CN107611757B - 一种两段式弱调制f-p腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两段式弱调制F‑P腔，包括两段不同的光纤、全反射镜与二色镜；两段不同的光纤相互之间通过物理对接的方式连接；两段不同的光纤各自的另一端分别放置有二色镜和全反射镜；二色镜和全反射镜分别与两段不同光纤对接的抛光面构成了两个有相互作用的弱调制F‑P腔；其中，二色镜对泵浦光功率的透过大于90%，对信号光的透过小于10%；两段不同的光纤的长度均小于等于10cm。本发明突破了传统方法对F‑P腔精细度的限制，通过两个F‑P腔相互作用产生的扇形包络对纵模的压制作用，抑制基频，直接产生了稳定的二倍频。本发明结构简单紧凑，调制深度下降了两个数量级，在天文光学频率梳的实现、粒子加速激光系统的芯片集成等方面，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高精细度F-P腔技术领域，具体涉及一种能实现脉冲重复频率加倍的两段式弱调制法布里-帕罗腔(以下简称F-P腔)
背景技术
为了满足天文探测光谱校准的需求，更好地实现类地球行星的精确探测，如何将激光器输出脉冲重复频率加倍，一直是被关注的重点课题。近年来，人们对外太空的关注程度不断增加，重复频率加倍技术的研究逐渐成为研究热点。
重频加倍技术有两大思路：其一是在腔外引入两个平行的二色镜，通过构建腔外F-P腔来增加重复频率，该方法最早于1989年由Sizer等人率先提出，后来在一系列实验中被证实；其二是在腔内构建一个F-P腔或等效F-P腔，直接实现超高重频的脉冲输出。尽管目前的重频加倍技术已经在高重频宽带光谱方向上取得了一定的进展，但是，已有的高精细度F-P腔滤波器由于其频率选择性，存在着易失谐、反馈控制系统复杂、脉冲串不规则等问题，在实际应用中具有诸多限制。
对于一个两端放置有反射率分别为R1和R2的反射镜的F-P腔，其精细度可表示为：F＝π(R1R2)1/4/(1-R1R2 1/2)。目前，用于提高脉冲重复频率的F-P腔滤波器，为了使不需要的脉冲得到有效抑制，精细度普遍在102～104范围内。尽管脉冲在F-P腔内往返时，这种抑制作用会加倍，但是，据报道，为了达到50dB的非谐振抑制，也需要F-P腔的精细度至少能达到400。然而，高精细度会带来保持滤波器传输的峰值和所需模式一致性的困难，而且其累积效应会引起相位漂移。
为了解决这些问题，克服高精细度F-P腔在脉冲重复频率加倍上的缺陷，本发明提出了一种新型的两段式弱调制F-P腔，它突破了以往对精细度要求的极限，让精细度降低两个数量级，并且能够直接在锁模激光器内产生与高精细度F-P腔质量相当的高信噪比二倍频。
发明内容
本发明的目的之一在于提出了一种能将脉冲重复频率加倍的位于激光腔内的弱调制F-P腔，其弱调制深度比已有报道的传统的F-P腔要下降两个数量级。
本发明的目的至少通过以下方案之一实现。
一种两段式弱调制F-P腔，包括两段不同的光纤、全反射镜与二色镜；两段不同的光纤的两端经过镜面抛光，两段不同的光纤相互之间通过物理对接的方式连接；两段不同的光纤各自的另一端分别放置有二色镜和全反射镜；二色镜和全反射镜分别与两段不同光纤对接的抛光面构成了两个有相互作用的弱调制F-P腔；其中，二色镜对泵浦光功率的透过大于90％，对信号光的透过小于10％；两段不同的光纤的长度均小于等于10cm。
进一步地，输入泵浦光后，两个F-P腔会相互作用，产生一个扇形的周期性包络；该包络能抑制基频，直接产生二倍频。
进一步地，其调制深度均小于10％，精细度小于100。
进一步地，两段不同的光纤分别为一段有源光纤与一段无源光纤，两段不同的光纤的两端抛光成镜面后，采用机械对接的方式将其中一端相互连接；有源光纤未与无源光纤连接的另一端，放置全反射镜；无源光纤未与有源光纤连接的另一端，放置二色镜；有源光纤与无源光纤分别组成了两段紧密相连、有相互作用的弱调制F-P腔。
进一步地，所述的一种两段式弱调制F-P腔从左到右依次是二色镜,第一陶瓷管、普通单模光纤、第二陶瓷管、第三陶瓷管、增益光纤、第四陶瓷管、全反射镜；其中各陶瓷管的内径与光纤的外径相同，普通单模光纤和增益光纤穿于陶瓷管内；各陶瓷管的端面磨平后进行镜面抛光处理；二色镜对泵浦光的透过率为95％，对信号光的透过率为5％；二色镜与第二陶瓷管的平整端面构成了第一弱调制F-P腔，全反射镜与第三陶瓷管的平整端面构成了第二弱调制F-P腔；第二陶瓷管与第三陶瓷管通过机械对接的方式，将两段光纤即普通单模光纤和增益光纤连接在一起。
