CN111082300B - 一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统，属于光参量振荡器领域，双谐振光参量振荡器用于进行光参量过程以输出超短脉冲，并耦合出一部分超短脉冲作为反馈参考光；波长选择元件用于选择出反馈参考光中预设波长的激光；腔长锁定单元接收经过波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中预设波长激光的功率最大对应的腔长，实现双谐振光参量振荡器输出功率的稳定。本发明利用波长选择元件，选择超短脉冲的光谱内部某一窄带光谱的功率进行功率锁定，提高了腔长锁定系统的锁定稳定性，实现了稳定功率的激光输出。

Description

一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统
技术领域
本发明涉及双谐振光参量振荡器技术领域，更具体地，涉及一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统。
背景技术
超快激光一般指脉冲宽度在皮秒，飞秒乃至阿秒量级的脉冲激光。超快激光具有窄脉宽，高峰值功率，宽带宽等优点，广泛的应用于科研，医疗，工业之中。对于无法直接通过相应激光增益介质产生激光的波段，例如中红外波段，人们通常利用同步泵浦光参量振荡器转换得到所需要波长的超快激光。光参量振荡器分为单振荡光参量振荡器和双谐振光参量振荡器。一般来说，双谐振光参量振荡器的阈值远低于单振荡光参量振荡器，并且具有更宽的增益带宽，例如简并光参量振荡器。但是由于双谐振光参量振荡器的输出功率对腔长非常敏感，因此主动的腔长锁定系统对保持双谐振光参量振荡器的稳定起到至关重要的作用。
双谐振光参量振荡器的输出功率随腔长改变周期性的增大与减小(谐振曲线)，因此常用扰动-锁定系统(dither-and-lock)来锁定振荡器的腔长，使光参量振荡器工作在谐振曲线峰值(谐振峰)处。在2011年，Nick Leindecker等人利用PDH法，通过对输出光的功率进行锁定，搭建了简并光参量振荡器并输出了半高全宽为91fs，-20dB光谱覆盖范围为2500nm～3800nm的飞秒脉冲(Optics express 19.7(2011):6296-6302)。目前这种方法为主流的光参量振荡器腔长的锁定方法。但是，对于这种锁定腔内振荡光全部波长的总功率的方法，在出现谐振峰不规则或者谐振峰本身为平顶的情况时，无法对腔长进行精确的锁定。同时由于PDH锁定将会将腔长锁定在功率峰值处，因此无法锁定非功率峰值的腔长，导致无法实现连续的输出波长调谐。
2017年，Markku Vainio等人通过对输出光截取窄带宽，进行倍频，并对倍频光的强度进行锁定，改进了当光参量振荡器总功率随腔长变化并非严格单调时，使用扰动-锁定法锁定时精度较低的问题，提高了双谐振光参量振荡器的稳定性(Optics letters 42，2722-2725(2017))。但是，对于这种将耦合出的一部分信号光或者闲频光，进行倍频后锁定的方法，由于需要特定的晶体对特定的波长进行倍频，导致锁定系统设计较为复杂，成本也较高。
综上所述，研究一种能在谐振峰的结构不规则或有平顶时，锁定双谐振光参量振荡器的腔长，实现输出功率稳定的腔长锁定方法及系统具有很大价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有双谐振光参量振荡器在谐振峰不规则或平顶时，难以锁定双谐振光参量振荡器的腔长的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定系统，包括：双谐振光参量振荡器、波长选择元件以及腔长锁定单元；
所述双谐振光参量振荡器用于进行光参量过程以输出超短脉冲，并耦合出一部分超短脉冲作为反馈参考光；
所述波长选择元件用于选择出所述反馈参考光中预设波长的激光；
所述腔长锁定单元接收所述经过波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制所述双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中所述预设波长激光的功率最大对应的腔长，实现所述双谐振光参量振荡器输出功率的稳定。
在一个可选的实施例中，所述腔长锁定单元包括：光探测器、信号处理电路以及腔长控制器；
