CN108919588B - 光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置 - Google Patents

光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，飞秒脉冲激光依次送自相位调制放大部和脉冲主放大部，并得到包含有不同波段的非线性特征峰的激光，远红外光梳部对不同波段非线性特征峰进行调制，得到共线传输的含有两种或两种以上频率的远红外光梳，然后通过频谱分离手段将光梳进行分束处理，得到两束或多束空间分离的远红外光梳。种子激光光梳和任意斯托克斯激光光梳的相位完全一致，因此可以将种子激光光梳和斯托克斯激光光梳看作两个相位自然相关的光梳，无需外加调制便能实现相位锁定。在远红外光梳产生过程中探测反馈信号分别反馈给飞秒激光种子源部和脉宽调制部，从而稳定远红外光梳的时间抖动和相位噪声。

Description

光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置
技术领域
本发明涉及一种远红外检测技术，特别涉及一种光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置。
背景技术
光学频率梳是指在频谱上有一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的激光脉冲。其在频域上能够覆盖极宽的频谱范围。通过在时域上对载波包络相位进行精密控制，可使光学频率梳具有飞秒量级的时间宽度和极高的瞬时电场强度。这些特性使其在高次谐波产生、精密光谱测量、微纳尺度物质加工等领域有着广泛的应用。21世纪以来，随着光纤技术的快速发展，光学频率梳的光源由钛宝石激光器逐步过渡到了体积更小、更易维护、更抗干扰的光纤飞秒激光器。
远红外光波具有很强的穿透性，利用远红外时域光谱技术，可实现对危险品、化学品等物质的精密检测。然而，传统远红外时域谱物质检测技术，往往需要在探测脉冲和基准脉冲之间，延时扫描百皮秒左右，才可能在频域获得足够的频谱精度。这一过程往往需要数十秒甚至上百秒。而实际过程中，需要迅速对危险品、化学品、以及邮包等实现物质定位，数十秒的检测时间无法满足现今远红外物质检测技术对实时安保的需求。而基于远红外光梳的物质检测技术，在检测时只需要扫描两个梳齿之间的间隔，因此，远红外光梳的物质检测技术是一项高精度、迅速标定待测物质的技术，具有革命性的意义。
然而，目前远红外光学频率梳大多由两个或多个高功率光源输出的可见或红外脉冲序列，分别通过非线性晶体产生。然而由于这种方法产生的远红外光梳来源于不同的高功率光源，不同光源存在各自的相位抖动，因此无法保证相位完全一致，其产生的远红外光梳往往缺乏相干稳定的相位关系。因此无法在短时间实现未知物精密检测，限制了该技术的实际应用。同时对于上述多个远红外光梳源，如果调谐其中一个远红外光梳的频段，往往对其他光梳引入时间抖动。正是由于上述关键问题，当今的远红外光梳在物质检测领域难以发挥应有的作用。因此，发展一种宽波段可调谐远红外光梳装置，作为远红外光梳频谱仪的远红外光源，可满足弥补目前远红外光梳源的局限，满足市场对未知物快速检测的需求。
发明内容
本发明是针对远红外光梳运用到实时未知物精密检测存在的问题，提出了一种光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，能够有效的抑制时间抖动和频率漂移，满足实时未知物精密检测要求。
本发明的技术方案为：一种光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，飞秒激光种子源部产生飞秒脉冲激光送自相位调制放大部；自相位调制放大部提升所述飞秒脉冲激光功率，并得到功率超过四波混频功率阈值的高功率激光；自相位调制放大部输出高功率激光送脉冲主放大部，再次提升飞秒脉冲激光峰值功率，产生四波混频效应，再将产生的脉冲压缩处理，得到包含有不同波段的非线性特征峰的激光；脉冲主放大部输出激光送远红外光梳部，远红外光梳部对不同波段非线性特征峰进行调制，得到共线传输的含有两种或两种以上频率的远红外光梳，然后通过频谱分离手段将光梳进行分束处理，得到两束或多束空间分离的远红外光梳；探测部分利用远红外半导体天线探测到共线传输的含有多种频率的远红外光梳，将其转化为电信号，作为反馈信号，将反馈信号输入到信号分析部当中，探测多种远红外光梳之间的相位噪声，将相位噪声作为调制信号反馈回飞秒激光种子源部，对激光种子源腔长的补偿，实时补偿各远红外光梳之间的相位噪声；同时探测部分探测多个远红外光梳的时域光谱，从而反演各个远红外光梳所在的远红外频段，将频段信号反馈回自相位调制放大部调谐远红外光梳频谱。
所述飞秒激光种子源部中第一激光二极管为激光种子源提供能量，种子激光经过第二波分复用器、半导体饱和吸收镜后原路反射回后再依次进入第一增益光纤、压电陶瓷、第一波分复用器和光纤光栅，种子激光从第一波分复用器端口输出。
所述压电陶瓷可以放在第一波分复用器与第一增益光纤的连接处，也可以放在第二波分复用器与第一增益光纤的连接处；相位噪声作为调制信号反馈回飞秒激光种子源部的压电陶瓷，通过压电陶瓷对激光种子源腔长的补偿，实时补偿各远红外光梳之间的相位噪声。
所述自相位调制放大部包括声光调制器、第二激光二极管、合束器、第二增益光纤、聚焦透镜和脉宽调制器；