进一步地，所述的一种两段式弱调制F-P腔从左到右依次是二色镜、第一玻璃管、普通单模光纤、第二玻璃管、增益光纤、全反射镜；其中，各玻璃管的内径与光纤的外径相同，光纤穿于玻璃管内，玻璃管的端面磨平后进行镜面抛光处理；二色镜对泵浦光的透过率为90％，对信号光的透过率为5％；二色镜与第一玻璃管另一端的平整端面构成了第一弱调制F-P腔，全反射镜与第二玻璃管管另一端的平整端面构成了第二弱调制F-P腔；第一玻璃管与第二玻璃管通过机械对接的方式，将两段光纤连接在一起。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过构建一个两段式弱调制F-P腔，提出了一种新的脉冲重复频率加倍的方法。它突破了传统方法对F-P腔精细度的限制，通过两个F-P腔相互作用产生的扇形包络对纵模的压制作用，抑制基频产生，直接实现重复频率的加倍。该两段式F-P腔与普通的F-P腔相比，结构简单紧凑，调制深度下降了两个数量级，在天文光学频率梳的实现、粒子加速激光系统的芯片集成等方面，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中的两段式F-P腔结构装置图。
图2为本发明实施例2中的两段式F-P腔结构装置图。
图3为本发明测试例中的两段式F-P腔结构装置图。
图4为测试例中的输出脉冲的频谱图。
图5为测试例中的输出脉冲的时域图。
图6为测试例中的输出脉冲的自相关图。
图7为测试例中F-P腔1的反射曲线图。
图8为测试例中F-P腔2的反射曲线图。
图9为测试例中两个F-P腔相互作用的结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明做进一步的详细说明。但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1为本实施例的两段式F-P腔结构图，从左到右依次是二色镜1、第一陶瓷管2、普通单模光纤(SMF 28e)3、第二陶瓷管4、第三陶瓷管5、增益光纤6、第四陶瓷管7、全反射镜8；其中各陶瓷管的内径与光纤的外径相同，普通单模光纤和增益光纤穿于陶瓷管内；各陶瓷管的端面磨平后进行镜面抛光处理；二色镜对泵浦光的透过率为95％，对信号光的透过率为5％；二色镜与第二陶瓷管4的平整端面构成了第一弱调制F-P腔1，全反射镜与第三陶瓷管5的平整端面构成了第二弱调制F-P腔2；第二陶瓷管4与第三陶瓷管5通过机械对接的方式，将两段光纤即普通单模光纤和增益光纤连接在一起。
本实例采用的普通单模光纤的长度L1为5cm，增益光纤的长度L2为6cm。
实施例2
图2为本实施例的两段式F-P腔结构图，从左到右依次是二色镜1、第一玻璃管202、普通单模光纤(SMF 28e)3、第二玻璃管204、增益光纤5、全反射镜6；其中，各玻璃管的内径与光纤的外径相同，光纤穿于玻璃管内，玻璃管的端面磨平后进行镜面抛光处理；二色镜对泵浦光的透过率为90％，对信号光的透过率为5％；二色镜与第一玻璃管202另一端的平整端面构成了第一弱调制F-P腔，全反射镜与第二玻璃管管204另一端的平整端面构成了第二弱调制F-P腔；第一玻璃管202与第二玻璃管204通过机械对接的方式，将两段光纤连接在一起。
本实例采用的普通单模光纤的长度L1为4.5cm，增益光纤的长度L2为3.6cm。
测试例：
图3为本测试例的两段式F-P腔结构图，从左到右依次是二色镜1、第一陶瓷管2、普通单模光纤3、第二陶瓷管4、铒镱共掺磷酸盐增益光纤305、全反射镜306。其中，普通单模石英光纤的长度L1为3.6cm，增益光纤的长度L2为3.3cm，陶瓷管的内径与光纤的外径相同，光纤穿于陶瓷管内。陶瓷管的端面磨平后进行镜面抛光处理。
为了尽可能的降低准直损耗，采用等离子体溅射的方式，将二色镜直接镀膜在陶瓷管2的光纤端面上。该二色镜对1564nm的信号光透过率为0.7％，对976nm的泵浦光透过率为95％。第一陶瓷管2的另一端与第二陶瓷管4通过物理对接的方式，将普通单模光纤3即普通单模石英光纤与铒镱共掺磷酸盐增益光纤305连接在一起。
放置在最右端的全反射镜306采用的是可饱和吸收镜(SESAM)，该反射镜对1550nm附近的光有强反射效应，对1564nm的信号光反射率高达90.8％。
从图3箭头方向射入光波长为976nm、功率为850mW的泵浦光，使用示波器、频谱仪、自相关仪等设备对出射光进行探测。
