CN108292821A - 使用光学操纵器生成频率梳的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于频率梳生成的设备(13)包括二阶非线性的部件(115)，其中该部件被配置为与激光束(103)或激光束的派生物(103A)相互作用并由此生成用于频率梳(125)的频率。该设备有利地包括光学操纵器(111)，该光学操纵器既包括部件(115)又另外地被配置为以重复或谐振方式(118)将光束(103)或其派生物(103A)引入(117)到部件(115)。该部件例如是包括光学晶体并且具有所述二阶非线性的单片电路或其他固体光学谐振器或微谐振器。

Description

使用光学操纵器生成频率梳的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于生成频率梳的方法和设备。特别地，本发明涉及使用引入到光学操纵器的激光束生成光学频率梳。
背景技术
光学频率梳(OFC)，即具有由许多等距离离散线组成的光谱的相干宽带光，已成为许多研究领域例如时间和频率计量学和分子光谱学中的有价值的工具。激光器的锁模是用于生成OFC的最常用方法。其他方法包括相位调制Fabry-Perot腔和光学微谐振器。最近用这种微谐振器证明了倍频程跨频率梳生成和锁模。
锁模激光器实例在时域中产生具有一定重复频率frep的短(飞秒)激光脉冲。如现有技术图1所示，激光的光谱是频率梳，其中模式间隔恰好为frep。
在图1左侧部分的时域中，基于锁模激光器的OFC生成器以重复率frep产生一连串的短激光脉冲，该重复率为100MHz。通过傅里叶变换获得OFC光的对应频域呈现，即光谱。如图1右侧部分所示例的，光谱由窄的激光峰或模式的宽梳组成。峰之间的间隔是恰好为frep，并且梳的光谱带宽高达100THz。因此，峰的典型数量可高达一百万(BW/frep～1014Hz/108Hz)。
由于梳形成基于光学克尔效应，即三阶光学非线性，所以微谐振器梳也被称为克尔梳。(三阶非线性＝立方非线性＝克尔非线性＝χ(3)非线性)。在EP1988425B1的公开中描述了微谐振器梳的一个实例。
在现有技术图2中显示了克尔梳在微谐振器中的形成原理。[Kippenberg，T.J.，Holzwarth，R.&Diddams，S.A.Microresonator-Based OpticalFrequency Combs.Science332,555-559(2011)]，其中谐振器材料的三阶(克尔)非线性引起频率梳的形成。使用例如光纤或棱镜将连续波(CW)激光耦合到微谐振器中。这种泵浦激光器的光谱由单个峰组成—换言之，激光器一次只能发射一个波长。微谐振器被设计成使得激光场在其中谐振，这引起谐振器中显著的光功率增强。部分谐振光被耦合输出，例如使用光纤，并导向至应用。梳形成过程通过退化的四波混频(FWM)开始，其中两个泵浦光子(101a、101b)被转换为一对新光子(102a、102b)。能量是守恒的，即：2hvpump＝hv102a+hv102b，其中h是普朗克常数，vpump是泵浦激光频率(hvpump＝c/λpump，其中c是光速，λpump是泵浦激光波长)。hv102a和hv102b是新场的频率。边带是在泵浦频率vpump周围对称产生的。
四波混频是源于克尔非线性的众多效应之一。梳形成过程通常由所谓退化的FWM开始，其中两个泵浦激光光子被转换为一对新光子。这引起在最初泵浦激光频率周围的对称边带生成(现有技术图2中的过程(1))。一旦生成边带，梳形成过程还可以通过非退化的FWM继续，其中梳的两种模式的混合产生另外的模式(现有技术图2中的过程(2))。
克尔非线性的强度(以及因此FWM过程的强度)正比于IL×n2，其中IL是谐振器中的激光强度(单位W/m2)，并且n2是所谓的非线性折射率(又称克尔系数；单位m2/W)。(“总”折射率是n＝n0+IL×n2，其中n0是材料的线性折射率)。OFC只有在IL×n2足够高时才生成。就像n0一样，非线性折射率是材料属性并且不能改变。对于大多数材料而言，n2的值相对小，这意味着为了获得OFC生成，IL需要非常高。在高质量的微谐振器中可以获得足够高的强度，这将激光场限制在非常小的模体积中。
非退化的FWM可以定性地理解如下：当频率为v1和v2的两个激光束在材料中传播时，它们通过克尔效应产生非线性折射率，其以差频率Δv＝|v1-v2|振荡。该振荡折射率调制激光场的相位，引起在频率v1±Δv和v2±Δv处的新边带。
梳模式间隔(大致)由谐振器大小确定。微谐振器的相邻谐振模式之间的频率差为Δv＝c/nL，其中c为光速，n～n0为谐振器材料的折射率。L是谐振器的往返长度。对于二氧化硅微谐振器，典型的光学周长为nL＝1.5×1mm，引起Δv～(3×108m/s)/1.5mm～200GHz的微谐振器模式间隔。频率梳模式间隔与微谐振器的模式间隔大致相同。
色散，折射率n0随波长的变化，对梳形成有影响。由于色散，微谐振器模式的频率间隔Δv不是精确恒定的，而是随着波长变化。这可能会导致非等距的OFC，并且最终将限制梳的光学带宽，因为由FWM生成的梳模式不再与谐振器模式重叠。然而，自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)——源于克尔非线性的效应——可部分补偿微谐振器色散。结果，生成等距宽带OFC是可能的。请注意，由于克尔非线性(n2)是材料属性，因此根据实验中使用的微谐振器材料，色散补偿(以及因此高效的克尔梳生成)只能在特定波长下进行。
