CN106338872A - 一种全光纤光学频率梳装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全光纤光学频率梳装置，涉及激光技术领域。本发明的装置包括超稳光梳源和拍频单元，所述超稳光梳源为掺铒光纤，以提供增益的光梳种子；所述拍频单元由掺镱光纤提供增益；所述超稳光梳源产生的激光通过光纤输入至所述拍频单元后进行放大和分频拍频。本发明提供的一种全光纤光学频率梳装置，采用掺铒和掺镱两种增益光纤混合的方案，充分利用了各自的优点和好处，从而得到了适用于空间的体积小、重量轻、功耗低的高效超稳的全光纤光学频率梳。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种全光纤光学频率梳装置。
背景技术
时-频域精密控制的飞秒光学频率梳是精密光谱、精密测量以及相关科学领域的一次重大技术飞跃，是提高了频谱测量精度，发展比原子微波钟更精确的时间/频率标准的重要技术革新，同时作为一种有别于传统连续稳频激光的特殊激光光源，在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用，对实现光频率合成和物理常量的精确测定有重大意义。
光纤光梳具有体较小、重量轻、易操作、易维护等优点，因此特别适用于在某些特殊场合使用，如卫星、飞机、空间站等。目前，成熟的光纤光梳分为两种，一种是掺铒光纤光梳，另一种是掺镱光纤光梳，这两种光纤光梳在稳定性方面经过电路控制后，都可以达到10-19(万秒)稳定的量级，但是由于不同的光学性质，导致他们在光学结构和光学应用中有很大的不同。
光纤光梳的组成通常包括光纤飞秒振荡器、放大器、超连续产生、自参考测量、拍频输出、电路锁定等部分，掺铒光纤光梳由于可以采用单模光纤补偿色散，因此在光学部分可以做成全光纤，但是劣势有两点：一是振荡器和放大器的效率不高，需要高功耗，二是中心波长在1550nm，想扩展到可见波段，需要采用放大光倍频的方式，这增加了系统的复杂性。掺镱光纤光梳优势在于由于掺杂度高，光光转换效率高，因此得到相同的光功率需要的电功耗就相对低，还有一个优势在于它的中心波长位于1030nm，通过超连续产生就可以覆盖到可见波段，简化了光梳的拍频系统。但是，镱光纤光梳的一个劣势在于不能直接采用单模光纤来补偿色散，这就造成了需要光栅等空间元件来补偿色散，从而使系统结构不能做成全光纤，目前，虽然也有采用光子晶体光纤提供负色散的技术，但是低成熟度和高损耗也暂时限制了它的应用。
随着空间技术发展，光钟、高精度时频传递等在空间的应用越来越急需，光梳作为光钟的重要组成部分，空间光纤光梳的研制也越来越紧迫。但是空间的特殊环境对光纤光梳提出了苛刻的要求，如要求体积尽量小，质量尽量轻，功耗尽量小等，这些条件对于地面应用来说，实际都是非必要条件，但是一旦涉及到空间，则会成为制约性条件。如何建成体积小，重量轻、功耗低的空间光纤光梳是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种全光纤光学频率梳装置，以实现全光纤结构的光学频率梳，建成一种体积小，重量轻、功耗低的能够适用与在空间技术中的光学频率梳。
特别地，本发明提供了一种全光纤光学频率梳装置，包括：超稳光梳源和拍频单元，所述超稳光梳源为掺铒光纤，以提供增益的光梳种子；所述拍频单元由掺镱光纤提供增益；所述超稳光梳源产生的激光通过光纤输入至所述拍频单元后进行放大和分频拍频。
进一步地，所述超稳光梳源包括通过光纤连接的掺铒的光纤飞秒激光振荡器、掺铒光纤放大器、非线性光纤、自参考测量、电路锁定。
进一步地，所述掺铒的光纤飞秒激光振荡器能够输出超短脉冲激光，所述掺铒的光纤飞秒激光振荡器为偏振旋转锁模、饱和吸收体直腔锁模、8字型或9字型的环形腔中的一种。