测试结果如下：
图4、图5、图6分别为测试例中的输出脉冲的频谱图、时域图和自相关图。测试例中，锁模激光腔的等效长度为6.9cm，根据光速c、腔长L、基频重复频率B与光纤折射率n的关系B＝c/(nL)计算可知，该激光腔的基频重复频率约为1.44GH。从时域图和频谱图中可以看出，输出脉冲的重复频率约为2.8GHz，是基频的两倍。此外，从频谱图和自相关图可以看出，被加倍后的脉冲信噪比高达75dB，脉冲宽度3.9ps，说明具有很高的脉冲质量。
测试例中，两段式弱调制F-P腔中重复频率会加倍的理论机理如下：
由于所使用的磷酸盐增益光纤与商用石英光纤的折射率不同，磨平再通过镜面抛光处理后，用机械对接的方式连接在一起时，在端面间对1564nm的光存在一个约为反射率约为4％的弱反射。因此。二色镜1与第一陶瓷管2另一端的平整端面构成了第一弱调制F-P腔，而S ESAM与第陶瓷管4另一端的平整端面构成了第二弱调制F-P腔。根据以上数据，可以计算出这两个弱调制的F-P腔，精细度分别为1.6％与1.8％。对于这两个弱调制F-P腔，脉冲在其中传输的反射函数在数学上可用下列函数描述：
其中，u为电场增幅，z为光纤的纵向间距，t弛豫时间，ω是角频率。β2、γ、g和Ω分别是二阶色散常数、非线性系数、可饱和增益系数和增益带宽常数。Ra是饱和情况下SESAM的反射系数。
对于第一F-P腔，通过上式计算出的反射曲线如图7所示。
对于第二F-P腔，通过上式计算出的反射曲线如图8所示。
将上述两个函数做叉乘运算，即可得到两个F-P腔相互作用的结果(图9)，同时也是本测试例中输出结果的理论值。可以看到，两个F-P腔相互作用产生的扇形对纵模产生了很好的压制，抑制了基频，直接产生二倍重复频率。在扇形包络中，小峰间的间隔约为2.86GHz，扇形包络的总体宽度为36.19GHz，与前面所述的脉冲性能测试结果完全吻合。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种两段式弱调制F-P腔，其特征在于包括两段不同的光纤、全反射镜与二色镜；两段不同的光纤的两端经过镜面抛光，两段不同的光纤相互之间通过物理对接的方式连接；两段不同的光纤分别为一段有源光纤与一段无源光纤；两段不同的光纤各自的另一端分别放置有二色镜和全反射镜；二色镜和全反射镜分别与两段不同光纤对接的抛光面构成了两个有相互作用的弱调制F-P腔；其中，二色镜对泵浦光功率的透过大于90%，对信号光的透过小于10%；两段不同的光纤的长度均小于等于10cm；输入泵浦光后，两个F-P腔会相互作用，产生一个扇形的周期性包络；该包络能抑制基频，直接产生二倍频。
2.根据权利要求1所述的一种两段式弱调制F-P腔，其特征在于，其调制深度均小于10%，精细度小于100。
3.根据权利要求1所述的一种两段式弱调制F-P腔，其特征在于，两段不同的光纤的两端抛光成镜面后，采用机械对接的方式将其中一端相互连接；有源光纤未与无源光纤连接的另一端，放置全反射镜；无源光纤未与有源光纤连接的另一端，放置二色镜；有源光纤与无源光纤分别组成了两段紧密相连、有相互作用的弱调制F-P腔。
4.根据权利要求1所述的一种两段式弱调制F-P腔，其特征在于，从左到右依次是二色镜,第一陶瓷管、普通单模光纤、第二陶瓷管、第三陶瓷管、增益光纤、第四陶瓷管、全反射镜；其中各陶瓷管的内径与光纤的外径相同，普通单模光纤和增益光纤穿于陶瓷管内；各陶瓷管的端面磨平后进行镜面抛光处理；二色镜对泵浦光的透过率为95%，对信号光的透过率为5%；二色镜与第二陶瓷管的平整端面构成了第一弱调制F-P腔，全反射镜与第三陶瓷管的平整端面构成了第二弱调制F-P腔；第二陶瓷管与第三陶瓷管通过机械对接的方式，将两段光纤即普通单模光纤和增益光纤连接在一起。
5.根据权利要求1所述的一种两段式弱调制F-P腔，其特征在于，从左到右依次是二色镜、第一玻璃管、普通单模光纤、第二玻璃管、增益光纤、全反射镜；其中，各玻璃管的内径与光纤的外径相同，光纤穿于玻璃管内，玻璃管的端面磨平后进行镜面抛光处理；二色镜对泵浦光的透过率为90%，对信号光的透过率为5%；二色镜与第一玻璃管另一端的平整端面构成了第一弱调制F-P腔，全反射镜与第二玻璃管管另一端的平整端面构成了第二弱调制F-P腔；第一玻璃管与第二玻璃管通过机械对接的方式，将两段光纤连接在一起。
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