CN109031851A - 基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法 - Google Patents

基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法，该系统中飞秒光纤激光环形振荡器实现锁模激光脉冲输出，依次通过光纤放大器、光学法布里伯罗腔和光纤耦合器后将激光脉冲分为两部分，分别进入不同中心波长的光纤光栅，并各选择一个光学频率梳的梳齿；各个梳齿分别依次经过光学放大器、基于充气空芯光纤的光学参考、光电探测器、反馈系统处理，分别产生输出信号至驱动器，再反馈到飞秒光纤激光环形振荡器上，使得飞秒光纤激光环形振荡器进行相应的频率修正，实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上。本发明无需产生载波包络偏移频率信号，简化了光梳系统，在通信波段便携式光梳的研发方面有重要的应用价值。

Description

基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光光学频率梳技术领域，尤其涉及一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法。
背景技术
飞秒光学频率梳(简称“光梳”)是用于实现对光学频率进行精密测量的工具。它由锁模激光器产生，在时域上是周期性的脉冲序列，在频域上则表现为一系列等间隔、稳定的光学频率分布，即“梳齿”。第n个梳齿的光学频率为fn＝n×frep+fceo。其中frep和fceo分别是激光脉冲的重复频率和载波包络偏移频率，二者均为射频频率。光梳稳频的方案有多种，传统的方案是将frep和fceo均锁定至射频参考。其中fceo的产生通过f-2f技术实现：激光器产生的飞秒脉冲经过光学放大后进入超高非线性光纤实现倍频程的扩谱，然后将该光谱中的长波长成分经过非线性晶体实现倍频，得到短波长的倍频光，再与原倍频程光谱中对应的短波成分进行拍频。由此得到载波相位频率信号，也称“偏移频率”。该方法技术难度大，结构复杂，并且射频信号的不确定度会被放大并传递到光学波段。以通信波段便携度较高的掺铒光纤光梳为例，当重复频率为100MHz时，通信波段的梳齿模数n约为106，所以重复频率的不确定度将被放大106倍，传递到光学频率。因此传统光梳稳频方案通常依赖于高稳定性的射频参考(GPS-Rb钟、氢钟，及超冷钛宝石和钙离子光钟等)来保证光梳的稳定度，价格昂贵，便携度低。
另一种稳频方案是将光梳的梳齿锁定到光学参考上。与射频参考比较，使用光学参考的一大优势在于消除了重复频率不确定度被梳齿模数放大的因素，理论上能大大提高频率梳的稳定性。另外，如果将两个光梳齿分别锁定到不同的光学参考上，光梳就无需再扩频、倍频产生fceo信号，整体系统将大为简化，因而它是一种更有应用前景的光梳稳频手段。
然而，基于气体腔的光学参考的精确度受限于吸收谱线的展宽，而展宽又与受气体压强成正比。空芯光子晶体光纤(HC-PCF)是一种特殊的光纤,其纤芯为空气芯结构,包层由周期性排列的微小气孔构成。这些气孔点阵构成光子晶体,使光波被限制在空气芯形成的缺陷中低损耗传输。这样的结构非常适合用作低压气体腔，能有效抑制吸收谱线的压强展宽效应。不仅如此，全光纤的结构紧凑，小型轻便，是制备便携式光学参考的有效方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，该系统包括依次连接的飞秒光纤激光环形振荡器、光纤光学放大器、光学法布里伯罗腔、光纤耦合器；该系统还包括两条光纤回路，其中一条光纤回路包括依次连接的第一光纤光栅、第一光学放大器、第一基于充气空芯光纤的光学参考、第一光电探测器、第一电子反馈系统、第一驱动器，另一条光纤回路包括依次连接的第二光纤光栅、第二光学放大器、第二基于充气空芯光纤的光学参考、第二光电探测器、第二电子反馈系统、第二驱动器；第一光纤光栅和第二光纤光栅的输入端与光纤耦合器相连，第一驱动器和第二驱动器的输出端与飞秒光纤激光环形振荡器相连；其中：
飞秒光纤激光环形振荡器实现锁模激光脉冲输出，通过光纤放大器将激光脉冲能量放大；经过光学法布里伯罗腔提高激光脉冲的重复频率，再由光纤耦合器将激光脉冲分为两部分，分别进入不同中心波长的第一光纤光栅和第二光纤光栅，并各选择一个光学频率梳的梳齿；各个梳齿分别经第一光学放大器和第二光学放大器放大后，继而通过第一基于充气空芯光纤的光学参考和第二基于充气空芯光纤的光学参考，探测光分别进入第一光电探测器和第二光电探测器转换为电子信号，电子信号分别经过第一反馈系统和第二反馈系统处理，分别产生输出信号至第一驱动器和第二驱动器，再分别反馈到飞秒光纤激光环形振荡器的电压陶瓷和泵浦源上，使得飞秒光纤激光环形振荡器进行相应的频率修正，实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上。
进一步地，本发明的该系统中采用的第一基于充气空芯光纤的光学参考和第二基于充气空芯光纤的光学参考为：
将低压乙炔分子12C2H2气体封存在空芯光子晶体光纤里，制备成全光纤便携式的光学参考。
进一步地，本发明的该系统中实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上的方法具体为：