进一步地，所述拍频单元包括通过光纤连接的掺镱光纤放大器、光纤压缩器、非线性光纤超连续产生、分光及拍频。
进一步地，所述拍频单元中对所述非线性光纤产生的超连续光进行分光时，按照功率分为若干路，所述若干路中的任一路均可与不同波长的连续光拍频。
进一步地，所述拍频单元中对所述非线性光纤产生的超连续光进行分光时，按照波长分为若干路，所述若干路中的任一路均为单一波长，且只能与其相同波长的连续激光拍频。
进一步地，所述掺镱光纤放大器采用一级放大或者二级放大。
进一步地，所述光纤压缩器为布拉格衍射光纤或者有负色散补偿效应的拉锥光子晶体光纤。
进一步地，所述超稳光梳源输入至所述拍频单元的激光为1030nm光谱成分。
进一步地，所述超稳光梳源中经过掺铒的光纤飞秒激光振荡器、掺铒光纤放大器及非线性光纤后产生的1030nm激光，输入到所述拍频单元中，经过所述拍频单元中的掺镱光纤放大器、光纤压缩器、光纤超连续产生后，分为若干路，与不同的连续激光进行拍频，最后由探测器探测到信噪比足够高的拍频信号。
本发明提供的一种全光纤光学频率梳装置，包括掺铒的光纤光梳种子源和掺镱光纤的放大和拍频部分，其采用铒光纤作为光梳的种子，输出稳定的飞秒光梳，然后再采用镱光纤作为放大超连续产生的拍频光路，提供给与外界超稳激光和连续激光拍频输出。
本发明提供的一种全光纤光学频率梳装置，具有如下的特点：
1.采用掺铒和掺镱两种增益光纤混合的方案，充分利用了各自的优点和好处，从而得到了适用于空间的体积小、重量轻、功耗低的高效超稳的全光纤光学频率梳。
2.本发明装置中掺铒光梳作为种子，提供了稳定的光源，并且该光源中的红外脉冲也可以用作与外部激光拍频输出。
3.本发明装置中掺镱一路作为光梳的输出，可分成多路不同波长，因此具备同时测量多个光频的作用，也可以将多个光频同时锁定到本装置上。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是本发明的一种全光纤光学频率梳装置的一般性结构示意图；
图2是本发明的一个实施例中的铒光纤振荡器输出的光谱曲线图；
图3是本发明的一个实施例中的镱光纤输出的超连续光谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细描述。
本发明的发明人发现：首先，掺铒光纤光梳输出中心波长在1550nm，掺镱光纤光梳输出中心波长在1030nm，这两种不同的振荡波长在单模光纤中的色散特性刚好相反，1550nm的激光在单模光纤中是负色散的，而1030nm的激光在单模光纤中是正色散的，这令铒光纤飞秒激光器中可以直接利用单模光纤来补偿正色散，而镱光纤飞秒激光器中必须加入光栅对作为色散补偿元件提供负色散，从这点上来说，铒光纤光梳更有利于实现全光纤的结构，从而大大简化体积，提高稳定性。除此之外，这两种增益介质的吸收效率不同，铒光纤振荡器的光光转换在10～15％之间，而镱光纤振荡器的光光转换效率在25％～30％间，因此从能效角度来说，镱光纤更适合作为放大的增益介质。
光纤光梳的组成通常包括光纤飞秒振荡器、放大器、超连续产生、自参考测量、拍频输出、电路锁定等部分，掺铒光纤光梳由于可以采用单模光纤补偿色散，因此在光学部分可以做成全光纤，但是劣势有两点：一是振荡器和放大器的效率不高，需要高功耗，二是中心波长在1550nm，想扩展到可见波段，需要采用放大光倍频的方式，这增加了系统的复杂性。掺镱光纤光梳优势在于由于掺杂度高，光光转换效率高，因此得到相同的光功率需要的电功耗就相对低，还有一个优势在于它的中心波长位于1030nm，通过超连续产生就可以覆盖到可见波段，简化了光梳的拍频系统。