在自相位调制中，光波的相位由波本身修改。这源于克尔效应：材料的折射率改变Δn＝IL×n2，其中IL又是光场的强度。由于材料中的波长是λ0/n＝λ0/(n0+Δn)，其中λ0是真空波长，所以折射率的变化引起相变。
交叉相位调制(XPM)与SPM基本相同，但是现在光波A的相位被光波B的强度修改(反之亦然)。此外，这种情况的发生是由于克尔非线性，其由非线性折射率n2描述。
然而，关于已知的现有技术有一些缺点，诸如克尔梳生成通常仅可能在微谐振器中，因此模式间隔相当大，这是明显的缺点，因为特别在气体分析中需要小模式间隔。另外，用于克尔梳生成的大多数材料中OFC生成所需的激光强度非常高。此外，根据克尔梳生成的梳模式间隔不能被修整(tailor，定制、调整)或改变。另外，克尔梳生成以及通过锁模激光器的OFC生成在中红外波长中也是非常困难或甚至是不可能的。
发明内容
本发明的目的是减轻和消除与已知的现有技术有关的问题。特别地，本发明的目的是提供一种用于通过显著小于已知系统中的激光强度生成频率梳的设备和方法。另外，本发明的一个目的是提供一种方法和装置，其中可以修整非线性并且可以改变或控制梳光谱和模式间隔。还有一个目的是提供用比现有技术显著更小的激光强度生成光学频率梳，以及生成中红外波长。
本发明的目的可以通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及使用根据权利要求1的光学操纵器生成频率梳的设备。另外，本发明涉及使用根据权利要求21的光学操纵器生成频率梳的方法。
根据本发明的实施方式，通过使用光学操纵器和包括二阶非线性的部件来生成频率梳。光学操纵器有利地被配置成以重复的(例如，谐振)方式向部件引入激光束和/或其派生物(derivative，衍生物)。该部件被配置为与所述激光束和/或所述激光束的派生物相互作用，从而生成用于频率梳的频率。该部件有利地包括具有二阶非线性的光学非线性晶体材料。该部件材料可以是例如准相位匹配或双折射相位匹配的光学非线性晶体材料。所述激光束的派生物是例如处于所述激光束的谐波频率(诸如二次谐波频率)的光束或处于被重新引入到部件中的已生成梳的频率的光束。
在本发明中，三阶非线性(克尔效应)通过称为级联式二阶非线性的过程来模拟，该级联式二阶非线性又称为级联式二次非线性(CQN)或级联式χ(2)非线性或χ(2)：χ(2)—非线性。二阶非线性效应发生在缺少反对称性的材料中——具有大二阶非线性的材料通常被称为非线性晶体。
根据实施方式，该部件被配置为应用级联二次非线性处理，所述频率梳生成是基于该级联二次非线性处理的。根据实施方式，该组件可以具有或布置成应用略微偏离零(Δk≠0)的相位匹配，以便通过级联式二次非线性执行所述频率梳生成。然而，根据示例性实施方式，在相位匹配(Δk＝0)处的二阶非线性也可以足以提供频率梳生成。使用具有二阶非线性效应的部件的本发明提供了超过已知的现有技术诸如克尔非线性的巨大优势，即由级联式二次非线性引起的有效三阶非线性可以通过调整Δk来修整，而现有技术“真”克尔非线性是固定的材料参数。
该部件有利地包括准相位匹配的光学非线性晶体材料，诸如周期性极化的铌酸锂(PPLN)、周期性极化的钽酸锂(PPLT)、周期性极化的磷酸钛氧钾(PPKTP)、掺杂有金属离子诸如镁的铌酸锂(MgO：PPLN)。可替代地或另外，该部件还可以包括适于应用级联二次非线性过程的双折射相位匹配的非线性晶体，诸如偏硼酸钡(BBO)。
有利地，该设备被配置成在中红外区域中产生频率梳。这可以通过使用用于级联式二次非线性效应的中红外泵浦激光器来直接实现，或者通过使用具有二阶非线性的另外的非线性晶体材料将梳从例如近红外转移到中红外来间接实现，如在本文中的其他地方描述的那样(例如图5A、图5B)。
根据实施方式，光学操纵器可以包括光学谐振器、光纤谐振器或环路、或微谐振器或单片电路或其他固体晶体谐振器。
根据实施方式，该部件被布置为用作光波导。在该实施方式中，光学操纵器可以包括布置在该部件周围的反射镜，由此该反射镜被配置为以重复的方式将激光束和/或其派生物反射到该部件。根据实例，该部件的端部设置有反射材料诸如反射镜，以便以重复的方式将所述激光束波长和/或其派生物反射到所述用作波导的部件内。
另外，根据实施方式，可以将在部件和/或周围介质的界面处的界面材料选择成对激光束和/或其派生物进行全内反射，从而生成谐振器。此外还有，激光束和/或其派生物关于该部件的内表面(因此在部件内部)的入射角可以被布置为用于全内反射的临界角度，使得所述全内反射发生并且因此以重复或谐振的方式将激光束和/或其派生物重新引回到该部件。
重复方式意味着激光束和/或其派生物在往返行程之后在所述部件(或光学操纵器)内部建设性地与其自身、光束和/或其派生物干涉，从而生成所述部件的谐振器。
根据实施方式，所述光学操纵器可以包括光学微谐振器，其中该部件材料被布置为与该激光束和/或该激光束的派生物相互作用，从而生成用于频率梳的频率。微谐振器可以例如由二阶非线性准相位匹配的光学晶体或双折射光学晶体制成，如本文中其他部分所讨论的那样。
根据实施方式，光学操纵器包括至少一个第一环路，诸如光纤谐振器环路。环路可以接收激光束和/或其派生物并且另外地将接收的激光束和/或其派生物引回到光学操纵器和所述部件，从而形成谐振器。应该注意的是，根据实施方式，可以使用至少两个第一环路。当第二个第一环路的长度不同于第一个第一环路的长度时，生成具有不同模式间隔的另外的梳。