所述光探测器用于接收所述经过波长选择元件选择的反馈参考光中预设波长的激光，将其光功率转换为对应的电压；
所述信号处理电路用于判断光探测器所输出的电压是否处于峰值，若不处于峰值，则对应的调整输出至腔长控制器的电信号，直至光探测器输出的电压处于峰值；
所述腔长控制器用于根据控制信号，通过控制所述双谐振光参量振荡器的腔长调节部件调节腔长，所述控制信号为输入腔长控制器的电信号或预设控制电压。
在一个可选的实施例中，所述波长选择元件可为分光元件；
所述的分光元件使得反馈参考光中不同波长的激光以不同角度分离，从而选择出预设波长。
在一个可选的实施例中，所述的分光元件的角度可连续旋转，以使得所述的腔长锁定单元接收的激光波长可连续改变，实现所述双谐振光参量振荡器的输出超短脉冲的中心波长连续可调；
当腔长控制器调谐所述中心波长至当前谐振峰的调谐范围的边界时，可通过调整所述预设控制电压大小调整腔长，使双谐振光参量振荡器输出脉冲波长的谐振峰切换至当前谐振峰之外的谐振峰，对应调节分光元件的角度继续在新的谐振峰内连续调谐所述中心波长。
具体地，调节振荡器的腔长至不同的峰的部分，其作用在于，由于单个谐振峰内可调谐的振荡波长范围有限，而各个谐振峰对应的振荡波长不同且有固定的变化规律，因此通过切换不同的谐振峰，可以增大可调谐光参量振荡器的波长调谐范围，使得双谐振光参量振荡器即可通过切换不同的谐振峰实现粗调谐，又可通过分光元件实现细调谐。本发明实际上由两种调谐方式，即细调谐(单个谐振峰内的连续调谐)和粗调谐(切换不同的谐振峰)，这两种调谐方式配合可在较宽的范围内实现波长的连续调谐。
第二方面，本发明提供一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法，包括如下步骤：
对双谐振光参量振荡器用于进行光参量过程以输出超短脉冲，并耦合出一部分超短脉冲作为反馈参考光；
选择出所述反馈参考光中预设波长的激光；
接收所述经过波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制所述双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中所述预设波长激光的功率最大对应的腔长，实现所述双谐振光参量振荡器输出功率的稳定。
在一个可选的实施例中，所述接收所述经过波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制所述双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中所述预设波长激光的功率最大对应的腔长，具体包括如下步骤：
接收所述经过波长选择元件选择的反馈参考光中预设波长的激光，将其光功率转换为对应的电压；
判断所述光功率转换的电压是否处于峰值，若不处于峰值，则对应的调整输出至腔长控制器的电信号，直至光功率转换的电压处于峰值；
根据控制信号，控制所述双谐振光参量振荡器的腔长调节部件调节腔长，所述控制信号为输入到腔长控制器的电信号或者预设控制电压。
在一个可选的实施例中，所述选择出所述反馈参考光中预设波长的激光，具体包括如下步骤：
通过分光元件使得反馈参考光中不同波长的激光以不同角度分离，从而选择出预设波长。
在一个可选的实施例中，所述的分光元件的角度可连续旋转，以使得所述的腔长锁定单元接收的激光波长可连续改变，实现所述双谐振光参量振荡器的输出超短脉冲的中心波长连续可调；
当腔长控制器调谐所述中心波长至当前谐振峰的调谐范围的边界时，可通过调整所述预设控制电压大小调整腔长，使双谐振光参量振荡器输出脉冲波长的谐振峰切换至当前谐振峰之外的谐振峰，对应调节分光元件的角度继续在新的谐振峰内连续调谐所述中心波长。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统，在锁定双谐振光参量振荡器的输出功率时，通过波长选择元件，使光探测器接收的为预设波长的光功率，通过实验对比可知，接收预设波长的功率随腔长变化的曲线，其结构更加规则，更利于将光参量振荡器的输出功率锁定稳定。本发明利用波长选择元件，选择超短脉冲的光谱内部某一窄带光谱的功率进行功率锁定，提高了腔长锁定系统的锁定稳定性，实现了稳定功率的激光输出。通过选择合适的波长选择元件，本发明提供的腔长锁定系统亦可以实现对光参量振荡器的输出超短脉冲的中心波长的调谐。