但是，镱光纤光梳的一个劣势在于不能直接采用单模光纤来补偿色散，这就造成了需要光栅等空间元件来补偿色散，从而使系统结构不能做成全光纤，目前，虽然也有采用光子晶体光纤提供负色散的技术，但是低成熟度和高损耗也暂时限制了它的应用。因此，本发明的发明人提出了一种混合型的光纤光梳装置，采用铒光纤作为光梳的种子，输出稳定的飞秒光梳，然后再采用镱光纤作为放大超连续产生的拍频光路，提供给与外界超稳激光和连续激光拍频输出。这种混合型光纤光梳充分利用了铒光纤结构稳定和镱光梳的低功耗的优点，避免了铒光纤需倍频到可见光、镱光纤需采用空间光栅补偿色散的缺点，因而非常适合于空间的应用。
图1是本发明的一种全光纤光学频率梳装置的一般性结构示意图。如图1所示，本发明提供的一种全光纤光学频率梳装置，一般性的可以包括超稳光梳源和拍频单元。其中，超稳光梳源为掺铒光纤，以提供增益的光梳种子。超稳光梳源包括通过光纤连接的掺铒的光纤飞秒激光振荡器100、掺铒光纤放大器200、非线性光纤300、自参考测量、电路锁定400。所述拍频单元由掺镱光纤提供增益。拍频单元包括通过光纤连接的掺镱光纤放大器+光纤压缩器500、非线性光纤超连续产生600、分光及拍频700。
具体地，本发明的一种全光纤光学频率梳装置，包括掺铒的光纤光梳种子源和掺镱光纤的放大和拍频部分。在一个具体的实施方式中，电路锁定400可以包含两套，其中一套为锁重复频率，另一套锁载波包络相移频率。掺镱光纤的放大和拍频部分包括镱光纤放大、光纤压缩500、非线性光纤超连续产生600、分频拍频700。这两部分的连接是从铒光纤光梳种子源超连续产生中开始的，铒光纤超连续产生含有1030nm光谱成分，这正好是镱光纤激光的增益波长，将这个波长的激光分出来输入到镱光纤放大中，可以实现高效的镱光纤放大。所述超稳光梳源产生的激光通过光纤输入至所述拍频单元后进行放大和分光拍频。所述超稳光梳源中经过掺铒的光纤飞秒激光振荡器100、掺铒光纤放大器200及非线性光纤300后产生的1030nm激光，输入到所述拍频单元中，经过所述拍频单元中的掺镱光纤放大器、光纤压缩器500、光纤超连续产生600后，分为若干路，与不同的连续激光进行拍频，最后由探测器探测到信噪比足够高的拍频信号。
在一个具体的实施方式中，所述掺铒的光纤飞秒激光振荡器能够输出超短脉冲激光。掺铒的光纤飞秒激光振荡器为偏振旋转锁模、饱和吸收体直腔锁模、8字型或9字型的环形腔中的一种，当然地，掺铒的光纤飞秒激光振荡器也可以是其他本领域技术人员所熟知或者常用的种子激光源，以其能够输出超短波脉冲即可。
在本发明中，掺铒的光纤飞秒振荡器100是整个全光纤光学频率梳装置的种子激光输出源，输出锁模的超短脉冲红外激光，脉宽在未经压缩时可以到皮秒量级，中心波长在1550nm，谱宽十几个纳米，所采用的锁模方式可以是偏振旋转锁模、半导体可饱和吸收体锁模、8字型或9字型锁模。在一个具体的实施例中，在振荡器内可以直接利用单模光纤补偿正色散，所以铒光纤振荡器容易做成全光纤的，从而保证了光梳种子源的稳定可靠。这样的振荡器直接输出的激光功率在几十毫瓦，不足以产生宽的超连续谱，还需要经过继续放大，熔接一段铒光纤放大200，将激光功率放大到百毫瓦量级，然后再熔接一段单模光纤，对放大光的脉宽进行压缩，单模光纤的长度要根据脉宽的测量结果剪裁，直到得到最窄的脉宽输出，这时的单模光纤为最佳的色散补偿长度。这样的无啁啾脉冲接着进入与单模光纤熔接的高非线性光纤，高非线性光纤的作用是进行光谱扩展，产生大于一个倍频程的超连续谱，然后再利用超连续谱中的高频和低频的倍频，比如高频1000nm，低频2000nm，经过一块倍频晶体(PPLN)的倍频效应，2000nm倍频到1000nm，从而与基频中的高频成分1000nm直接拍频，得到载波包络相移频率值，这是本领域技术人员熟知的传统的自参考测量技术。