由于梳的模式间隔(大致)由谐振器大小确定，因此谐振器的长度(诸如环路或光纤谐振器或其他结构，光束和/或其派生物在其中行进一定路径，其长度可以被改变)确定梳模式间隔。因此，对谐振器诸如环路的长度的选择提供了确定梳模式间隔的容易、廉价且有效的方式，并且可以根据梳的预期应用来选择。另外在这种情况下，甚至不需要反射镜，因为光纤环路形成谐振器。与现有技术中已知的微谐振器梳相比，根据本发明的梳模式间隔可以被设计用于几乎任何应用。例如，与现有技术的克尔梳不同，也可容易地获得50MHz至500MHz数量级的小模式间隔。例如在气体分析应用中是需要这种小模式间隔的。
根据实施方式，光学操纵器还可以包括至少一个样本环路，诸如光纤谐振器环路。样本环路可以接收激光束和/或其派生物并且引入所接收的激光束和/或其派生物以与样本介质相互作用，并且从而形成经相互作用的激光束派生物，包括例如吸收光谱。在相互作用之后，样本环路有利地将所述经相互作用的激光束派生物引回到光学操纵器和所述部件。样本介质可以是例如气体介质或液体介质。样本环路或设备可以包括腔，例如样本介质可以被引导到该腔，或者可以去除环路的覆盖材料的一部分以便将样本介质布置成与样本环路的一部分光学地接触，从而允许激光束和/或其派生物与样本介质相互作用。
要注意的是，即使没有使用第一环路，样本环路也可以用于引入光束和/或其派生物以与样本介质相互作用，因此第一环路的使用不是强制性的。另外，应该注意的是，样本环路的结构和性质有利地与第一环路相似，不过样本环路仅被修改成使得其能够引入光束和/或其派生物以与样本介质相互作用。
气体介质或液体介质的光谱可以在设备内部或外部完成。光谱可以通过使用例如两个略微不同的梳来实现。由于样本环路或第二个第一环路，梳可以由设备同时产生。根据实例，样本环路的长度不同于任何第一环路的长度，但也可以是相同的。
根据实施方式，部件可以包括至少两个部分，其中第一部分包括与第二部分不同的结构性质。结构性质尤其涉及二阶非线性或相位匹配(或两者)的性质，诸如哪些波长是相位匹配的以及相位匹配偏离零多少。由此，第一部分被配置为生成这样的频率梳，该频率梳具有的频率与由第二部分生成的频率梳的频率不同，因此可以形成两个不同的频率梳。
作为实例，所述第一部分的相位匹配可以偏离零第一量，并且所述第二部分的相位匹配可以偏离零第二量，其中所述第一量和第二量不相等且彼此不同。然而，根据另一实施方式，所述第一部分的相位匹配可以偏离零第一量，并且第二部分的相位匹配不必偏离零，而是可以为零。这些解决方案的好处是可以使用相同的部件同时生成处于两个或更多个波长区域的频率梳。
第一部分通常负责创建频率梳的级联过程，并且通常相位匹配为此偏离零。然而，第二部分不是必须被设计用于级联过程，而是通常用于将频率梳(或其泵浦光束)转移到另一波长，在这种情况下该过程应该是相位匹配的，并且因此第二部分的相位匹配应对该另外的过程基本上为零。当频率梳需要位于中红外区域中时，该方法是特别有利的，这在现有技术的频率梳生成器中很难达到：频率梳可以通过在第一部分中泵浦的简单且便宜的近红外激光器生成，而第二部分将频率梳转移到目标中红外波长。
此外还有，设备还可以包括被布置为与该设备连接的另外的光学装置，诸如被配置为使由该设备的至少一个环路或其他部分转移的至少一个波长的强度放大的光学放大器。可替换地或另外地，该设备还可以例如包括用于过滤期望的波长的滤光器，或者用于调制期望的波长的振幅或相位调制器，诸如电光调制器。
如在本文中其他地方所讨论的那样，通过改变谐振器的长度(诸如光纤环路或用作谐振器或谐振器的一部分的其他结构的尺寸)可以容易地改变或控制梳模式间隔。可替换地或者另外地，还可以使用电光调制器，以至少用于精确控制模式间隔。谐振器的长度可以例如通过机械拉伸或热膨胀来改变。另外，可以通过在部件上施加电场并由此改变所述部件的折射率来改变或控制梳模式间隔。
作为实例，可以根据实施方式设计该设备，使得当可以例如通过略微改变谐振器(诸如光纤环路)的长度来实现～1MHz的微调时，该设备标称地产生例如100MHz的模式间隔。应该注意的是，这些值或范围仅是示例，并且本发明或本发明的范围不仅仅限于那些值或范围。
当一个或多个样本环路(或谐振器的其他部分)用于样本介质分析或在光学上收集样本介质的数据时，该设备还有利地包括用于接收和输入来自激光源的激光束的输入，以及另外还包括用于输出所生成的频率梳以及激光束的其他派生物诸如吸收光谱的输出。输入和/或输出可以包括可用于引导激光束进入和离开光学操纵器的光阑、光纤、光波导、棱镜和/或透镜。
用于频率梳生成的方法和设备的基本原理之一如下。首先，输入的激光束被转换为二次谐波(SH)，并且继在该部件中的短传播之后，二次谐波(SH)被反向转换为新光束，该新光束由于级联式二次非线性或另外地由于相位匹配(略微)偏离零而有利地略微偏离激光束频率。要注意的是，这里SH仅作为例子，以及另外还有“二阶非线性”类型的其他级联式二次非线性过程是可能的，诸如和频生成(SFG)，所以SFG的反向转换与上面描述的SHG的反向转换是类似的方式。
准确地说，梳形成要求通过这种反向转换过程生成的新的波长分量。这些新的分量有利地与输入的激光束在相同的波长区域内，但是波长略微不同。因此，可以实现(模拟)与由真三阶非线性引起的频率梳效应基本上类似的频率梳效应。
所使用的部件的非线性折射率可以近似为：
