CN107918237A - 双飞秒光学频率梳产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双飞秒光学频率梳产生装置，属于飞秒激光技术领域。该装置具有光纤和空间光路组成的环形谐振腔结构，包括：泵浦源、波分复用器、压电陶瓷、掺铒光纤、单模光纤、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜，以及空间光路元件第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束棱镜、光隔离器、第二1/2波片、第二1/4波片；还包括光栅对；所述光栅对由第一光栅和第二光栅组成，置于所述偏振分束棱镜与所述光隔离器之间。装置通过光栅对引入光程差，从而产生重复频率有差异的双飞秒光学频率梳，重频差可通过光栅对的间距进行调节。本发明的装置成本低、体积小、结构简单紧凑、操作方便，具有广泛的工程应用前景。

Description

双飞秒光学频率梳产生装置
技术领域
本发明涉及一种双飞秒光学频率梳产生装置，属于飞秒激光技术领域。
背景技术
飞秒激光在频域为一系列等间隔分布的光谱谱线，谱线间隔等于飞秒激光重复频率，形成一个梳状结构，因此其也被称作飞秒光学频率梳。飞秒光学频率梳光谱范围大，谱线线宽窄，可溯源至频率基准，非常适合应用于光谱测量与分析。2005年，美国科学家霍尔和德国科学家亨施就因“激光精密光谱学尤其是光学频率梳技术上革命性的研究成果”而获得了诺贝尔物理学奖。
基于双飞秒光学频率梳的双光梳光谱测量技术是一项光谱学前沿技术，获得了国内外科学家的广泛关注。双光梳光谱测量需要涉及两束重复频率稍有差别的飞秒激光，将这两束飞秒激光其中之一或共同通过样品，然后利用光电探测器采集它们的外差信号；写入飞秒光频梳谱线上的样品光谱信息被转移到射频域，通过分析外差信号即可提取出样品的光谱信息。双光梳光谱测量具有分辨力高、准确度高、采样速度快、信噪比高的优点，相比传统的傅立叶光谱仪，分辨率可提高4个数量级、采样速度提高6个数量级。因此，双光梳光谱测量在分子精细能级测量、大气污染物监测、发动机燃烧产物检测等科学和工业领域具有巨大的应用价值。
产生两束重复频率有微小差异的飞秒光学频率梳是双光梳光谱测量技术的前提。现有技术需要两台独立的飞秒光学频率梳装置，首先大大增加了成本和系统体积；两台飞秒光学频率梳的偏振、光谱、功率互相独立，可能相差较大，影响了双光梳之间的相干性，进而降低了光谱测量时的信噪比；温度、振动、气流等环境因素对两台独立的飞秒光学频率梳装置的影响无法保证一致，降低了系统的稳定性。因此，产生双飞秒光学频率梳的现有技术制约了双光梳光谱测量的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有通过两台设备产生双飞秒光学频率梳时存在的体积大、结构复杂、稳定性差以及产生的双飞秒光学频率梳之间相干性低的问题，提供一种双飞秒光学频率梳产生装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的双飞秒光学频率梳产生装置，该装置具有光纤和空间光路组成的环形谐振腔结构；包括：泵浦源、波分复用器、压电陶瓷、掺铒光纤、单模光纤、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜，以及空间光路元件第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束棱镜、光隔离器、第二1/2波片、第二1/4波片；还包括光栅对；所述光栅对由第一光栅和第二光栅组成，置于所述偏振分束棱镜与所述光隔离器之间。
所述第一光栅和第二光栅为两片相同的高密度透射式石英光栅，光栅占空比为0.5，光栅周期a的取值范围为2<a<2.15μm，光栅深度h的取值范围为2.65<h<2.72μm。
所述光栅对与光线方向垂直，第一光栅和第二光栅保持平行，刻槽面相对，完全对称放置；任意一片光栅固定在精密纳米位移装置上，可沿光线方向线性移动，精确控制光栅对之间的距离。
所述光栅对的间距小于等于200μm。