(2)本发明提供一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统，当使用分光元件作为波长选择元件时，其分光元件的角度可以调节，在双谐振光参量振荡器的某一谐振峰内，当腔长连续变化时，振荡波长也会对应的连续变化；在锁定时，光参量振荡器的腔长被锁定于作为判据的预设波长的功率谐振峰的峰值处。因此，通过调节分光元件的角度，可以改变用作功率判据的窄带脉冲的中心波长，从而改变腔长锁定的位置，实现谐振峰内的波长连续调谐
(3)本发明提供一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统，其振荡器腔长可以独立调节；由于双谐振光参量振荡器输出的功率随腔长变化的曲线为固定周期的谐振峰，通过调节腔长可以改变光参量振荡器工作的谐振峰，并且，由于双参量振荡器内色散的存在，不同谐振峰对应的输出波长不同，从而实现波长粗调谐；通过对应调节分光器件，可以进一步将腔长锁定稳定，获得稳定的输出。本发明实际上由两种调谐方式，即细调谐(单个谐振峰内的连续调谐)和粗调谐(切换不同的谐振峰)，这两种调谐方式配合可在较宽的范围内实现波长的连续调谐。粗调谐的具体过程为：当调谐至当前谐振峰的调谐范围的边界时，可通过调整输入腔长控制器的独立控制电压调整腔长，使振荡器切换至其他谐振峰。细调谐的具体过程为：对应调节分光元件的角度使光探测器接收到新的预设波长，并可以继续在新的谐振峰内进行输出超短脉冲的波长的连续调谐。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种超短脉冲双谐振光参量振荡器系统的原理图；
图2是本发明实验中测量的光探测器接收经过波长选择元件后的预设波长的功率随腔长变化的曲线和无波长选择元件时光探测器接收的脉冲的功率随腔长变化的曲线的对比图；
图3是本发明实施例1提供的基于波长选择元件的腔长锁定技术所使用的锁定电路的原理图，其中使用分光元件衍射光栅作为波长选择元件；
图4是基于本发明实施例1仿真得到的双谐振光参量振荡器的输出功率与腔长的关系示意图；
图5是基于本发明实施例1的参数进行的数值仿真得到的通过腔长位于同一个谐振峰的不同位置实现波长调谐所获得的输出光谱示意图；
图6是基于本发明实施例1的参数进行的数值仿真得到的通过使腔长位于不同的谐振峰实现波长调谐所获得的输出光谱示意图；
图7是本发明实施例1提供的工作于简并状态的双谐振光参量振荡器的输出光谱示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种新型双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法，使其具有高稳定性，并且可在有需求时，实现波长调谐。为实现上述目的，本发明提供了一种超短脉冲双谐振光参量振荡器的腔长锁定系统，使用基于波长选择元件的腔长锁定技术锁定双谐振参量振荡器的腔长，获得稳定的超短脉冲输出。
具体地，基于波长选择元件的腔长锁定技术可控制所述超短脉冲双谐振光参量振荡器系统的腔长，所述的波长选择元件根据需要产生的光谱波段选择。工作时，将光参量振荡器的部分输出光先通过波长选择元件选择出预设波长的激光，将经过波长选择元件选择后的某一窄带光谱的功率作为腔长锁定的依据，使其腔长保持输出该窄带光谱功率最大值处，实现腔长的锁定。
优选的，波长选择元件可为光栅，棱镜和滤波器等；
优选的，波长选择元件的波长可以选择，角度可以调节；
优选的，若所选择分光元件作为波长选择元件，并使其角度可连续旋转，则可以使所述腔长锁定单元接收的激光的波长可连续调节，实现双谐振光参量振荡器输出超短脉冲的波长连续可调；
优选的，双谐振光参量振荡器的腔长可以调节。
实施例1
图1为实施例1提供的超短脉冲双谐振光参量振荡器的腔长锁定系统的原理图。包括双谐振光参量振荡器和基于波长选择元件的腔长锁定系统，其腔长锁定系统包括：衍射光栅、光探测器、信号处理电路和腔长控制器。其中，该实施例中以波长选择元件为衍射光栅为例进行举例说明。
其中，通过输出耦合镜将腔内激光耦合出振荡器，通过硅窗口片分出部分输出激光作为反馈参考光，用于锁定腔长。将耦合出的激光通过衍射光栅分光，由光探测器接收分光后的预设波长的光功率并转换为电信号。将转换出的电信号送入信号处理系统中，经过数据处理后，输出电信号进入腔长控制器，进而调节振荡器的腔长，锁定在使光探测器接收的信号最强的腔长。关于本腔长锁定方法所具有的优势，如附图2所示。附图2为实验中测试的双谐振光参量振荡器的谐振曲线。其中对比了包含预设波长的窄带光谱功率(本发明)和脉冲的总功率(传统方法)的谐振峰，可以看到，当传统方法的谐振峰形状很不规则时，本发明提供的谐振峰依然规则，故可以获得更好的锁定效果。