由飞秒激光种子源部输出的种子激光脉冲进入自相位调制放大部的声光调制器，然后经过合束器，脉冲在第二增益光纤中获得放大，第二激光二极管提供该级放大所需的能量，激光在第二增益光纤放大之后经过聚焦透镜聚焦后进入脉宽调制器对脉宽进行调制。
所述脉宽调制器选用高反镜和光栅对的组合作为脉宽调制器，频段信号反馈给脉宽调制器，通过调节脉宽调制器中光栅对之间的距离，从而调谐远红外光梳频谱。
本发明的有益效果在于：本发明光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，种子激光光梳和任意斯托克斯激光光梳的相位完全一致，因此可以将种子激光光梳和斯托克斯激光光梳看作两个相位自然相关的光梳，无需外加调制便能实现相位锁定。同时对于在实际过程中，在远红外光梳产生过程中引入相位噪声，本发明通过探测反馈信号分别反馈给飞秒激光种子源部和脉宽调制部，从而稳定远红外光梳的时间抖动和相位噪声，并调谐输出远红外光梳光谱，实现了多波长、可调谐的功能。
附图说明
图1为本发明飞秒激光种子源部示意图；
图2为本发明自相位调制放大部示意图；
图3为本发明主脉冲放大部示意图；
图4为本发明远红外光梳生成部示意图；
图5为本发明反馈系统部示意图。
具体实施方式
光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置包括四个部分：飞秒激光种子源部，用于产生飞秒脉冲激光；自相位调制放大部，用于提升所述飞秒脉冲激光功率，并得到功率超过四波混频功率阈值的高功率激光；脉冲主放大部，用于提升所述飞秒脉冲激光峰值功率，产生四波混频效应，再将产生的脉冲压缩处理，得到包含有不同波段的非线性特征峰的激光；远红外光梳部，用于对所述不同波段非线性特征峰进行调制，得到共线传输的含有两种或两种以上频率的远红外光梳，然后通过频谱分离手段将光梳进行分束处理，得到两束或多束空间分离的远红外光梳。
如图1所示是飞秒激光种子源部的示意图。激光二极管105为激光种子源提供能量，种子激光经过波分复用器106、半导体饱和吸收镜107后原路反射回后再依次进入增益光纤104、压电陶瓷103、波分复用器102和光纤光栅101，种子激光从波分复用器102端口输出。压电陶瓷103可以放在波分复用器102与增益光纤104的连接处，也可以放在波分复用器106与增益光纤104的连接处。
如图2所示是自相位调制放大部的示意图。由波分复用器102输出的种子激光脉冲进入自相位调制放大部的声光调制器201，然后经过合束器203，脉冲在增益光纤204中获得放大。激光二极管202提供该级放大所需的能量。激光在增益光纤204放大之后经过聚焦透镜205进入脉宽调制器206对脉宽进行调制。在实际应用当中可以选用聚焦透镜作为光学聚焦系统，选用高反镜和光栅对的组合作为脉宽调制器。具体过程可根据实际需要，采用多个从光隔离器、波分复用器、激光二极管和增益光纤组成的激光放大器件，以实现所需的脉冲预放大。
如图3所示是主脉冲放大部示意图。经过自相位调制放大部预放大的脉冲激光从自相位调制放大部的脉宽调制器206进入主脉冲放大部，经过反射镜301反射然后由光学聚焦系统302耦合到光子晶体光纤303中，该光纤可以对经过预放大之后激光进行进一步的增益和放大，由于较高的峰值功率，因此脉冲在光子晶体光纤303放大过程中引发四波混频效应，产生覆盖多个频段的斯托克斯激光光梳。然后经过光学聚焦系统304，由脉宽压缩部306对脉宽压缩。最右端的激光二极管305为激光的增益提供能量。所述斯托克斯脉冲产生功率阈值约为0.9MW。
如图4所示是远红外光梳部的示意图。远红外光梳部接收到共线的高功率飞秒激光光梳和多波长斯托克斯激光光梳后，利用光学聚焦系统401将其聚焦到非线性晶体402的表面，各阶斯托克斯激光光梳与种子激光光梳在非线性晶体中差频，产生多束低频远红外光梳，然后进入到远红外分频系统403。远红外分频系统将共线的远红外光梳根据不同频率在空间分离。
如图5所示是反馈系统部示意图。探测部分501利用远红外半导体天线探测到403输出的多个频段的远红外光梳，转化为电信号，将其作为反馈信号。然后将反馈信号输入到信号分析部502当中，可以探测多个远红外光梳之间的相位噪声，将这部分调制信号传递给飞秒激光种子源部的增益光纤104所在的压电陶瓷103，通过压电陶瓷103对激光种子源腔长的补偿，实时补偿各远红外光梳之间的相位噪声；同时探测多个远红外光梳的时域光谱，从而反演各个远红外光梳所在的远红外频段，将频段信号反馈给自相位调制放大部的脉宽调制器206，通过调节脉宽调制器206中光栅对之间的距离，从而调谐远红外光梳频谱。
光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，利用空间聚焦系统将脉宽压缩之后的斯托克斯激光聚焦到非线性晶体上，占主要能量的种子光脉冲和各阶斯托克斯激光脉冲，在非线性晶体中差频，产生多个频段共线传输的远红外光梳；再根据不同频率将多个频段的远红外光梳在空间上分离。每个频段的远红外光梳，分束出一小部分能量用远红外半导体天线探测，转化为电信号，将其作为反馈信号。通过反馈信号，探测多个远红外光梳之间的相位噪声，并将调制信号传递给飞秒激光种子源部所在的压电陶瓷，通过压电陶瓷反馈实现激光种子源腔长补偿，实时抑制相位噪声；同时探测远红外时域光谱，从而反演各远红外光梳所在频段，将信号反馈给自相位调制放大部的脉宽调制器206，通过调节脉宽调制器206中光栅对之间的距离，从而调谐远红外光梳所在的频谱。所述远红外光梳的波段为30μm-100μm。