其中deff是该部件材料的二阶非线性系数，npump和nshg分别是在激光束和二次谐波频率处的线性折射率，并且Δk是代表SH过程的所述相位匹配的波矢量失配。
根据有利的实施方式，非线性折射率被配置为可通过改变波矢量失配(Δk)的值来改变。作为实例，这可以例如通过改变准相位匹配部件(晶体)的极化周期Λ来完成。改变波矢量失配(Δk)的另一种方式是通过改变部件(晶体)的温度。因此，根据本发明，非线性折射率可以是正值或负值(例如通过使用Δk>0可以获得的负值)。这对于现有技术中的“真”克尔非线性是不可能的，对于该“真”克尔非线性n2总是正的并且取决于材料。这使得不仅可以实现正的而且可以实现负的SPM，由此允许补偿正常色散和反常色散二者，而由“真”克尔非线性引起的SPM只能补偿反常色散。
根据实施方式，部件(诸如晶体或光纤)可以由至少两种不同的介质组成，或者该部件(诸如晶体或光纤)或其至少一部分可以是经掺杂的材料。掺杂可以通过提供激光增益的材料来实现。在那种情况下，该部件可以与输入的激光束相互作用并且在谐振器或光学操纵器内部生成输入光束的第二波长。第二波长可以用作派生物，并且用作级联非线性过程的泵，并因此生成用于频率梳的实际频率。
要注意的是，该设备可以包括激光源，诸如连续波或脉冲泵浦激光源。可替代地或另外，还可以使用外部激光源，因此光学操纵器例如经由输入与激光源输出光学地耦合，使得激光束可以如所描绘的那样被引入到部件。另外要注意的是，例如由部分1生成或移位的梳的偏移频率可以通过调谐所使用的激光器诸如泵浦激光器的频率或功率来调谐。
此外，本文中描述的本发明的实施方式可用于确定和分析样本介质，诸如气体样本或液体样本，在该实施方式中使用至少一个第一环路和/或至少一个样本环路。有利地通过使用至少一个第一环路生成第一频率梳，如在本文的其他地方所描述的那样。然而，根据另一实施方式，可以仅通过使用该部件来生成第一频率梳，因此即使没有第一环路或其他谐振器也可以使用样本环路。另外，至少一个第二环路被用于接收激光束和/或其派生物，引入所接收的激光束和/或其派生物以与样本介质相互作用并且形成包括经相互作用的激光束派生物，所述激光束派生物包括由于与所述样本的相互作用而生成的吸收光谱。此外，将经相互作用的激光束派生物引回到光学操纵器并且再次引入到该部件以形成第二频率梳，该第二频率梳的频率偏离第一频率梳Δf。
根据实施方式，该设备还可以包括检测器，因此第一频率梳和第二频率梳被引入检测器。在检测器上它们形成第三频率梳，该第三频率梳基于检测器上的所述第一频率梳和第二频率梳的差拍信号。差拍信号基于所述第一频率梳和第二频率梳的(小)频率差Δf。根据实施方式，第三频率梳的梳模式间隔是Δf。有利地，第三频率梳还包括从所述第二频率梳继承的吸收光谱信息。最有利地，所述第三频率梳的频率范围或梳模式间隔Δf在1Hz-1kHz的范围内，在这种情况下，第三频率梳通常居中在1kHz-1GHz(音频或无线电频率)，比光频更容易准确地测量和分析。
本发明与已知的现有技术相比提供明显的优点，下面将对该优点进行讨论。在本发明中非常方便的是，由所讨论的实施方式的级联式二次非线性引起的有效三阶非线性可以通过调整Δk来修整，而现有技术“真”克尔非线性是固定材料参数并且不能被改变。结果，根据本发明，由于级联式二次非线性(CQN)的有效三阶非线性(即，n2的值)可以比现有技术的大多数材料的“真”克尔非线性高几个数量级。因此，本发明中用于光学频率梳(OFC)生成所需的激光强度显著地小于现有技术克尔梳生成的情况。实际上，这意味着OFC的实施和应用更加多样化。
现有技术的克尔梳的生成仅可能在微谐振器中，然而根据本发明的频率梳可以在更大的谐振器中生成，这允许更小的模式间隔。另外，其甚至不需要那么高的质量，这使得更简单的实现和获得小模式间隔的可能性。例如在气体分析中需要小模式间隔。
此外，有效四波混频(FWM)的强度以及与有效的现有技术克尔非线性有关的其它效应可以例如通过调整Δk进行修整。尤其，根据本发明可以修整自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)，以实际地对在部件或晶体材料的透明度范围内的任何波长均衡谐振器色散。在现有技术“真”克尔非线性情况下，SPM和XPM是固定的材料参数，这使得取决于材料的色散，仅在某些波长才能形成梳，这是明显的缺点。这是现有技术克尔梳生成处于中红外波长困难的原因之一。
另外，根据本发明的频率梳生成可以例如用没有调制器的简单连续波(CW)激光器来实现，因此该设备比起例如锁模激光器是简单和便宜的。也可以在非线性晶体材料的透明度范围内的任何波长下操作。尤其，根据本发明的频率梳也在中红外区域中工作，尤其是在>3μm的波长处，这例如对于气体分析应用是重要的，并且不能被锁模激光器访问。例如，中红外操作对于现有技术克尔梳是具有挑战性的，原因在于例如材料色散。
此外，频率梳可以容易地与其他二阶非线性过程组合，这使得可以用容易获得的低成本近红外泵浦激光器访问例如中红外区域，这对于现有技术的微谐振器克尔梳系统是不可能的。而且，由于高效的三阶非线性，与现有技术的克尔梳相比，可以使用更小的激光强度。出于同样的原因，谐振器不需要具有高质量。连同修整级联式二次非线性过程的可能性，这些特性使用于各种应用的多用途低成本梳生成变得可能。而且，基于光波导或微谐振器的新实施方式使得梳生成器紧凑且稳健并且引起比在所提出的“自由空间”解决方案中高得多的激光强度(并且因此高得多的CQN强度)。这是因为在该过程中涉及的激光束被波导/微谐振器限制在小模体积内，而在自由空间解决方案中，当它们在晶体中传播时光束会发散。
