CN111537086B - 获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，包括以下步骤：飞秒激光与其光谱覆盖范围以外的连续激光同时耦合入光子晶体光纤，利用光子晶体光纤的非线性效应，在飞秒激光光谱展宽获得飞秒光梳的同时，使连续激光产生一系列频率边带，频率边带与连续激光的频率间隔为飞秒光梳重复频率的整数倍，将连续激光及其频率边带记为第二光梳；通过选择合适的探测光谱成分，获得飞秒光梳与第二光梳的拍频信号，该拍频信号即为飞秒光梳与其光谱范围外的连续激光之间的拍频信号。本发明的优点是：解决了由于光梳与其光谱范围外连续激光之间因光谱不重合而无法直接获得拍频信号的难题，该方法结构简单、噪声小、稳定性高。

Description

获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法。
背景技术
光学频率梳的发明解决了光波频率高而无法直接测量的难题：它通过测量待测光波与相邻光梳梳齿之间的拍频信号的频率（一般在微波波段）以及该光梳梳齿的频率，从而实现光频测量。近年来，光学频率梳也被应用于连接不同频率的光波，实现不同波长的激光之间的频率比值测量；或者将某一激光的频率精度、相干性传递到其它光波长，如将光钟信号传递到1.5 um波长处，实现时间/频率远距离高精度传递；又或者将光钟信号传递到所需要的波长处，开展精密光谱与基本物理理论验证方面的研究；也有研究人员通过将飞秒光梳锁定在一个频率稳定的相干光源上，实现对飞秒光梳的频率控制，从而开展高精度测距、高精度光梳光谱等应用。
上述这些光梳的应用，都以获得高信噪比的光梳与连续激光的拍频信号为基础，从而实现对光学频率梳的频率控制、光频测量和光相干传递等目的。要获得光梳与连续激光的拍频信号，首先光梳的频谱必须与连续激光重合，其次在光路搭建上，一般将展宽后的飞秒激光与连续激光在空间上重合，偏振方向也重合，然后入射到探测器，才能获得飞秒光梳与连续激光的拍频信号。
当连续激光的波长恰巧落在飞秒光梳的光谱范围内，那么只需要将连续激光和光梳在空间和偏振上重合，并入射到探测器就能获得两者的拍频信号。而当连续激光的波长在展宽后的飞秒光梳光谱外时，例如，光谱范围在1-2微米的光纤光梳和波长在可见光的大部分光钟信号，一般需要先将光纤脉冲激光进行功率放大和光谱展宽，然后倍频至连续激光波长处，再将倍频后的飞秒光梳与连续激光在探测器上进行拍频获得两者的拍频信号；而光谱范围在0.5-1微米的钛宝石飞秒光梳与波长在近红外波段的激光，如1.5微米光纤通讯波段激光，往往先将近红外激光倍频至钛宝石飞秒光梳光谱范围内，再将倍频光与光谱展宽后的飞秒光梳进行拍频获得拍频信号。也有一些应用场景因为两者的波长不能满足两倍的关系，因此无法通过上述方法中的倍频实现光谱重叠，因此也有人采用光学差频等手段。不过这种方法只能满足一些特殊波长的激光，如光纤光梳和波长在10微米的远红外激光。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，将飞秒激光与连续激光同时通过光子晶体光纤，在飞秒激光光谱展宽的同时，产生以连续激光频率为中心、频率间隔为光梳重复频率的新的第二光梳，该第二光梳与展宽后的飞秒光梳的光谱有重叠部分，从而通过拍频获得连续激光与飞秒光梳之间的拍频信号。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，所述方法包括以下步骤：将飞秒激光与所述飞秒激光光谱覆盖范围以外的连续激光同时耦合入光子晶体光纤，实现所述飞秒激光的光谱展宽获得飞秒光梳，在所述飞秒激光光谱展宽的同时，所述连续激光产生频率边带，所述频率边带与所述连续激光的频率间隔为所述飞秒光梳重复频率的整数倍，将所述连续激光及所述频率边带记为第二光梳，通过光栅和光阑选择探测光谱成分，获得所述飞秒光梳与所述第二光梳的拍频信号。
所述飞秒激光通过功率为500-700 mW的飞秒激光器产生，所述连续激光通过功率为10-30 mW的连续激光器产生。
所述飞秒激光经第一半波片调整偏振方向，之后依次通过第一反射镜、二色镜和第一透镜耦合入所述光子晶体光纤，实现所述飞秒激光的光谱展宽获得所述飞秒光梳，所述飞秒光梳的梳齿的频率表示为f n = n × f r± f 0；其中，n为整数，是所述飞秒光梳的梳齿序数；f r为重复频率；f 0为载波位相偏移频率或零频。
所述连续激光经第二半波片调整偏振方向，之后通过所述二色镜和所述第一透镜耦合入所述光子晶体光纤，在所述飞秒激光与所述光子晶体光纤的共同作用下，产生频率为f cw ± m × f r的所述第二光梳，其中，m为整数，f cw为所述连续激光的激光频率。
通过第二反射镜和第二透镜将所述飞秒光梳与所述第二光梳滤出的光谱成分耦合入光电探测器，从而获得拍频信号f b= ( n × f r± f 0) - ( f cw ± m × f r) = ( n ±m) × f r± f 0 - f cw ，所述拍频信号f b即为所述连续激光与所述飞秒光梳之间的拍频信号。