Claims (5)

1.一种光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，其特征在于，飞秒激光种子源部产生飞秒脉冲激光送自相位调制放大部；自相位调制放大部提升所述飞秒脉冲激光功率，并得到功率超过四波混频功率阈值的高功率激光；自相位调制放大部输出高功率激光送脉冲主放大部，再次提升飞秒脉冲激光峰值功率，产生四波混频效应，再将产生的脉冲压缩处理，得到包含有不同波段的非线性特征峰的激光；脉冲主放大部输出激光送远红外光梳部，远红外光梳部对不同波段非线性特征峰进行调制，得到共线传输的含有两种或两种以上频率的远红外光梳，然后通过频谱分离手段将光梳进行分束处理，得到两束或多束空间分离的远红外光梳；探测部分利用远红外半导体天线探测到共线传输的含有多种频率的远红外光梳，将其转化为电信号，作为反馈信号，将反馈信号输入到信号分析部当中，探测多种远红外光梳之间的相位噪声，将相位噪声作为调制信号反馈回飞秒激光种子源部，对激光种子源腔长的补偿，实时补偿各远红外光梳之间的相位噪声；同时探测部分探测多个远红外光梳的时域光谱，从而反演各个远红外光梳所在的远红外频段，将频段信号反馈回自相位调制放大部调谐远红外光梳频谱。
2.根据权利要求1所述光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，其特征在于，所述飞秒激光种子源部中第一激光二极管(105)为激光种子源提供能量，种子激光经过第二波分复用器(106)、半导体饱和吸收镜(107)后原路反射回后再依次进入第一增益光纤(104)、压电陶瓷(103)、第一波分复用器(102)和光纤光栅(101)，种子激光从第一波分复用器(102)端口输出。
3.根据权利要求2所述光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，其特征在于，所述压电陶瓷(103)可以放在第一波分复用器(102)与第一增益光纤(104)的连接处，也可以放在第二波分复用器(106)与第一增益光纤(104)的连接处；相位噪声作为调制信号反馈回飞秒激光种子源部的压电陶瓷(103)，通过压电陶瓷(103)对激光种子源腔长的补偿，实时补偿各远红外光梳之间的相位噪声。
4.根据权利要求1所述光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，其特征在于，所述自相位调制放大部包括声光调制器(201)、第二激光二极管(202)、合束器(203)、第二增益光纤(204)、聚焦透镜(205)和脉宽调制器(206)；
由飞秒激光种子源部输出的种子激光脉冲进入自相位调制放大部的声光调制器(201)，然后经过合束器(203)，脉冲在第二增益光纤(204)中获得放大，作为激光种子源的第二激光二极管(202)将激光送入合束器(203)，为该级放大提供所需的能量，激光在第二增益光纤(204)放大之后经过聚焦透镜(205)聚焦后进入脉宽调制器(206)对脉宽进行调制。
5.根据权利要求4所述光纤激光四波混频驱动产生宽波段可调谐远红外光梳装置，其特征在于，所述脉宽调制器(206)选用高反镜和光栅对的组合作为脉宽调制器，频段信号反馈给脉宽调制器(206)，通过调节脉宽调制器(206)中光栅对之间的距离，从而调谐远红外光梳频谱。
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