在本文中参照前述实施方式解释了本发明，并且展示了本发明的若干优点。显然，本发明不仅限于这些实施方式，而是包括在本发明构思和随附专利权利要求的精神和范围内的所有可能的实施方式。被认为是本发明的特性的新颖性特征尤其在所附权利要求中阐述。然而，结合附图阅读下面的具体实施方式的描述，将最好地理解关于其构造和其操作方法二者的本发明本身连同其附加目的和优点。
在本专利申请中呈现的本发明的示例性实施方式不应被解释为对所附权利要求的适用性造成限制。在本专利申请中使用的动词“包括”用作不排除也存在未列举的特征的开放式限制。除非另有明确说明，从属权利要求中列举的特征可以相互地自由组合。
附图说明
接下来将根据附图参照示例性实施方式更详细地描述本发明，其中：
图1示出了在时域和频域中的基于锁模激光器的现有技术光学频率梳生成，
图2示出了现有技术微谐振器克尔梳生成的原理，
图3示出了相位匹配和相位失配的原理，
图4示出了源于级联式二次过程的自相位调制原理，
图5A-图5C示出了根据本发明的有利实施方式的通过级联式二次非线性过程生成光学频率梳的原理，
图6A-图6D示出了本发明的单谐振OPO(光参量振荡)有利实施方式中的级联式二次非线性(CQN)梳生成的实例，
图7A-图7B示出了根据本发明的有利实施方式的基于级联式二次非线性的光学频率梳生成的实现原理，
图8-图9示出了根据本发明的有利实施方式的使用基于光波导的固体部件的梳生成的实例，
图10示出了根据本发明的有利实施方式的梳生成的另一实例，
图11示出了根据本发明的有利实施方式的梳生成的又一实例，
图12-图13示出了根据本发明的有利实施方式的梳生成的又一实例。
具体实施方式
图1-图2示出了现有技术并且在本文前面讨论过。
图3示出了没有准相位匹配(左画面)和有准相位失配(右画面)的二次谐波生成原理。二次谐波生成(SHG)或倍频是二阶非线性过程的典型例子。在SHG中，激光束(泵浦激光束，也称为基波束，其频率为vpump＝c/λpump，其中λpump为激光波长)103通过非线性晶体。在这个过程中，两个泵浦光子被转换成一个具有泵浦光子两倍能量的光子。如果满足以下条件，泵浦激光束可以高效地转换为二次谐波频率(vSHG＝2vp)：
能量守恒：
hvSHG＝hvpump+hvpump (1)
相位匹配(动量守恒)：
Δk＝kSHG-2kpump＝0 (2)
其中kx＝2πnx/λx是波矢量，x表示下标泵、SHG。上述条件中的第一个条件显然满足。另一方面，相位匹配条件通常不被满足，因为由于材料色散导致npump≠nSHG。该物理解释是这样的，由于晶体中的两个波的相速度(c/nx)不同，所以在晶体中在不同位置处生成的SHG波破坏性地干涉，并因此在SHG处不会生成显著的输出(参见图3的左画面)。该左画面示出了相位失配情况下的(Δk≠0)SHG，其中在频率VSHG处没有显著的输出功率。右画面示出了相位匹配的(Δk＝0)SHG过程，其中频率VSHG处的功率随着泵浦激光束在晶体中传播以泵浦功率为代价单调地增加。
实现相位匹配的最常见技术之一是准相位匹配(QPM)，其中晶体方向被周期性地反转，使得在每个Lc之后发射的SHG波的相位被反转(改变180度)。这里，Lc＝π/(kSHG-2kpump)是所谓的相干长度，即晶体(因此部件)中的传播长度，在其之后SHG场通常会从与之前发射的场相关的相位出来(参见图3中的曲线104)。在实践中，QPM可以通过使用永久反转晶体极性的电场对晶体材料周期性极化来实现。用Λ表示的极化周期(QPM周期)通常为5-50μm，这取决于晶体材料、波长和相互作用的类型。在QPM的情况下，针对SHG的相位匹配条件变为：
Δk＝kSHG-2kpump-2π/Λ＝0 (3)
如果晶体与极化周期相配Λ＝Lc，则对有效SHG实现Δk＝0和(准)相位匹配。在这种情况下，随着泵浦激光束在晶体中传播，SHG功率单调增加(参见图3中的曲线105)。但是，请注意，晶体也可以被设计为其他Λ值，这使得可以修整相位失配值Δk。
尤其是当Δk从零略微失谐时，获得级联式二次非线性。在这种情况下，首先将泵浦场转换为二次谐波(SH)，但在晶体中短暂传播后，由于相位失配，SH波会被反向转换(back-convert)为泵浦频率(见图3)。这里术语级联式是指这个过程是两个二阶非线性过程的级联，即SHG和反向转换的级联。反向转换过程也被称为下转换(因为频率减半)或光参量转换。这种级联式过程引起下述物理现象，这样的物理现象实质上模拟那些源自三阶(现有技术克尔非线性)的物理现象。这可以依据有效的非线性折射率来描述，其被定义为：
其中deff是晶体材料的二阶非线性系数，以及npump和nshg分别是泵浦和二次谐波频率下的线性折射率。
级联式二次非线性可以产生与现有技术的“真”三阶非线性引起的效果相似的效果。作为实例，由级联式二次非线性引起的自相位调制可以被理解为图4所示的那样，其示出了源于级联式二次过程的自相位调制的原理，其中自相位调制之后是反向转换。线106描述基波(泵浦)场，并且线107表示SH频率处的场。由于相位失配(Δk≠0)，生成的SH波在大约半个相干长度的传播之后被转换回基频。由于泵浦波和二次谐波在晶体(因此部件)中以不同的速度传播，所以反向转换波获得关于最初泵浦场的相位差Δφ。结果，在vpump处的总场(最初+再生)也相移。这对应于现有技术的“真”自相位调制。