所述波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜，以及空间光路元件第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束棱镜、光栅对、光隔离器、第二1/2波片、第二1/4波片共同构成所述双飞秒光学频率梳产生装置的谐振腔；所述掺铒光纤作为增益介质熔接在单模光纤上，除此之外，该装置中其他所有的光纤均为单模光纤；所述光隔离器保证腔内激光单向运转，第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束棱镜、光栅对、光隔离器、第二1/2波片、第二1/4波片在空间光路中沿光线前进方向依次排列；所述泵浦源连接至波分复用器，为所述双飞秒光学频率梳产生装置提供抽运光；所述压电陶瓷上缠绕有一段单模光纤，用于调节腔长；所述第一1/4波片、第一1/2波片、第二1/2波片、第二1/4波片利用非线性偏振旋转锁模原理实现所述双飞秒光学频率梳产生装置飞秒激光脉冲的锁模；所述偏振分束棱镜的反射端口用于双飞秒光学频率梳的输出。
所述双飞秒光学频率梳产生装置的基本原理在于：该装置谐振腔内的光束经过所述光栅对产生衍射，不同级次的衍射光沿不同路径传输，形成了两个光程不同的激光传输环路。每个传输环路对应着一个特定的重复频率，从而使该装置产生重复频率有差异的双飞秒光学频率梳。
根据以上所述的双飞秒光学频率梳产生装置的基本原理，该装置产生的双飞秒光学频率梳的重复频率差可通过光栅对的间距进行调节。
有益效果
1)本发明的装置通过引入光栅对利用单个谐振腔同时产生双飞秒光学频率梳，具有成本低、体积小、结构简单紧凑、操作方便的优点；
2)本发明的装置产生的双飞秒光学频率梳来自于单个谐振腔，可以使双飞秒光学频率梳具有几乎完全相同的偏振、光谱和功率，提高了两者之间的相干性，进而可提高双光梳外差信号信噪比；
3)温度、振动、气流等环境因素对本发明装置产生的双飞秒光学频率梳具有相同的影响，两者的重复频率抖动基本保持一致，易于维持双光梳外差信号的稳定性；
4)通过光栅对的间距可以准确、方便地控制双飞秒光学频率梳的重频差；改变光栅深度h可以方便地调节双飞秒光学频率梳之间的相对强度，整个装置的灵活性和可扩展性更高，功能更加丰富。
附图说明
图1是双飞秒光学频率梳产生装置结构示意图；
其中，1—泵浦源、2—波分复用器、3—压电陶瓷、4—掺铒光纤、5—单模光纤、6—第一光纤准直镜、7—第一1/4波片、8—第一1/2波片、9—偏振分束棱镜、10—光栅对、11—光隔离器、12—第二1/2波片、13—第二1/4波片、14—第二光纤准直镜、15—第一光栅、16—第二光栅。
图2是激光通过光栅对的传播情况示意图；
A为入射光束，B、C、D分别为A经过第一光栅15的+1级衍射、0级衍射、-1级衍射，θ为衍射角，E为B经过第二光栅16的-1级衍射，F为C经过第二光栅16的0级衍射，G为D经过第二光栅16的+1级衍射；a表示光栅周期，h表示光栅深度。
图3是光栅衍射效率随光栅深度的变化关系图；
图4是双飞秒光学频率梳重频差随光栅对间距的变化关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例公开的双飞秒光学频率梳产生装置，如图1所示，该装置具有光纤和空间光路组成的环形谐振腔结构；包括：泵浦源1、波分复用器2、压电陶瓷3、掺铒光纤4、单模光纤5、第一光纤准直镜6、第二光纤准直镜14，以及空间光路元件第一1/4波片7、第一1/2波片8、偏振分束棱镜9、光隔离器11、第二1/2波片12、第二1/4波片13；还包括光栅对10；所述光栅对10由第一光栅15和第二光栅16组成，置于所述偏振分束棱镜9与所述光隔离器11之间。
所述波分复用器2、掺铒光纤4、单模光纤5、第一光纤准直镜6、第二光纤准直镜14，以及空间光路元件第一1/4波片7、第一1/2波片8、偏振分束棱镜9、光栅对10、光隔离器11、第二1/2波片12、第二1/4波片13共同构成所述双飞秒光学频率梳产生装置的谐振腔；所述掺铒光纤4作为增益介质熔接在单模光纤5上，除此之外，该装置中其他所有的光纤均为单模光纤；所述光隔离器11保证腔内激光单向运转，第一1/4波片7、第一1/2波片8、偏振分束棱镜9、光栅对10、光隔离器11、第二1/2波片12、第二1/4波片13在空间光路中沿光线前进方向依次排列；所述泵浦源1连接至波分复用器2，为所述双飞秒光学频率梳产生装置提供抽运光；所述压电陶瓷3上缠绕有一段单模光纤5，用于调节腔长；所述第一1/4波片7、第一1/2波片8、第二1/2波片12、第二1/4波片13利用非线性偏振旋转锁模原理实现所述双飞秒光学频率梳产生装置飞秒激光脉冲的锁模；所述偏振分束棱镜9的反射端口用于双飞秒光学频率梳的输出。