在本发明中，自参考测量中PPLN晶体可以封装成两端带单模光纤尾纤的光纤耦合型，以使得自参考测量也可以做成全光纤的。在自参考测量时关键的是基频和倍频光如何在时间上同步，在本发明中解决时间延迟的办法是通过熔接一段特定长度的单模光纤，1000nm和2000nm在光纤中处于不同的色散区，使得低频和高频的激光脉冲一个越来越快，另一个越来越慢，最终两个波长相同的脉冲会在时间上重合，从而得到信噪比较高的载波包络相移拍频信号。采用锁相环电路，将探测到的重复频率信号和载波包络相移频率锁定到外部的标准微波钟或光频标上。这样得到的就是稳定的铒光纤光梳种子源。
进一步，从铒光纤超连续谱的输出中提取1030nm成分，通过波分复用器分到另一路，接着采用一段掺镱增益光纤进行放大，这一路的输出将作为整个光梳系统的有用输出供拍频测量或锁定工作。镱光纤放大可以采用一级，也可以采用二级放大，取决于从铒光纤超连续谱中提取的1030nm激光功率的大小，通常这个功率都比较低，需要经过一级前放后提高信噪比，然后再用二级功放将功率放大到1瓦以上。放大后的功率脉宽被展宽，展宽的光脉冲不利于产生超连续谱，所以为了将脉宽压缩，还要经过一个压缩器，这里压缩器可选用布拉格衍射光纤，或者有负色散补偿效应的拉锥光子晶体光纤等，保证全光纤的结构。将压缩后的激光入射到一段光子晶体光纤中产生超连续谱，然后采用波分复用器，将超连续光按照波长不同分成多路，保证每路的功率都在100mW以上。因为是从铒光梳中分出来的脉冲，因此这多路输出都是稳定的，可以与外部的连续激光进行拍频，从而实现光梳锁定到外部超稳激光上或者外部连续激光锁定到光梳上等众多功能。
本发明提供的一种全光纤光学频率梳装置，包括掺铒的光纤光梳种子源和掺镱光纤的放大和拍频部分，其采用铒光纤作为光梳的种子，输出稳定的飞秒光梳，然后再采用镱光纤作为放大超连续产生的拍频光路，提供给与外界超稳激光和连续激光拍频输出。
本发明提供的一种全光纤光学频率梳装置，具有如下的特点：
1.采用掺铒和掺镱两种增益光纤混合的方案，充分利用了各自的优点和好处，从而得到了适用于空间的体积小、重量轻、功耗低的高效超稳的全光纤光学频率梳。
2.本发明装置中掺铒光梳作为种子，提供了稳定的光源，并且该光源中的红外脉冲也可以用作与外部激光拍频输出。
3.本发明装置中掺镱一路作为光梳的输出，可分成多路不同波长，因此具备同时测量多个光频的作用，也可以将多个光频同时锁定到本装置上。
实施例1，
一种高效超稳的空间全光纤光学频率梳装置，包括铒光纤振荡器100、铒光纤放大器200、铒超连续产生300、自参考测量、电路锁定400、镱光纤放大压缩500、镱超连续产生600、分路拍频700等等，所述铒光纤振荡器采取偏振旋转锁模或者半导体可饱和吸收体锁模。该实施例中偏振旋转锁模的铒光纤飞秒振荡器，需要借助于腔内的半波片和四分之一波片实现锁模运转，为了实现全光纤化，半波片和四分之一波片可以用挤压式偏振光纤代替。该振荡器输出的脉冲重复频率大于100MHz，脉宽不压缩时在皮秒量级，压缩后可以到几十飞秒量级。典型的光谱输出如图2所示，图2是本发明的一个实施例中的铒光纤振荡器输出的光谱曲线图。在图2中，中心波长为1550nm，光谱宽度一百多纳米。如果采用半导体可饱和吸收体锁模，腔内没有波片，锁模也无需像偏振旋转锁模那样需要通过调整波片的位置来实现。半导体可饱和吸收体的锁模是自动启动的，只需腔内功率优化好了就可以实现自动锁模，这一点对于空间环境应用来说尤其重要。
实施例2，
一种高效超稳的空间全光纤光学频率梳装置，所述镱光纤放大压缩部分，种子来自铒光纤超连续中的1030nm的激光成分，功率在10mW左右，经过镱光纤两级放大后功率可以到2W左右，脉宽被展宽到皮秒量级，为了保证超连续产生中的强非线性效应，需要将脉宽压窄，全光纤压缩器可以采用光纤光栅压缩或者光子晶体光纤提供负色散，最短可以将脉冲压缩到100多飞秒。