图5A、图5B示出了通过根据本发明的有利实施方式的级联式二次非线性过程生成光学频率梳的原理，其中可以看出，由于级联式二次非线性能够“模拟”三阶非线性，诸如FWM和SPM，具有类似于克尔梳生成的效应的光学频率梳生成是可能的。该过程用频率为vpump的激光泵浦。相位失配的二次谐波生成(SHG)产生频率为vshg的光。该光的反向转换在vpump周围生成梳。
值得提到的是，在级联式二次非线性情况下梳边模式的增长也可以用纯二阶过程来解释，而不用类比克尔型四波混频。即使在小相位失配(Δk≠0但接近于零)的情况下，晶体(即晶体部件)中常常也会产生一些二次谐波(SH)功率。因此，对于Δk＝0或者对于Δk≠0但接近零，该SH功率可以用作对所谓的光参量振荡(OPO)的泵浦。这是基本上与SHG相反但由光学谐振器增强的二阶非线性过程。频率为vpump的最初泵需要谐振，以便发生该OPO/反向转换过程。OPO过程的光学带宽相对大，允许反向转换到接近但非恰好vpump的频率。以这种方式，该级联式过程——SHG之后反向转换——将能量从泵浦频率转移到附近的谐振器模式，创建具有与谐振器模式间隔(近似)相等的模式间隔的频率梳。此外，OPO/反向转换过程需要服从相位匹配条件，但就像SHG的情况，Δk不需要恰好为零。然而当Δk失谐远离零时，这两个过程都变得更弱。然而，通常，使用小的相位失配(Δk≠0)而不是相位匹配(Δk＝0)是非常有利的。相位失配的调整可用于针对目标应用修整和优化频率梳光谱。通常可以用相位失配的过程来实现最宽且最平滑的光谱。这有关于事实：通常限制频率梳生成的材料色散可以通过施加适当的相位失配来补偿。图6示出了使用图7b中呈现的具有另外的二阶非线性晶体部件114的设备通过级联式二次非线性生成光学频率梳的基本原理。图5B的上部画面示出了发生在另外的非线性晶体部件114中的OPO过程。“信号”束或“闲置”束(或二者)在由反射镜形成的光学操纵器(谐振器)中谐振。如果相应地设计第一晶体部件110中的级联式二次非线性过程，则在谐振波长周围产生OFC(在该实例中在vs周围)。图5B的下部画面示出的过程与图5A中示出的过程相同。由于其他非线性混频过程，梳结构也被复制到涉及的其他波长，诸如闲置。
另外要注意的是，由于固有的非线性混频过程，频率梳结构在所有派生物周围都是继承的。例如，围绕二次谐波(SH)频率的梳由SHG和来自位于最初泵浦激光频率(vpump)附近的梳模式的和频生成(SFG)产生。而且，在图6的情况下，闲置波和信号波之间的SFG围绕频率vp复制梳。如在图6A-图6D中可以看到的那样。
图6A-6D示出了在单谐振OPO中另外的级联式二次非线性(CQN)梳的发生。在图6A中由泵浦光子生成信号光子和闲置光子(1/λp＝1/λs+1/λi，其中λp、λs和λi分别是泵浦束、信号束和闲置束的波长。信号波在OPO腔中谐振。在图B)和图C)中，级联式二次非线性引起梳形成(SFG＝和频生成)。在图D)中，通过差频生成(DFG)将梳结构转移到闲置波。信号梳和闲置梳的反向转换也在耗尽的泵浦波中生成弱梳结构。
图7A-图7B示出了基于根据本发明的有利实施方式的级联式二次非线性生成光学频率梳的实现原理。在图7A-图7B中所示的基于级联式二次非线性的频率梳生成器设备10、11的部件为：用于激光束的输入109，该激光束以频率vpump为级联式二次非线性过程提供能量；产生级联式二次非线性过程的二阶非线性晶体部件110；以及光学操纵器111(又称光学腔)，用作谐振器并由反射镜(mirror，镜)112或其他反射装置形成。另外，该设备还包括用于输出所生成的频率梳的输出108。泵浦波在谐振器中谐振，并且梳模式间隔大致由谐振器模式间隔确定。而且，谐振器用于发生有效的反向转换过程(OPO)(图5A)。
图7A示出了基于级联式二次非线性的光学频率梳的示例性实现(设备10)。级联式二次非线性晶体部件110放置在包括四个反射镜112的光学操纵器111(用作谐振器)内。反射镜的≥2的任何数量都是可能的，如此以提供谐振器。图7B示出了另一示例性实现(设备11)，其中使用另一非线性过程，即光参量振荡(OPO)，在操纵器111内产生级联式二次非线性泵浦激光束113。
除了另外的二阶非线性晶体部件114被放置在光学操纵器111中，图7B中示出的设备11在其他方面都类似于图7A中示出的设备10。该部件114被用于光参量振荡(OPO)，其基本类似于图5A示出的反向转换过程。然而，这两者不应被混淆，即也存在一些不同之处。根据实施方式，另外的OPO是相位匹配的，使得频率为vp的泵浦激光束产生两个新的光束：所谓的信号(vs，其现在等于级联式二次非线性过程的vpump)和闲置(vi)，参见图5B。在该过程中能量依旧守恒：vp＝vs+vi。这个附加过程的目的是双重的：
(1)用于级联式二次非线性过程的泵浦光束(vpump)现在在光学操纵器(谐振器)内部在另外的晶体部件114中产生。这简化了实验实现，因为高功率外部泵浦光束耦合到谐振器并不总是如此微不足道，如图7的右画面所示的那样。
(2)另外的OPO用作波长转换器。良好且便宜的泵浦激光器对近红外线很容易获得，但对中红外线不易获得，该中红外线对许多应用来说都是重要的波长范围。OPO将泵浦激光器的光转换为信号频率和闲置频率，后者通常位于中红外区域中。另外，通过级联式二次非线性在信号频率(vs)周围生成的光学频率梳结构固有地转移到中红外区域，处于vi周围。这由于另外的晶体部件114中的另一二阶过程——差频生成(DFG)——而发生。DFG过程服从与OPO过程相同的相位匹配条件vp＝vs+vi，并且在vs处的梳与vp混频，生成在vi处的梳。