衍射光栅的角度可连续旋转，以使得光探测器接收的激光的波长可连续调节，实现双谐振光参量振荡器输出超短脉冲的波长连续可调。
具体地，当腔长控制器调谐输出超短脉冲的波长至当前谐振峰的调谐范围的边界时，可通过调整输入腔长控制器的预设控制电压调整腔长，使双谐振光参量振荡器切换至当前谐振峰之外的谐振峰，对应调节分光元件的角度使光探测器接收到新的预设波长的激光，并可以继续在新的谐振峰内进行输出超短脉冲的波长的连续调谐。
具体地，调节振荡器的腔长至不同的峰的部分，其作用在于，由于单个谐振峰内可调谐的振荡波长范围有限，而各个谐振峰对应的振荡波长不同且有固定的变化规律，因此通过切换不同的谐振峰，可以增大可调谐光参量振荡器的波长调谐范围，使得双谐振光参量振荡器即可通过切换不同的谐振峰实现粗调谐，又可通过分光元件实现细调谐。本发明实际上由两种调谐方式，即细调谐(单个谐振峰内的连续调谐)和粗调谐(切换不同的谐振峰)，这两种调谐方式配合可在较宽的范围内实现波长的连续调谐。
本实施例使用的锁定电路的原理图如图3所示，包含放大模块，乘法器模块，低通滤波与高通滤波模块，模拟信号加法器，积分器等。通过放大器，高通滤波器等对光探测器输出的信号进行处理，通过乘法器将处理后的信号与信号发生器产生的扰动信号相乘，通过低通滤波器得到乘法后的直流信号，并将其进行积分，而后通过加法器将此信号与扰动信号相加，输出控制压电陶瓷的长度，当腔长接近谐振峰的峰值时，光参量振荡器输出功率对腔长的敏感度降低，此时探测器输出的交流信号的幅值下降，从而积分信号变小，直至完全到达谐振峰的峰值，此时探测器输出的交流信号接近0，积分信号基本不变，因此腔长也基本固定，实现腔长锁定。
本实施例使用的腔长控制器为压电陶瓷，使用其带动光参量振荡器的腔镜。将上述的信号处理电路产生的包含扰动信号和直流信号电信号经过加法器叠加，并放大，控制压电陶瓷，使其长度对应变化，从而改变光参量振荡器的腔长，具备体积小，控制直接方便的优点。
基于本实施例的实验配置所作的数值仿真模型，其输出的全光谱功率与振荡器的相对腔长的关系如附图4所示，其中以使简并波长(2100nm)与泵浦光完全同步的腔长作为基础腔长。图中共有5个谐振峰(P1-P5)，P1-P4对应非简并的谐振峰，a，b，c为P3谐振峰内的三个不同的位置，P5为简并的谐振峰。
对于单个谐振峰内的波长调谐效果，可通过数值仿真模型体现。附图5为附图4中数值仿真模型的一个谐振峰(P3)内不同腔长(附图4a,b,c三处)的输出光谱，由附图5可以看到，同一谐振峰内的不同位置，其输出脉冲的中心波长不同。在实施例1中可以通过调节衍射光栅的角度，实现上述波长调谐。若连续的转动衍射光栅来连续的改变预设波长，可以连续的改变锁定的振荡器腔长，实现连续的调谐振荡器的输出波长。
本申请提供的输出中心波长的在不同的谐振峰之间的粗调谐，亦可通过仿真模型体现，附图6为非简并的四个谐振峰(P2-P5)峰值处对应的输出光谱，可以看到其输出的超短脉冲的中心波长的间隔比附图5中单个谐振峰内部调谐的波长间隔更大，通过改变输入到腔长控制器的独立控制电压，可较大幅度的改变振荡器的腔长，从而可以切换到不同的谐振峰(数值仿真中为在P2-P5中任意切换)，进而实现输出波长的粗调谐，同时对应的改变分光元件的角度，可将预设波长设置在新的振荡波长，将光参量振荡器的输出功率锁定稳定。
本申请提供的一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统亦可以将光参量振荡器调节至简并态(信号光与闲频光的中心波长相等)并锁定。附图7为数值仿真模型中当腔长调节至简并处的谐振峰(P1)时，谐振峰对应的输出光谱。
本发明公开了一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统，属于光参量振荡器领域，使用基于波长选择元件的腔长锁定技术来锁定双谐振光参量振荡器的腔长，从而获得稳定的超短脉冲输出。超短脉冲双谐振光参量振荡器输出功率对腔长非常敏感，往往需要主动锁定技术使其可以获得稳定功率的激光输出。传统的主动锁定技术一般以振荡器输出的全部光谱的功率作为锁定腔长的依据进行腔长锁定。实际上，相比全部光谱的功率，输出脉冲的光谱内部任意窄带的光谱功率随腔长变化的谐振峰形状规则且较窄，更适合作为功率锁定时的判据。本发明通过利用波长选择元件，选择超短脉冲中光谱内部某一窄带光谱的功率进行功率锁定，实现了稳定的激光输出。本发明公开的一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法及系统，既可以工作于简并状态，也可以也可以工作于非简并状态，并且可以通过改变谐振腔的腔长，并使用基于分光元件的腔长锁定技术来锁定腔长，能实现跨谐振峰和谐振峰内部的波长调谐。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定系统，其特征在于，包括：双谐振光参量振荡器、波长选择元件以及腔长锁定单元；