将通讯波段内的两个独立光梳梳齿分别稳频在乙炔分子的不同吸收谱线上，实现稳频。
进一步地，本发明的该系统中通过光纤放大器将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段。
进一步地，本发明的该系统中经过光学法布里伯罗腔将激光脉冲的重复频率由100MHz提高100倍到10GHz。
本发明提供一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、选取掺铒全光纤环形腔锁模激光器作为飞秒光纤激光环形振荡器，产生初始飞秒激光脉冲；
S2、将初始飞秒激光脉冲通过光纤放大器将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段；经过光学法布里伯罗腔将飞秒激光脉冲的重复频率由100MHz提高100倍到10GHz；
S3、将重复频率提高后的飞秒激光脉冲通过反射型光纤光栅，选取出独立的光梳梳齿，再次进行光学放大后，利用泵浦探测的方法稳频到基于充气空芯光子晶体光纤的全光纤光学参考上。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统及控制方法，所采用的频率基准不同，实现光学参考性能到光梳光学频率的直接传递，保证了光梳的高精准度和高稳定度；该方案无需产生载波包络偏移频率信号，大大简化了光梳锁频系统；该系统实现了光学参考的高稳定性到光学频率梳的直接传递，无需通过f-2f方法产生载波包络偏移频率信号，无需使用昂贵的射频标准，在提高光学频率稳定性的同时，也降低了光梳系统的造价，提高了便携性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例提供的基于光学参考的高稳定度便携式光学频率梳系统模块示意图。
图2是本发明实施例提供的基于光学参考的高稳定度便携式光学频率梳系统装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、选取掺铒全光纤环形腔锁模激光器作为飞秒光纤激光环形振荡器，产生初始飞秒激光脉冲；
S2、将初始飞秒激光脉冲通过光纤放大器将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段；经过光学法布里伯罗腔将飞秒激光脉冲的重复频率由100MHz提高100倍到10GHz；
S3、将重复频率提高后的飞秒激光脉冲通过反射型光纤光栅，选取出独立的光梳梳齿，再次进行光学放大后，利用泵浦探测的方法稳频到基于充气空芯光子晶体光纤的全光纤光学参考上。
如图1所示，本发明实施例的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，该系统包括依次连接的飞秒光纤激光环形振荡器1、光纤光学放大器2、光学法布里伯罗腔3、光纤耦合器4；该系统还包括两条光纤回路，其中一条光纤回路包括依次连接的第一光纤光栅5、第一光学放大器7、第一基于充气空芯光纤的光学参考9、第一光电探测器11、第一电子反馈系统14、第一驱动器15，另一条光纤回路包括依次连接的第二光纤光栅6、第二光学放大器8、第二基于充气空芯光纤的光学参考10、第二光电探测器12、第二电子反馈系统13、第二驱动器16；第一光纤光栅5和第二光纤光栅6的输入端与光纤耦合器4相连，第一驱动器15和第二驱动器16的输出端与飞秒光纤激光环形振荡器1相连；其中：
飞秒光纤激光环形振荡器1实现锁模激光脉冲输出，通过光纤放大器2将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段；经过光学法布里伯罗腔3将激光脉冲的重复频率由100MHz提高100倍到10GHz，再由光纤耦合器4将激光脉冲分为两部分，分别进入不同中心波长的第一光纤光栅5和第二光纤光栅6，并各选择一个光学频率梳的梳齿；各个梳齿分别经第一光学放大器7和第二光学放大器8放大后，继而通过第一基于充气空芯光纤的光学参考9和第二基于充气空芯光纤的光学参考10，探测光分别进入第一光电探测器11和第二光电探测器12转换为电子信号，电子信号分别经过第一反馈系统13和第二反馈系统14处理，分别产生输出信号至第一驱动器15和第二驱动器16，再分别反馈到飞秒光纤激光环形振荡器1的电压陶瓷和泵浦源上，使得飞秒光纤激光环形振荡器1进行相应的频率修正，实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上。
该系统中采用的第一基于充气空芯光纤的光学参考9和第二基于充气空芯光纤的光学参考10为：将低压乙炔分子12C2H2气体封存在空芯光子晶体光纤里，制备成全光纤便携式的光学参考。
该系统中实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上的方法具体为：将通讯波段内的两个独立光梳梳齿分别稳频在乙炔分子的不同吸收谱线上，实现稳频。将通讯波段两个独立光梳梳齿分别稳频在乙炔分子的不同吸收谱线上P(13)和P(23)。由于这种稳频方案无需产生载波包络偏移频率(fceo)信号，大大简化了传统的倚靠锁定偏移频率(fceo)和重复频率(frep)光梳稳频系统。