所述光栅对10垂直于光线前进方向放置；其第一光栅15和第二光栅16保持平行，刻槽面相对，完全对称放置；所述第二光栅16固定在精密纳米位移装置上，可沿光线方向线性移动，精确控制光栅对10之间的距离，如图2所示。
所述第一光栅15和第二光栅16是周期相同的高密度透射式石英光栅。石英光栅由微电子刻蚀工艺制作，光栅刻蚀深度影响不同级次的衍射效率。本实例采用的光栅占空比为0.5，周期a为2.10μm。图3显示了衍射效率随光栅深度的变化关系，为了使双飞秒光学频率梳两个成分具有相同的强度，第一光栅15和第二光栅16的光栅深度h均为2.68μm；他们的+1级(-1级)衍射效率为28.5％，衍射角θ为47.6°，0级衍射效率为40.3％。
所述光栅对10的间距控制在小于等于200μm。
本发明的装置产生双飞秒光学频率梳的具体原理为：入射光束A经第一光栅15产生+1级、0级、-1级衍射B、C、D，B、D与C之间存在光程差，光程差Δl＝d/cosθ-d，d为光栅对10间距；经过第二光栅16后，B的-1级衍射E、D的+1级衍射G又重新与C的0级衍射F保持平行，如图2所示。由于光栅对间距非常近，E、F、G之间的横向走离远远小于后续光学元件的有效通光口径，E、F、G均参与腔内激光循环。光束E、G同相，A-B-E和A-D-G共同形成一个激光传输路径，A-C-F形成另一个激光传输路径。因此所述双飞秒光学频率梳产生装置激光谐振腔内存在两条光程不同的路径，可输出重复频率有差异的双飞秒光学频率梳。重频差与光程差的关系为Δfr＝(fr 2/c)×Δl，fr为光栅对10间距为0时的重复频率。
本实例的双飞秒光学频率梳产生装置中掺铒光纤4的长度为50cm，单模光纤5的总长度为130cm，空间光路为30cm，该装置可以产生1550nm、重复频率100MHz附近的双飞秒光学频率梳。开启泵浦源1，调节第一1/4波片7、第一1/2波片8、第二1/2波片12、第二1/4波片13的取向，利用非线性偏振旋转锁模原理达到飞秒激光脉冲的锁模，此时偏振分束棱镜9的反射端口即可输出双飞秒光学频率梳；利用光电探测器可以在偏振分束棱镜9的反射端口探测双飞秒光学频率梳的重频差。
双飞秒光学频率梳的重频差可以通过光栅对10的间距进行方便地调节。当光栅对10的间距在0到200μm之间变化时，该装置产生的双飞秒光学频率梳的重频差在0至3.2kHz之间变化，重频差和光栅对间距的关系呈线性，如图4所示。
本发明装置利用光栅对引入光程差，通过单台设备产生重复频率具有微小差异的双飞秒光学频率梳，具有体积小、结构简单紧凑、操作方便的优点。该装置产生的双飞秒光学频率梳受外界环境的影响一致，系统稳定可靠，光束之间的相干性好。本装置可以用于双光梳光谱测量等前沿领域，具有较强的应用价值。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.双飞秒光学频率梳产生装置，该装置具有光纤和空间光路组成的环形谐振腔结构；包括：泵浦源(1)、波分复用器(2)、压电陶瓷(3)、掺铒光纤(4)、单模光纤(5)、第一光纤准直镜(6)、第二光纤准直镜(14)，以及空间光路元件第一1/4波片(7)、第一1/2波片(8)、偏振分束棱镜(9)、光隔离器(11)、第二1/2波片(12)、第二1/4波片(13)；其特征在于：还包括光栅对(10)；所述光栅对(10)由第一光栅(15)和第二光栅(16)组成，置于所述偏振分束棱镜(9)与所述光隔离器(11)之间。
2.如权利要求1所述的双飞秒光学频率梳产生装置，其特征在于：所述第一光栅(15)和第二光栅(16)为两片相同的高密度透射式石英光栅。
3.如权利要求2所述的双飞秒光学频率梳产生装置，其特征在于：所述光栅占空比为0.5，光栅周期a的取值范围为2<a<2.15μm，光栅深度h的取值范围为2.65<h<2.72μm。
4.如权利要求1所述的双飞秒光学频率梳产生装置，其特征在于：所述光栅对(10)与光线方向垂直，第一光栅(15)和第二光栅(16)保持平行，刻槽面相对，完全对称放置；第一光栅(15)或第二光栅(16)固定在精密纳米位移装置上。
5.如权利要求1或4所述的双飞秒光学频率梳产生装置，其特征在于：所述光栅对(10)的间距小于等于200μm。
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