所述双谐振光参量振荡器用于进行光参量过程以输出超短脉冲，并耦合出一部分超短脉冲作为反馈参考光；
所述波长选择元件用于选择出所述反馈参考光中预设波长的激光；
所述腔长锁定单元接收经过所述波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制所述双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中所述预设波长激光的功率最大对应的腔长，实现所述双谐振光参量振荡器输出功率的稳定；
所述波长选择元件为分光元件；所述的分光元件使得反馈参考光中不同波长的激光以不同角度分离，从而选择出预设波长；
所述腔长锁定单元包括：光探测器、信号处理电路以及腔长控制器；
所述光探测器用于接收经过所述波长选择元件选择的反馈参考光中预设波长的激光，将其光功率转换为对应的电压；
所述信号处理电路用于判断光探测器所输出的电压是否处于峰值，若不处于峰值，则对应的调整输出至腔长控制器的电信号，直至光探测器输出的电压处于峰值；
所述腔长控制器用于根据控制信号，通过控制所述双谐振光参量振荡器的腔长调节部件调节腔长，所述控制信号为输入腔长控制器的电信号或预设控制电压。
2.根据权利要求1所述的腔长锁定系统，其特征在于，所述的分光元件的角度可连续旋转，以使得所述的腔长锁定单元接收的激光波长可连续改变，实现所述双谐振光参量振荡器的输出超短脉冲的中心波长连续可调；
当腔长控制器调谐所述中心波长至当前谐振峰的调谐范围的边界时，可通过调整所述预设控制电压大小调整腔长，使双谐振光参量振荡器输出脉冲波长的谐振峰切换至当前谐振峰之外的谐振峰，对应调节分光元件的角度继续在新的谐振峰内连续调谐所述中心波长。
3.一种双谐振光参量振荡器的腔长锁定方法，其特征在于，包括如下步骤：
对双谐振光参量振荡器用于进行光参量过程以输出超短脉冲，并耦合出一部分超短脉冲作为反馈参考光；
选择出所述反馈参考光中预设波长的激光；
接收经过所述波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制所述双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中所述预设波长激光的功率最大对应的腔长，实现所述双谐振光参量振荡器输出功率的稳定；
所述选择出所述反馈参考光中预设波长的激光，具体包括如下步骤：
通过分光元件使得反馈参考光中不同波长的激光以不同角度分离，从而选择出预设波长；
所述接收经过所述波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光，以控制所述双谐振光参量振荡器的腔长锁定在输出超短脉冲中所述预设波长激光的功率最大对应的腔长，具体包括如下步骤：
接收经过所述波长选择元件选择的反馈参考光中预设波长的激光，将其光功率转换为对应的电压；
判断所述光功率转换的电压是否处于峰值，若不处于峰值，则对应的调整输出至腔长控制器的电信号，直至光功率转换的电压处于峰值；
根据控制信号，控制所述双谐振光参量振荡器的腔长调节部件调节腔长，所述控制信号为输入到腔长控制器的电信号或者预设控制电压。
4.根据权利要求3所述的腔长锁定方法，其特征在于，所述的分光元件的角度可连续旋转，以使得所述波长选择元件选择出的反馈参考光中预设波长的激光波长可连续改变，实现所述双谐振光参量振荡器的输出超短脉冲的中心波长连续可调；
当腔长控制器调谐所述中心波长至当前谐振峰的调谐范围的边界时，可通过调整所述预设控制电压大小调整腔长，使双谐振光参量振荡器输出脉冲波长的谐振峰切换至当前谐振峰之外的谐振峰，对应调节分光元件的角度继续在新的谐振峰内连续调谐所述中心波长。
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