CN109217090A - 连续光-光学频率梳锁定装置和锁定方法 - Google Patents

连续光-光学频率梳锁定装置和锁定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种连续光‑光学频率梳锁定装置，包括：连续激光源，用于发射连续光；光学频率梳，所述光学频率梳的频率范围覆盖所述连续光的频率；声光移频器装置，用于将所述连续光分成零级衍射光和一级衍射光；相干外差拍频装置，用于获得所述零级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号；以及前置反馈单元，将所述拍频信号反馈给所述声光移频器装置，以将所述一级衍射光锁定至所述光学频率梳。

Description

连续光-光学频率梳锁定装置和锁定方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种连续光-光学频率梳锁定装置和锁定方法。
背景技术
在激光技术研究中，光学频率梳追求超宽光谱和窄脉宽，而稳频激光器追求极窄光谱，两者结合成为研究频率标准和高精度测量的重要工具。为了提高光学频率梳的稳定性，同时压窄光学频率梳梳齿的线宽，通常将光学频率梳锁定到线宽极窄的超稳激光器上，使得超稳激光器的稳定性传递到光学频率梳的每一根梳齿上。反过来，对于频率稳定性和线宽等参数都不如光学频率梳的连续激光器，可以将它锁定到光学频率梳上，以实现连续激光器和光学频率梳的同步，将光学频率梳的稳定性传递到连续激光器上。锁定之后的连续激光和光学频率梳有固定的频率关系，在光学频率标准、时间频率传递、高分辨率分子光谱、气体检测和光通讯等领域有重要的应用。
当前，将连续激光器锁定到光学频率梳上主要是通过电子锁相环电路来实现的，这种锁定方式需要特定的复杂的电子电路，锁定时还需要调节电路的比例积分增益，反馈带宽受到泵浦增益过程的限制，最后只有10～102kHz的带宽，另外，激光产生过程中引入的噪声也很难消除。此外，这种锁定方法直接控制光源产生系统，需要能控制振荡器的调制单元，比如LD电流或PZT等，结构比较复杂。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种连续光-光学频率梳锁定装置，包括：
连续激光源，用于发射连续光；
光学频率梳，所述光学频率梳的频率范围覆盖所述连续光的频率；
声光移频器装置，用于将所述连续光分成零级衍射光和一级衍射光；
相干外差拍频装置，用于获得所述零级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号；以及
前置反馈单元，将所述拍频信号反馈给所述声光移频器装置，以将所述一级衍射光锁定至所述光学频率梳。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定装置，优选地，所述连续光源还包括预稳频单元，用于将所述连续光预稳频。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定装置，优选地，还包括另一个相干外差拍频装置，用于获得所述一级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号以监测锁定效果。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定装置，优选地，所述相干外差拍频装置包括：
一个或多个半波片，用于调节光的偏振方向；
带通滤光片，用于将所述光学频率梳中与所述连续光的波长不匹配的光过滤掉；
第一偏振分束棱镜，用于使所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光同方向传播；
第二偏振分束棱镜，用于使所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光的偏振方向相同且同方向传播以进行拍频。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定装置，优选地，所述相干外差拍频装置还包括光电探测器，用于将从第二偏振分束棱镜输出的拍频信号转换成电信号，并将所述电信号输出至所述前置反馈单元。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定装置，优选地，所述相干外差拍频装置为光纤型相干外差拍频装置，包括：
光纤型带通滤波片，用于将所述光学频率梳中与所述连续光的波长不匹配的光过滤掉；
光纤偏振控制器，用于调节光的偏振方向以使得所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光的偏振方向相同；以及