图7A-图7B中所示的实现的共同特征在于他们都基于自由空间光学操纵器111(谐振器)，其中谐振器包括分开的反射镜112，并且激光束在反射镜之间的自由空间传播。图7A、图7B和图8-图9的设备还可以包括激光源121，但是也可以使用辅助激光源。图8-图9示出了根据本发明的有利实施方式的使用基于光波导115的单片电路或其他固体部件生成梳的另一实例(设备12、设备13)，其中谐振器在二阶非线性材料周围形成而没有任何自由空间传播。图8-图9的设备12、设备13中使用的单片电路或其他固体结构使得设置更紧凑、稳健以及更简单且更易于使用和组装。而且，单片电路或其他固体结构的许多实施方式导致谐振器(光学操纵器)内较高的激光强度IL，这增强了级联式二次非线性效应，因此使得可以用低功率激光器生成梳，从而允许成本效益和低功耗。
波导115有利地被制造成内部为光学非线性晶体部件材料，该光学非线性晶体部件材料例如是周期性极化的铌酸锂(PPLN)。在图8的设备12中，谐振器通过用反射材料116涂覆晶体部件端部或光纤117的端部而形成，使得反射材料116反射梳波长处的光。另一可能性是将反射镜置于与波导端部接触。光通常在自由空间中或者使用光纤117被耦入和耦出，但是也可以使用其他引导装置，如本文中其他地方所描述的。在图9的设备13中，波导115(晶体部件)是光纤谐振器的一部分。在该实施方式中，不需要反射镜，因为光纤环路118形成谐振器，所以将光束派生物103A以重复或谐振的方式引入到部件115。谐振器(环路118)的长度确定梳模式间隔，并且可以根据梳的预期应用来选择长度，如在本文其他地方所描述的。
图10示出了根据本发明的有利实施方式的生成梳的另一实例(设备14)，其中另外的部件119、124诸如样本(辅助)光学环路119可以被集成到设备中。样本光学环路119可以用于例如样本介质分析，如本文其他地方所描述的那样。另外地或可替换地，另外的部件119、124也可以包括光学放大器、气体电池或滤波器等。而且，谐振器可以具有若干个并联分支，该若干个并联分支可以具有不同长度。结果，具有不同模式间隔的若干梳可以用单个设备生成，这提供了超过现有技术解决方案的明显优点。
图11示出了根据本发明的有利实施方式的生成梳的又一实例(设备17)，其中通过在最初反射器112和112B之间应用另外的半透明反射器112A来对基本类似于图7A(或图7B)的结构进行改变，并从而提供具有不同长度的两个并联谐振器。根据实施方式，如果该实例用于样本分析(可选择特征)，则待确定的样本可以插入在例如112C的区域中。
图12-图13示出了根据本发明的有利实施方式的通过使用单片电路或其他固体结构生成梳的又一实例(设备15、设备16)。在图12中，梳在由非线性准相位匹配的光学晶体制造的微谐振器120中生成。该设备和方法也可以用于将频率梳转移到与最初泵浦激光波长不同的波长区域。例如，如图13所示，可以使用低成本的近红外泵浦激光器生成中红外梳，其中该过程与图6中所描述的过程相同，并且也可以例如在图8和图9的实施方式中实施。负责OPO波长转换的准相位匹配(QPM)结构可以与负责级联式二次非线性过程的QPM结构一起集成在相同装置中，这对于传统的现有技术克尔梳是不可能的。这可以利用本发明通过在微谐振器部件120中的二阶非线性介质(123A、123B)中用合适的掺杂介质掺杂123部件材料或使用两种不同构造的部分来实现。

Claims (22)

1.一种使用光学操纵器(111)生成频率梳的设备(10-16)，
其中，所述设备包括：
-输入(109)，所述输入用于将激光束(103)引导到所述光学操纵器(111)中，
-部件(114、115、120)，所述部件包括二阶非线性，所述光学操纵器(111)被配置为以重复的方式将所述激光束(103)和/或其派生物(103A)引入到所述部件，由此所述部件被配置为与所述激光束和/或所述激光束的派生物相互作用，从而生成用于所述频率梳的频率，以及
-输出(108)，所述输出被配置为输出由所述部件生成的所述频率梳的频率，以及
其中，所述部件的相位匹配被布置为偏离零。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述部件包括准相位匹配的光学非线性晶体材料，诸如周期性极化的铌酸锂(PPLN)、周期性极化的钽酸锂(PPLT)、周期性极化的磷酸钛氧钾(PPKTP)、掺杂有金属离子诸如镁的铌酸锂(MgO：PPLN)、和/或双折射相位匹配的非线性晶体诸如偏硼酸钡(BBO)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，由此所述部件被配置为执行级联二次非线性过程。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学操纵器包括：光学谐振器(115)、光纤谐振器(118)、或微谐振器(120)或单片电路或其他固体晶体谐振器(114)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学操纵器包括布置在所述部件周围的反射镜(116)，由此所述部件用作波导(115)，并且所述反射镜被配置为以重复的方式将输入的激光束和/或其派生物反射到所述部件，诸如在所述光学操纵器内反复。