CN106444210B - 主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法 - Google Patents

主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法，利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，作用到阶跃恢复二极管，在负载上输出时域间隔为T=1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间皮秒量级的电脉冲信号；用电脉冲信号对强度调制器进行调制，输出时域间隔与电脉冲时域间隔相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号；再对激光脉冲信号进行脉冲展宽、功率放大、脉宽压缩，得到脉冲宽度在飞秒量级、在时域上等间隔的超短脉冲序列，作为重复频率精确锁定的飞秒激光光源作用到太赫兹发生装置，得到重复频率精确锁定的太赫兹光梳。通过电光调制器的调节，实现对太赫兹梳齿宽度的主动调节。太赫兹梳齿的调制准确度高、可调节范围大。

Description

主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法
技术领域
本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法。
背景技术
太赫兹（THz）光谱技术在生物分子检测、物质结构测量、物性分析鉴定、以及半导体与高温超导材料表征等方面已获得重要应用，还可以发展出检测环境中的复杂有机分子的新方法等。而光学频率梳在其频域上有整齐分布的一系列光谱谱线，这些光谱谱线间距相等，数量多，为光谱分析提供精密“刻线”。因此，太赫兹光梳的研究为获得高的太赫兹光谱分辨率提供基础，为提高太赫兹光谱分辨准确性提供技术支持。
光梳在频域上可以表现为一系列初始频率偏移为fCEO，频率间隔为frep的频率分布；在时域上表现为一系列等间隔的超短脉冲序列，时间间隔为T=1/fcep。将飞秒激光光梳作用到光整流晶体及光电导天线产生太赫兹光梳，此太赫兹光梳频率间隔由泵浦太赫兹波的飞秒激光光梳决定，太赫兹光梳梳齿宽度的调节则可通过调节飞秒激光光梳的重复频率来实现。这种方式需要调节飞秒激光光梳的腔长，从而实现对激光重复频率的调制。目前对激光系统中重复频率的调制主要是被动式调节，通过压电陶瓷的电致伸缩控制激光谐振腔的腔长从而控制激光器的重复频率。这种方法在应用过程中存在一些缺点：比如需要高操作电压、对工作环境要求高，长期稳定差等等。
发明内容
本发明是针对目前太赫兹梳齿调制存在稳定性差、对环境要求高的问题，提出了一种主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法，通过电光调制器的调节，实现对太赫兹梳齿宽度的主动调节。
本发明的技术方案为：一种主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法，具体包括以下步骤：
1）制备时域间隔可主动调节、宽度为皮秒量级电脉冲信号：利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T=1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间皮秒量级的电脉冲信号，此电脉冲信号的时域间隔由信号源输出的电信号周期决定；
2）产生时域间隔确定的激光脉冲信号：将激光二极管输出的连续激光输入相位调制器，利用步骤1）中产生的宽度在皮秒量级的电脉冲信号对强度调制器进行调制，输出时域间隔与电脉冲时域间隔相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号；
3）激光脉冲展宽与放大：将步骤2）中产生的时域间隔确定的激光脉冲信号进行脉冲展宽和功率放大，得到脉冲宽度一定、功率较高、时域间隔可主动式调节的激光脉冲信号；
4）将步骤3）得到的激光脉冲信号输入脉宽压缩装置，得到脉冲宽度在飞秒量级、在时域上等间隔的超短脉冲序列，作为重复频率精确锁定的飞秒激光光源；
5）将步骤4）得到的重复频率精确锁定的飞秒激光光源作为激发源，作用到太赫兹发生装置，得到重复频率精确锁定的太赫兹光梳；
6）通过调节步骤1）中信号源输出电信号的周期改变飞秒激光光源的时域间隔，从而达到对太赫兹光梳梳齿宽度的主动式调节。
本发明的有益效果在于：本发明主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法，变被动调节为主动调节，系统可操作性强；太赫兹梳齿的调制准确度高、可调节范围大；简化实验装置，使整个光学系统更趋于小型化，简单化。
附图说明
图1为本发明主动式调制太赫兹光梳梳齿宽度的原理示意图；
图2为本发明主动式太赫兹光梳光谱对样品进行检测结构示意图。
具体实施方式
如图1所示主动式调制太赫兹光梳梳齿宽度的原理示意图，图中虚线表示电信号，实线表示光信号，箭头表示信号传输方向。
图1包括激光二极管101；电脉冲发生装置102；强度调制器103；正色散光纤104；功率放大器105；脉宽压缩装置106；太赫兹发生装置107。
在102电脉冲发生装置中，利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T=1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t（ps量级）的电脉冲信号。此电脉冲信号的时域间隔由信号源输出的电信号周期决定，因此，通过调节信号源输出电信号的周期，可实现对电脉冲信号时域间隔的主动调节。
将图1中激光二极管101输出的连续激光输入强度调制器103。利用电脉冲发生装置102产生的宽度在ps量级的电脉冲对强度调制器103进行调制，强度调制器103输出时域间隔与电脉冲时域间隔相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号。输出的激光脉冲信号通过一定长度正色散光纤104，对激光脉冲进行展宽，并将展宽后的脉冲输入功率放大器105，放大激光脉冲功率，得到脉冲宽度一定、功率较高、时域间隔可主动式调节的激光脉冲信号。将此激光脉冲信号再输入脉宽压缩装置106，得到脉冲宽度在飞秒（fs）量级、在时域上等间隔的超短脉冲序列。该脉冲序列时间间隔精确锁定并可主动调节，作为重复频率精确锁定的飞秒激光光源。
将脉宽压缩装置106输出的飞秒激光光源作为激发源，作用到太赫兹发生装置107，得到相位抖动抵消、重复频率精确锁定的太赫兹光梳。此太赫兹光梳的梳齿宽度与电脉冲发生装置102中信号源输出的频率f一致。通过调节信号源输出电信号的频率改变太赫兹光梳的梳齿宽度，从而达到对太赫兹光梳梳齿宽度的主动式调节。
如图2所示为主动式太赫兹光梳光谱对样品进行检测结构示意图。图中虚线表示电信号，实线表示光信号，箭头表示信号传输方向。
图2包括激光二极管201；电脉冲发生装置202；强度调制器203；正色散光纤204；功率放大器205；脉宽压缩装置206；电光晶体207；样品208；光谱分析装置209。
在202电脉冲发生装置中，利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T=1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t（ps量级）的电脉冲信号。此电脉冲信号的时域间隔由信号源输出的电信号周期决定，因此，通过调节信号源输出电信号的周期，可实现对电脉冲信号时域间隔的主动调节。
将激光二极管201输出的连续激光输入强度调制器203。利用电脉冲发生装置203产生的宽度在ps量级的电脉冲对强度调制器203进行调制，强度调制器203输出时域间隔与电脉冲时域间隔相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号。输出的激光脉冲信号通过一定长度正色散光纤204，对激光脉冲进行展宽，并将展宽后的脉冲输入功率放大器205，放大激光脉冲功率，得到脉冲宽度一定、功率较高、时域间隔可主动式调节的激光脉冲信号。将此激光脉冲信号输入脉宽压缩装置206，得到脉冲宽度在飞秒（fs）量级、在时域上等间隔的超短脉冲序列。该脉冲序列时间间隔精确锁定并可主动调节，作为重复频率精确锁定的飞秒激光光源。
将脉宽压缩装置206输出的飞秒激光光源作为激发源，作用到电光晶体207，通过光整流效应，得到重复频率精确锁定的太赫兹光梳。此太赫兹光梳的梳齿宽度f与电脉冲发生装置202中信号源输出的频率f一致。通过调节信号源输出电信号的频率改变太赫兹光梳的梳齿宽度，从而达到对太赫兹光梳梳齿宽度的主动式调节。将太赫兹光梳作用到样品208，并利用光谱分析装置209分析经过样品的太赫兹光梳光谱信息，达到对样品透射光谱分析的目的。
主动式调制太赫兹光梳梳齿宽度的方法，具体包括以下步骤：
1、制备时域间隔可主动调节、宽度为皮秒（ps）量级电脉冲信号。利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T=1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t（ps量级）的电脉冲信号。此电脉冲信号的时域间隔由信号源输出的电信号周期决定，因此，通过调节信号源输出电信号的周期，可实现对电脉冲信号重复周期的主动调节；
2、产生时域间隔确定的激光脉冲信号。将激光二极管输出的连续激光输入相位调制器，利用步骤1中产生的宽度在ps量级的电脉冲信号对强度调制器进行调制，输出时域间隔与电脉冲时域间隔相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号。此过程中，同样可以通过调节信号源输出电信号的周期，实现对激光脉冲信号时域间隔的主动式调节；
3、激光脉冲展宽与放大。将步骤2中产生的时域间隔确定的激光脉冲信号输入一定长度正色散光纤，对激光脉冲进行展宽。将展宽后的脉冲输入功率放大器，放大激光脉冲功率，得到脉冲宽度一定、功率较高、时域间隔可主动式调节的激光脉冲信号；
4、将步骤3得到的激光脉冲信号输入脉宽压缩装置，得到脉冲宽度在飞秒（fs）量级、在时域上等间隔的超短脉冲序列。该脉冲序列时域间隔精确锁定并可主动调节，作为重复频率精确锁定的飞秒激光光源；
5、将得到的重复频率精确锁定的飞秒激光光源作为激发源，作用到太赫兹发生装置，在太赫兹差频产生过程中，相位抖动抵消，因此，只存在重复频率抖动。由于，飞秒激光光源的重复频率已精确锁定，因此得到重复频率精确锁定的太赫兹光梳；
6、通过调节步骤1中信号源输出电信号的周期改变飞秒激光光源的时域间隔，从而达到对太赫兹光梳梳齿宽度的主动式调节。

