增益光纤103进行光泵浦，进而可以对1560nm的信号光脉冲进行光放大，光纤偏振态控制器104可以对光纤中传输的光束的偏振态进行调节，确保光脉冲的峰值功率位置能够通过光纤隔离器105，抑制两翼的光功率，实现光脉冲的窄化，并进一步实现激光锁模。波导型电光晶体106具有很高的电光系数，通过对其施加电压可以进行等效光程的控制，进而对锁模激光的重复频率进行调谐。1×2光纤耦合器107的输出端提供70％的光脉冲功率耦合进入波分复用器102，形成锁模种子激光的光纤环形腔，提供稳定的激光锁模机制；1×2光纤耦合器107同时输出30％的光功率用于后级输出，其输出光束由光纤隔离器108抑制后向传输的光束对锁模种子激光的影响，进入1×2光纤耦合器109，其输出分为独立的两个分支，其中一个分支用于探测锁模激光的重复频率及初始频率，进而可以将这两个频率成分锁定至标准的微波频率源，实现稳定运转的掺铒光学频率梳；另外一个分支，经过光纤偏振态控制器301对输出光束的偏振态进行调整，由泵浦光源303泵浦的增益光纤302对光束进行光放大，放大后的光束由光纤准直器305耦合至自由空间进行输出，通过控制泵浦光源303的功率可以灵活地根据需要调节光学频率梳的输出功率。

在重复频率及初始频率的探测分支中，锁模激光首先经过光纤偏振态控制器201对其偏振态进行调节，泵浦光源203由波分复用器204耦合入光路对增益光纤202进行后向光泵浦，完成锁模激光的光功率放大，放大后的锁模激光激发高非线性光纤205的非线性效应获得倍频程光谱(1030nm～2500nm)，扩谱后的锁模激光由光纤准直器206耦合至自由空间输出，在光纤准直器206的透射光路中，首先由四分之一波片207和二分之一波片208实现光束偏振态的调节，保证光束的偏振特性与周期性极化铌酸锂晶体210的倍频特性相匹配，并由聚焦透镜209将光斑尺寸压缩至约100μm，聚焦至周期性极化铌酸锂晶体210上，获得非常高的功率密度，锁模激光位于长波段的光谱成分(～2100nm)经过倍频后波长变为1050nm，进而由聚焦透镜211准直输出，两个平面反射镜212用于微调光束的传播方向，213滤光片的作用是滤出光束中1050nm的光谱成分，于是2100nm光束的倍频光(150nm)可以与锁模激光中原先位于1050nm的光谱成分在光电探测器214的光敏面相遇，进行拍频探测，同时获得锁模激光的重复频率及初始频率。

如图2所示，为本发明小型化的光纤光学频率梳状发生器的机械结构图，锁模激光产生模块100采用单独的物理封装单元，固定各光学器件的底板110采用纯铜材质，四周的侧面板的内外表面111均采用为黑色磨砂塑料，侧面板的中间隔层112为绝缘特氟龙材料，这种特殊设计的结构使得锁模激光产生模块100具有很好的物理绝热功能，在实际使用中可以很方便的进行精密恒温控制，保证了光学频率梳的长期稳定运行。3路泵浦光源101、203及303分别通过导热硅脂113依次固定在激光管座114及整机系统的底座115上，激光管座采用纯铜材料，有利于大功率泵浦光源的散热并进行精密的恒温控制，研制出的光学频率梳装置的总体积为380mm×380mm×140mm。

如图3所示，实验产生了1560nm的掺铒光纤光学频率梳，并由光电探测器获得的光纤光梳的重复频率f_r及初始频率f_ceo，初始频率信号的信噪比为45dB，重复频率信号的信噪比为75dB，满足频率锁定的要求(大于30dB)。

本发明相对目前市场上的掺铒光纤光学频率梳具有如下优势：

1)传统的掺铒光纤光学频率梳均采用电动平移台结合压电陶瓷的方式进行重复频率的调谐，由于腔长在改变的过程中存在机械运动，因此无论是重复频率的稳频或是扫描，系统的响应带宽一般在kHz量级，而且往往需要高压大功率的驱动电路。本发明中采用波导型电光晶体，驱动电压低、功耗小，大大简化了光学频率梳电路驱动系统，由于伺服带宽可达10GHz，能够获得更优异的短期频率稳定度。