光纤合束器，用于使所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光同方向传播以进行拍频。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定装置，优选地，所述光纤型相干外差拍频装置还包括光纤耦合器，用于将所述零级衍射光、所述一级衍射光或所述光学频率梳的光引入光纤路径。
本发明还提供了一种连续光-光学频率梳锁定方法，包括如下步骤：
声光移频步骤：采用声光移频器将所述连续光分成零级衍射光和一级衍射光；
相干外差拍频步骤：将所述零级衍射光与所述光学频率梳的光进行拍频；和
锁定步骤：用所述拍频获得的信号控制所述声光移频器，以将所述一级衍射光锁定至所述光学频率梳。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定方法，优选地，还包括预稳频步骤，将所述连续光进行预稳频。
根据本发明的连续光-光学频率梳锁定方法，优选地，还包括监测步骤，用于监测所述一级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号。
与现有技术相比，本发明采用前置反馈技术实现连续激光到光学频率梳的锁定，无需直接调节振荡器，连续激光的线宽可被压窄到mHz量级，相位噪声得到抑制。因此，本发明的方法具有低噪声、宽反馈带宽、电路操作简单和长时间锁定等优点。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明第一实施例的连续光-光学频率梳锁定装置的结构示意图；
图2为用于监测图1所示的连续光-光学频率梳锁定装置的锁定效果的装置示意图；
图3示出根据本发明第一实施例的一级衍射光和光学频率梳拍频信号的噪声功率谱密度曲线(PSD)和积分相位噪声曲线(IPN)；
图4示出根据本发明第一实施例的连续激光锁定到光学频率梳后，一级衍射光和光学频率梳拍频信号的频率抖动；
图5为根据图4所做的阿伦方程曲线；
图6示出根据本发明第一实施例的连续激光锁定到光学频率梳后，一级衍射光和光学频率梳拍频信号的相对线宽；
图7为根据本发明第二实施例的连续光-光学频率梳锁定装置的结构示意图；以及
图8为用于监测图7所示的连续光-光学频率梳锁定装置的锁定效果的装置示意图。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
该实施例提供一种连续光-光学频率梳锁定装置，参见图1，其包括：
连续激光器1，该连续激光器1是以Nd：YAG晶体为增益介质的单块固体环形激光器，输出激光波长为1064nm。在该实施例中，连续激光器内部设置有预稳频单元，其包括倍频器，部分1064nm的连续光倍频到532nm后用碘分子饱和吸收稳频，然后通过控制激光谐振器的腔长和增益介质的温度达到稳频的效果，稳频之后的连续激光和后面提到的光学频率梳的拍频信号的抖动量为几十kHz。
光学频率梳2，该光学频率梳2为掺镱的光纤光学频率梳，锁定至一个波长为972nm半导体连续激光器上，该半导体连续激光器用PDH技术稳频到一个高精细度的真空F-P腔上，振荡器的重复频率为250MHz，经光纤放大和PCF产生倍频程超连续，光谱覆盖范围为500nm～1300nm。理论线宽可以到达mHz量级；载波包络相移频率通过一个锁相环电路锁定在20MHz的射频源上。
声光移频器3，其透射波长为1064nm，调制中心频率为80MHz。调节光路时，首先要给声光移频器3加载80MHz的调制信号，连续激光器1输出的光通过声光移频器3后被分成两束，分别是零级衍射光和一级衍射光，零级衍射光传输方向和频率不发生改变，一级衍射光方向偏离一定角度，光频率也发生一定偏移，偏移量恰好等于80MHz射频驱动频率。可以通过将功率计放在一级衍射光的位置，调节声光移频器3的角度，使一级衍射光最强。一级衍射光的衍射效率与声光移频器3的角度和加载的调制信号的强度两者都有关系，在该实施例中一级衍射光的衍射效率最大可达85％。
反射镜5，用于偏转零级衍射光的方向。
半波片7，用于调节零级衍射光的偏振方向以适应后面的偏振分束棱镜14。
带通滤光片11，用于过滤光学频率梳2的输出光以使得波长为大约1064nm的光通过。
半波片9，用于调节光学频率梳2的光的偏振方向以适应后面的偏振分束棱镜14。
偏振分束棱镜14，用于使零级衍射光和光学频率梳的光在传播方向上完全重合。本领域技术人员能够理解，在图1所示的装置中，偏振分束棱镜14输出的零级衍射光和光学频率梳的光的偏振方向相互垂直。
半波片10，用于调节从偏振分束棱镜14输出的零级衍射光和光学频率梳的光的偏振方向，从而使得两束光具有相同方向的偏振分量。
偏振分束棱镜15，用于使得从其输出的零级衍射光和光学频率梳的光具有相同的偏振方向以能够实现拍频。
光电探测器17，用于将拍频的光信号转换成电信号。