实施例3，
一种高效超稳的空间全光纤光学频率梳装置。图3是本发明的一个实施例中的镱光纤输出的超连续光谱曲线。如图3所示，所述镱超连续产生和分路拍频，产生的超连续的典型参数为：重复频率为100MHz、功率为1.5W、谱宽覆盖600nm-1000nm范围。利用波分复用器件，将这样的激光分成多路路，每一路的覆盖波长都不同，根据需求用于测量不同的激光频率。比如600nm-700nm，700nm-800nm，800nm-900nm，900nm-1000nm等等。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种全光纤光学频率梳装置，其特征在于，包括超稳光梳源和拍频单元，所述超稳光梳源为掺铒光纤，以提供增益的光梳种子；所述拍频单元由掺镱光纤提供增益；所述超稳光梳源产生的激光通过光纤输入至所述拍频单元后进行放大和分频拍频。
2.根据权利要求1所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述超稳光梳源包括通过光纤连接的掺铒的光纤飞秒激光振荡器、掺铒光纤放大器、非线性光纤、自参考测量、电路锁定。
3.根据权利要求2所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述掺铒的光纤飞秒激光振荡器能够输出超短脉冲激光，所述掺铒的光纤飞秒激光振荡器为偏振旋转锁模、饱和吸收体直腔锁模、8字型或9字型的环形腔中的一种。
4.根据权利要求1所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述拍频单元包括通过光纤连接的掺镱光纤放大器、光纤压缩器、非线性光纤超连续产生、分光及拍频。
5.根据权利要求4所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述拍频单元中对所述非线性光纤产生的超连续光进行分光时，按照功率分为若干路，所述若干路中的任一路均可与不同波长的连续光拍频。
6.根据权利要求4所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述拍频单元中对所述非线性光纤产生的超连续光进行分光时，按照波长分为若干路，所述若干路中的任一路均为单一波长，且只能与其相同波长的连续激光拍频。
7.根据权利要求4所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述掺镱光纤放大器采用一级放大或者二级放大。
8.根据权利要求4所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述光纤压缩器为布拉格衍射光纤或者有负色散补偿效应的拉锥光子晶体光纤。
9.根据权利要求1所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述超稳光梳源输入至所述拍频单元的激光为1030nm光谱成分。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的全光纤光学频率梳装置，其特征在于，所述超稳光梳源中经过掺铒的光纤飞秒激光振荡器、掺铒光纤放大器及非线性光纤后产生的1030nm激光，输入到所述拍频单元中，经过所述拍频单元中的掺镱光纤放大器、光纤压缩器、光纤超连续产生后，分为若干路，与不同的连续激光进行拍频，最后由探测器探测到信噪比足够高的拍频信号。
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