2)本发明针对飞秒光学频率梳的种子锁模激光，提出了特殊的物理机械结构，结合精密的恒温控制，使得研制的光学频率梳具有很好的可靠性及重复性。

本发明制作的掺铒光纤光学频率梳状发生器，具有结构简单、紧凑、易调节、稳定性好等优点，可以提供1560nm附近的精密光频标准，作为高精度的波长计使用，由于整机系统尺寸小，指标出色，具有很好的应用前景。

Claims (1)

1.一种小型化的掺铒光纤飞秒光梳发生器的光学装置，其特征在于，包括：

锁模激光产生模块100、重复频率/初始频率探测模块200以及耦合输出模块300。

所述锁模激光产生模块100，其特征在于，由通过单模光纤依次连接的泵浦光源101、波分复用器102、增益光纤103、光纤偏振态控制器104、光纤隔离器105、波导型电光晶体调制器106、1×2光纤耦合器107、光纤隔离器108及1×2光纤耦合器109构成。所述泵浦光源101的输出端与波分复用器102的980nm复用输入端相连，波分复用器102的输出端连接至增益光纤103的输入端，实现光放大，增益光纤103的输出端连接至光纤偏振态控制器104，实现光束偏振态的调节，光纤偏振态控制器104的输出端连接至光纤隔离器105，提供光束的单向传播并保证光脉冲的峰值功率位置能够通过，光纤隔离器105的输出端与波导型电光晶体106的输入端相连，利用晶体的电光效应实现光程的改变，电光晶体106的输出端与1×2光纤耦合器107的输入端相连，两个输出端中其中一路连接至波分复用器102的1550nm复用输入端，构成光纤环形腔；另外一路与光纤隔离器108的输入端相连，抑制后向传输光对种子光源的影响，光纤隔离器108的输出端连接至1×2光纤耦合器109的输入端，其两路输出端作为锁模激光产生模块的两路输出。

所述1×2耦合器107的两路输出端的功率分配为30_∶70。

所述重复频率/初始频率探测模块200，其特征在于：由光纤偏振态控制器201、增益光纤202、泵浦光源203、波分复用器204、高非线性光纤205、光纤准直器206、四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透镜209、周期性极化铌酸锂晶体210、聚焦透镜211、平面反射镜212、滤光片213及光电探测器214构成。1×2光纤耦合器109的一路输出端连接至光纤偏振态控制器201，提供光束的偏振态调节，光纤偏振态控制器201的输出端与增益光纤202的输入端相连，提供光功率的放大，增益光纤202的另一端及泵浦光源203的输出端分别连接至波分复用器204的1550nm及980nm复用输入端，实现对增益光纤202的反向光泵浦，波分复用器204的复用输出端连接至高非线性光纤205，利用其高阶非线性效应实现光谱的展宽，获得倍频程光谱，高非线性光纤205的输出端与光纤准直器206的输入端相连，光束由光纤耦合至自由空间并准直输出，在光纤准直器206的透射光路上放置依次放置四分之一波片207及二分之一波片208，实现光束偏振态的调节，所述聚焦透镜209将光束聚焦至周期性极化铌酸锂晶体210，对位于长波端的光谱成分进行倍频，所述聚焦透镜211将聚焦光束准直输出，所述平面反射镜212用于调节光束的方向，光束经反射后透过滤光片213由光电探测器214接收，滤光片能够通过光束的光谱成分中短波分量，使得原始的光谱成分中的短波成分以及长波部分的倍频光能够入射至光电探测器214进行拍频，获得重复频率及初始频率信号。

所述周期性极化铌酸锂晶体210，长度为20mm，其工作中心波长为2200nm，倍频光的输出的波长为1100nm。

所述耦合输出模块300，其特征在于，包括：光纤偏振态控制器301、增益光纤302、泵浦光源303、波分复用器304及光纤准直器305。1×2光纤耦合器109的一路输入端连接至光纤偏振态控制器301，提供光束的偏振态调节，光纤偏振态控制器301的输出端与增益光纤302的输入端相连，提供光功率的放大，增益光纤302的另一端及泵浦光源303的输出端分别连接至波分复用器304的1550nm及980nm复用输入端，实现对增益光纤302的反向光泵浦，波分复用器304的复用输出端连接至光纤准直器305，将光纤中的光束耦合至自由空间实现1560nm光学频率梳的输出。