在该实施例中，光电探测器17接入频谱分析仪(图中未示出)，通过调节半波片7、9和10使得拍频信号强度达到30db以上。另外，在该实施例中，半波片7、9和10的直径为12.7mm，适用波长为1064nm，安装在波片镜架上，偏振分束棱镜14和15为边长12.7mm的立方体，适用波长为900～1200nm，安装在光学棱镜调整架上，光电探测器17适用波长为1μm。
在该实施例中，反射镜5、半波片7、9和10、带通滤光片11、偏振分束棱镜14和15、以及光电探测器17构成相干外差拍频装置50(参见图1中点划线框内的部分)，实现零级衍射光和光学频率梳2的输出光的拍频并输出拍频信号fb。本领域技术人员能够理解，在该实施例中，将带通滤光片11移至偏振分束棱镜15和光电探测器17之间，也能实现本发明的目的。
该实施例的连续光-光学频率梳锁定装置还包括：
带通滤波器17，用于过滤掉光电探测器17输出的拍频信号的噪声。
信号发生器18，用于发射射频信号。
混频器19，将信号发生器18发射的射频信号和带通滤波器17输出的拍频信号进行混频。在该实施例中，调节信号发生器18的频率，使得混频后的信号为80MHz。
带通滤波器22，对混频器19的输出信号进行噪声过滤；
低噪声射频放大器20，用于信号放大，低噪声射频放大器20的输出信号传输至声光移频器3，即可完成连续激光器1的一级衍射光到光学频率梳的锁定。
在该实施例中，带通滤波器17和22、信号发生器18、混频器19和射频放大器20构成前置反馈电路(如图1中的虚线电路部分)，其将光电探测器17输出的拍频电信号反馈给声光移频器3，从而锁定从声光移频器3输出的一级衍射光，实现稳定的连续光输出。
上述锁定的理论依据如下：
连续激光器的频率f0和光学频率梳的第n根梳齿的频率fn的关系为f0＝fn±fb，其中，fb为连续激光器和光学频率梳第n根梳齿的频率差，可以通过拍频装置探测得到。
连续激光器的光通过声光移频器，得到的零级衍射光和一级衍射光，其频率分别为f0＝fn±fb和f1＝f0+fAOFS。其中fAOFS为加载到声光移频器上的调制频率。
最后将连续激光器通过声光移频器后的零级衍射光和光学频率梳进行拍频得到拍频信号fb，与外加频率fLO进行混频，混频后的频率信号通过声光移频器加载到光频上，使得零级衍射光的功率略微下降但频率不变，而一级衍射光的频率为:
这样，一级衍射光锁定到了光学频率梳的第n根梳齿上。由于外加信号fLO噪声极低，因此一级衍射光的频率稳定性将取决于光学频率梳梳齿的稳定性。
为了体现本发明的效果，发明人在一级衍射光后面设置了另一个相干外差拍频装置40(如图2的另一个点划线框所示)，将一级衍射光与光学频率梳的光进行拍频，监测拍频信号是否稳定、线宽是否被压窄，从而判断一级衍射光是否被很好地锁定至光学频率梳。具体地，一级衍射光通过反射镜4转向并通过半波片6调节偏振方向，然后借助于偏振分束棱镜13与从偏振分束棱镜14输出的光学频率梳的光同方向传播，经过半波片8调节偏振方向之后再借助于偏振分束棱镜12实现与光学频率梳的光的同方向偏振，然后实现两束光的拍频，然后用光电探测器16转换为拍频电信号以进行监测。发明人测试了连续激光器锁定到光学频率梳后，一级衍射光和光学频率梳拍频信号的噪声功率谱密度曲线(PSD)和积分相位噪声曲线(IPN)，参见图3。从积分相位噪声曲线(IPN)可以看出，锁定后的在1MHz以内的积分相位噪声贡献很小，可以反应出反馈环路的带宽在MHz量级，这相比于传统的电子锁相环电路有巨大的提升。
图4示出本实施例的连续激光器锁定到光学频率梳后，一级衍射光和光学频率梳拍频信号的频率抖动，可以反应锁定后的一级衍射光的长期的稳定性。图中记录了10000秒内的频率抖动，其标准差为4.1mHz(毫赫兹)，相比于预稳定后几十kHz的抖动量，前置反馈方式实现的连续激光器到光学频率梳的锁定大大提高了连续激光器的频率稳定性，锁定时间长达数个小时。如果将该实施例中设置在连续光源内部的预稳频单元去除，锁定时间会降到几十分钟。
图5是根据图4所做的阿伦方程曲线，在1秒门时间的频率稳定性为1.5×10-17，在1000秒门时间下降到2.7×10-19，同样反映了锁定后的一级衍射光有很好的长期稳定性。
图6示出本实施例的连续激光器锁定到光学频率梳后，一级衍射光和光学频率梳拍频信号的相对线宽为1.14mHz。这说明了前置反馈方式实现的连续激光器到光学频率梳的锁定对锁定后的一级衍射光的线宽有明显的压制。
第二实施例
该实施例提供另一种连续光-光学频率梳锁定装置，参见图7，在该实施例中，采用光纤型带通滤光片32、光纤偏振控制器29和31、光纤合束器26以及光电探测器17构成光纤型相干外差拍频装置70。具体地，从声光移频器3输出的零级衍射光经过光纤耦合器24耦合进光纤。光学频率梳2设有光纤输出端口，所输出的光经光纤型带通滤光片32的滤波和光纤偏振控制器31的偏振调节之后，和通过光纤偏振控制器29调节偏振方向的零级衍射光在光纤合束器26进行合束，并接入到光电探测器17，然后借由前置反馈电路将光电探测器17输出的拍频电信号反馈给声光移频器3以锁定一级衍射光。前置反馈电路的结构和工作方式与第一实施例相同，不再赘述。