Claims (1)

1.一种主动式太赫兹光梳梳齿宽度调制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)制备时域间隔可主动调节、宽度为皮秒量级电脉冲信号：利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T＝1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间皮秒量级的电脉冲信号，此电脉冲信号的时域间隔由信号源输出的电信号周期决定；
2)产生时域间隔确定的激光脉冲信号：将激光二极管输出的连续激光输入强度调制器，利用步骤1)中产生的宽度在皮秒量级的电脉冲信号对强度调制器进行调制，输出时域间隔与电脉冲时域间隔相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号；
3)激光脉冲展宽与放大：将步骤2)中产生的时域间隔确定的激光脉冲信号进行脉冲展宽和功率放大，得到脉冲宽度一定、时域间隔可主动式调节的激光脉冲信号；
4)将步骤3)得到的激光脉冲信号输入脉宽压缩装置，得到脉冲宽度在飞秒量级、在时域上等间隔的超短脉冲序列，作为重复频率精确锁定的飞秒激光光源；
5)将步骤4)得到的重复频率精确锁定的飞秒激光光源作为激发源，作用到太赫兹发生装置，得到重复频率精确锁定的太赫兹光梳；
6)通过调节步骤1)中信号源输出电信号的周期改变飞秒激光光源的时域间隔，从而达到对太赫兹光梳梳齿宽度的主动式调节。
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