该系统分为光学和电学两个部分。其中光学系统为全光纤掺铒环形激光腔，光学放大器，光学法布里-伯罗腔和光纤光栅，在图2中以实线标记。电学系统则主要包括法布里-伯罗腔腔长的锁定电路，偏移频率和重复频率的锁定电路，以及泵浦驱动电路，在图2中以虚线标记。
以下举一个具体的实施例。
以掺铒全光纤环形腔锁模激光器为光源，利用非线性偏振旋转机制实现锁模激光的飞秒脉冲输出。中心波长1560nm，脉宽可达120飞秒。继而通过光纤放大器将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段。依次经过光学法布里-伯罗腔和光纤光栅，将重复频率从100MHz提高到10GHz的同时，从频率梳中筛选出两个光学频率成分，分别在1532.8nm和1539.4nm。然后，再次对两个梳齿进行光学放大至40mW，最后将其分别稳频到基于充低压乙炔分子12C2H2的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的两条不同吸收谱线P(13)和P(23)，即两个光学参考上，至此完成飞秒光梳的稳频。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，其特征在于，该系统包括依次连接的飞秒光纤激光环形振荡器(1)、光纤光学放大器(2)、光学法布里伯罗腔(3)、光纤耦合器(4)；该系统还包括两条光纤回路，其中一条光纤回路包括依次连接的第一光纤光栅(5)、第一光学放大器(7)、第一基于充气空芯光纤的光学参考(9)、第一光电探测器(11)、第一电子反馈系统(14)、第一驱动器(15)，另一条光纤回路包括依次连接的第二光纤光栅(6)、第二光学放大器(8)、第二基于充气空芯光纤的光学参考(10)、第二光电探测器(12)、第二电子反馈系统(13)、第二驱动器(16)；第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)的输入端与光纤耦合器(4)相连，第一驱动器(15)和第二驱动器(16)的输出端与飞秒光纤激光环形振荡器(1)相连；其中：
飞秒光纤激光环形振荡器(1)实现锁模激光脉冲输出，通过光纤放大器(2)将激光脉冲能量放大；经过光学法布里伯罗腔(3)提高激光脉冲的重复频率，再由光纤耦合器(4)将激光脉冲分为两部分，分别进入不同中心波长的第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)，并各选择一个光学频率梳的梳齿；各个梳齿分别经第一光学放大器(7)和第二光学放大器(8)放大后，继而通过第一基于充气空芯光纤的光学参考(9)和第二基于充气空芯光纤的光学参考(10)，探测光分别进入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)转换为电子信号，电子信号分别经过第一反馈系统(13)和第二反馈系统(14)处理，分别产生输出信号至第一驱动器(15)和第二驱动器(16)，再分别反馈到飞秒光纤激光环形振荡器(1)的电压陶瓷和泵浦源上，使得飞秒光纤激光环形振荡器(1)进行相应的频率修正，实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上。
2.根据权利要求1所述的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，其特征在于，该系统中采用的第一基于充气空芯光纤的光学参考(9)和第二基于充气空芯光纤的光学参考(10)为：
将低压乙炔分子12C2H2气体封存在空芯光子晶体光纤里，制备成全光纤便携式的光学参考。
3.根据权利要求2所述的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，其特征在于，该系统中实现将两个光学梳齿锁频至气体分子的两条不同吸收谱线上的方法具体为：
将通讯波段内的两个独立光梳梳齿分别稳频在乙炔分子的不同吸收谱线上，实现稳频。
4.根据权利要求1所述的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，其特征在于，该系统中通过光纤放大器(2)将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段。
5.根据权利要求1所述的基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统，其特征在于，该系统中经过光学法布里伯罗腔(3)将激光脉冲的重复频率由100MHz提高100倍到10GHz。
6.一种基于光学参考的高稳定度便携式飞秒光梳系统的控制方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、选取掺铒全光纤环形腔锁模激光器作为飞秒光纤激光环形振荡器，产生初始飞秒激光脉冲；
S2、将初始飞秒激光脉冲通过光纤放大器将激光脉冲能量放大，并扩频覆盖1532-1540nm通讯波段；经过光学法布里伯罗腔将飞秒激光脉冲的重复频率由100MHz提高100倍到10GHz；
S3、将重复频率提高后的飞秒激光脉冲通过反射型光纤光栅，选取出独立的光梳梳齿，再次进行光学放大后，利用泵浦探测的方法稳频到基于充气空芯光子晶体光纤的全光纤光学参考上。
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