同样，为了体现本发明的效果，发明人在一级衍射光后面设置了另一个相干外差拍频装置60(如图8所示)，将一级衍射光与光学频率梳的光进行拍频，监测拍频信号是否稳定、线宽是否被压窄，从而判断一级衍射光是否被很好地锁定至光学频率梳。此时，一级衍射光经过光纤耦合器23耦合进入光纤并通过光纤偏振控制器28调节偏振方向，然后在光纤型带通滤光片32之后设置一光纤分束器25以将光学频率梳的光分成两束，其中一束如前所述与零级衍射光拍频以实现前置反馈锁定，另一束经光纤偏振控制器30调节偏振方向之后与光纤偏振控制器28的输出光在光纤合束器27中进行合束拍频，并用光电探测器16转换为拍频电信号以进行监测。
在该实施例中，光纤耦合器23和24也可以分别是相干外差拍频装置60和70的构成部件。
在本发明中，并不限于使用上述实施例中的拍频装置，本领域公知的任何能够实现光学拍频的装置都适用于本发明。
根据本发明的其他实施例，被锁定的连续激光源并不限于Nd：YAG激光器，本领域公知的任何连续激光源都可以采用本发明的方案实现锁定，只要光学频率梳的频率范围能够覆盖连续激光源的频率即可。
根据本发明的其他实施例，将声光移频器3和相干外差拍频装置40、50或60、70设置在底板上，并用外壳密封。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种连续光-光学频率梳锁定装置，包括：
连续激光源，用于发射连续光；
光学频率梳，所述光学频率梳的频率范围覆盖所述连续光的频率；
声光移频器装置，用于将所述连续光分成零级衍射光和一级衍射光；
相干外差拍频装置，用于获得所述零级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号；以及
前置反馈单元，将所述拍频信号反馈给所述声光移频器装置，以将所述一级衍射光锁定至所述光学频率梳。
2.根据权利要求1所述的连续光-光学频率梳锁定装置，其中，所述连续光源还包括预稳频单元，用于将所述连续光预稳频。
3.根据权利要求1所述的连续光-光学频率梳锁定装置，其中，还包括另一个相干外差拍频装置，用于获得所述一级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号以监测锁定效果。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的连续光-光学频率梳锁定装置，其中，所述相干外差拍频装置包括：
一个或多个半波片，用于调节光的偏振方向；
带通滤光片，用于将所述光学频率梳中与所述连续光的波长不匹配的光过滤掉；
第一偏振分束棱镜，用于使所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光同方向传播；
第二偏振分束棱镜，用于使所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光的偏振方向相同且同方向传播以进行拍频。
5.根据权利要求4所述的连续光-光学频率梳锁定装置，其中，所述相干外差拍频装置还包括光电探测器，用于将从第二偏振分束棱镜输出的拍频信号转换成电信号，并将所述电信号输出至所述前置反馈单元。
6.根据权利要求根据权利要求1-3中任一项所述的连续光-光学频率梳锁定装置，其中，所述相干外差拍频装置为光纤型相干外差拍频装置，包括：
光纤型带通滤波片，用于将所述光学频率梳中与所述连续光的波长不匹配的光过滤掉；
光纤偏振控制器，用于调节光的偏振方向以使得所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光的偏振方向相同；以及
光纤合束器，用于使所述零级衍射光或所述一级衍射光与所述光学频率梳的光同方向传播以进行拍频。
7.根据权利要求6所述的连续光-光学频率梳锁定装置，其中，所述光纤型相干外差拍频装置还包括光纤耦合器，用于将所述零级衍射光、所述一级衍射光或所述光学频率梳的光引入光纤路径。
8.一种连续光-光学频率梳锁定方法，包括如下步骤：
声光移频步骤：采用声光移频器将所述连续光分成零级衍射光和一级衍射光；
相干外差拍频步骤：将所述零级衍射光与所述光学频率梳的光进行拍频；和
锁定步骤：用所述拍频获得的信号控制所述声光移频器，以将所述一级衍射光锁定至所述光学频率梳。
9.根据权利要求8所述的连续光-光学频率梳锁定方法，还包括预稳频步骤，将所述连续光进行预稳频。
10.根据权利要求8或9所述的连续光-光学频率梳锁定方法，还包括监测步骤，用于监测所述一级衍射光和所述光学频率梳的拍频信号。
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