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述部件的端部设置有反射材料(116)，以便以重复的方式将所述激光束波长和/或其派生物反射到所述部件内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在所述部件和周围介质的界面处的界面材料被选择成对所述激光束和/或其派生物进行全内反射，并且/或者所述激光束和/或其派生物的角度被布置为用于全内反射的临界角度，使得所述全内反射被配置成以重复的方式将所述激光束和/或其派生物重新引入到用作波导的所述部件内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学操纵器包括至少一个第一环路(118)，所述至少一个第一环路被配置为接收所述激光束和/或其派生物并且另外地被配置为将接收到的所述激光束和/或其派生物引回到所述光学操纵器(111)和所述部件(115)。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，设备包括至少两个第一环路(118)，其中第二个第一环路的长度与第一个第一环路的长度相同或不同，以便提供相同或不同的梳模式间隔。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学操纵器包括至少一个样本环路(119)或谐振器，所述至少一个样本环路或谐振器被配置为接收所述激光束和/或其派生物、引入接收到的所述激光束和/或其派生物以与样本介质相互作用且形成经相互作用的激光束派生物，并且另外地被配置为将所述经相互作用的激光束派生物引回到所述光学操纵器和所述部件。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述样本环路(119)的长度不同于至少一个第一环路(118)的长度。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的设备，其中，所述设备包括被布置成与所述光学操纵器或者至少一个环路(118、119)连接的光学放大器(124)、滤光器(124)、或者振幅或相位调制器(124)诸如电光调制器。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述光学操纵器(111)包括光学微谐振器，其中所述部件材料被布置成与所述激光束和/或所述激光束的派生物相互作用并且从而生成用于所述频率梳的频率。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置成通过下述方式改变或控制所述梳模式间隔，所述方式为：改变所述环路(118)的长度；使用电光调制器；通过机械拉伸或热膨胀来改变谐振器长度(118)；或者在所述部件上施加电场并由此改变所述部件的折射率。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述部件包括至少两个部分(123A、123B)，其中第一部分(123A)包括的所述二阶非线性或偏离零的相位匹配的结构特性不同于第二部分(123B)，由此所述第一部分被配置为生成频率与由所述第二部分生成的所述频率梳不同的频率梳。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述输入和/或输出(108、109)包括用于引导激光束进入和离开所述光学操纵器的光阑、光纤(117)、光波导、棱镜(122)和/或透镜。
17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置为：首先将输入的激光束转换为二次谐波，并且继在所述部件中的传播之后将所述二次谐波反向转换为由于级联二次非线性而偏离激光束频率的新光束，以便产生与由真三阶非线性引起的频率梳的效应基本上类似的频率梳的效应。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置为在中红外区域中产生所述频率梳。
19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备包括激光源(121)，诸如连续波或脉冲泵浦激光源。
20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述部件包括至少两种不同的介质(123A、123B)，诸如掺杂材料，并且被配置为与输入到所述部件的激光束相互作用并且生成所述输入光束的第二波长，其中，所述第二波长被配置为用作所述派生物或泵浦波，并生成用于所述频率梳的频率。
21.一种用于频率梳生成的方法，其中，所述方法包括：
-以重复的方式将激光束和/或其派生物引入(109)至部件(114、115、120)，其中所述部件包括二阶非线性，其中所述部件与所述激光束和/或所述激光束的派生物相互作用，并由此生成用于所述频率梳的频率，以及
-输出(108)由所述部件生成的所述频率梳的频率，以及
其中，所述部件的相位匹配偏离零。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述部件执行级联二次非线性过程。
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