本发明的优点是：（1）本发明省去了先前常规方法中的光学倍频及其温控和光学耦合装置，因此系统更简单，结构更稳定；（2）在本发明中，由于连续激光与飞秒光梳共轴传输，可有效地减少由于光程扰动产生的探测频率噪声；（3）由于参与拍频的飞秒光梳的梳齿个数增加，因此本发明比利用光学倍频后再拍频的常规方法所获得的拍频信号的信噪比更高。
附图说明
图1为本发明中获得飞秒光梳与光梳光谱范围外的连续激光拍频信号的原理图；
图2为本发明中获得飞秒光梳与光梳光谱范围外的连续激光拍频信号的结构示意图。
如图1-2所示，图中各个标记分别为：飞秒激光器1、第一半波片2、第一反射镜3、连续激光器4、第二半波片5、二色镜6、第一透镜7、光子晶体光纤8、光栅9、光阑10、第二反射镜11、第二透镜12、光电探测器13、第三透镜14、拍频f b、飞秒光梳频率f n、连续激光频率f cw、重复频率f r。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：如图1-2所示，本实施例具体涉及一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，该方法不需要借助光学倍频，其原理为：基于飞秒激光对光子晶体光纤8的非线性效应，使光子晶体光纤8的折射率发生调制作用，从而使同时通过光子晶体光纤8的连续激光产生频率边带，这些频率边带与连续激光的频率间隔为飞秒光梳重复频率的整数倍，将倍数记为m，m为整数。为了方便起见，将连续激光及其频率边带记为第二光梳。一般，基于连续激光的第二光梳的光谱覆盖范围非常广，可与飞秒光梳的光谱重叠，因此可选择合适的探测光谱范围，如530nm，获得飞秒光梳与第二光梳的拍频信号，该信号即为飞秒光梳与连续激光的拍频信号f b。
如图1、2所示，本实施例中获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法具体包括以下步骤：
（1）使用功率为500-700 mW的飞秒激光器1产生飞秒激光。
（2）使用功率为10-30 mW的连续激光器4产生连续激光。
（3）飞秒激光先通过第一半波片2调整光的偏振方向，然后通过第一反射镜3和二色镜6使飞秒激光经两次反射后耦合入光子晶体光纤8进行光谱展宽获得飞秒光梳，飞秒光梳的梳齿的频率表示为f n = n × f r± f 0，其中，n为整数，n是飞秒光梳的梳齿序数，f r为重复频率，f 0为载波位相偏移频率或零频。光子晶体光纤8的零色散波长与飞秒激光中心波长接近。二色镜6对飞秒激光高反射，对连续激光高透射。
（4）通过第二半波片5调整连续激光的偏振方向，然后使连续激光透过二色镜与飞秒光脉冲同时耦合入光子晶体光纤8。在飞秒激光的作用下，产生一系列频率边带，如图1中光频谱图中虚线所示。将连续激光及其频率边带记为第二光梳，第二光梳的频率为f cw ± m× f r，其中，m为整数，f cw为连续激光的激光频率。由于第二光梳的梳齿与飞秒光梳在光谱上有重叠部分，如图1所示，因此可以获得第二光梳与飞秒光梳的拍频信号。为了提高激光进入光子晶体光纤8的效率，光子晶体光纤8前需加入第一透镜7。在光子晶体光纤8之后，放入第三透镜14，从而使经过光子晶体光纤8的光准直。
（5）在拍频光探测模块中，通过光栅9和光阑10，选出合适的探测光波长及光谱范围。
（6）使用第二反射镜11和第二透镜12，将飞秒光梳与第二光梳滤出的光谱成分聚焦到光电探测器13进行拍频。此时光电探测器13会探测得到第二光梳与展宽后的飞秒光梳的拍频信号f b= ( n × f r± f 0) - ( f cw ± m × f r) = ( n ± m) × f r± f 0 - f cw ，此信号为多梳齿拍频，如图1中多根实线与虚线的拍频。由于参与拍频的飞秒光梳的频率成分增加，从而可提高连续激光与飞秒光梳的拍频信号的信噪比。

Claims (3)

1.一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：将飞秒激光与所述飞秒激光光谱覆盖范围以外的连续激光同时耦合入光子晶体光纤，实现所述飞秒激光的光谱展宽获得飞秒光梳，在所述飞秒激光光谱展宽的同时，所述连续激光产生频率边带，所述频率边带与所述连续激光的频率间隔为所述飞秒光梳重复频率的整数倍，将所述连续激光及所述频率边带记为第二光梳，通过光栅和光阑选择探测光谱成分，获得所述飞秒光梳与所述第二光梳的拍频信号；
所述飞秒激光经第一半波片调整偏振方向，之后依次通过第一反射镜、二色镜和第一透镜耦合入所述光子晶体光纤，实现所述飞秒激光的光谱展宽获得所述飞秒光梳，所述飞秒光梳的梳齿的频率表示为fn = n × fr± f0；其中，n为整数，是所述飞秒光梳的梳齿序数；fr为重复频率；f0为载波位相偏移频率或零频；
所述连续激光经第二半波片调整偏振方向，之后通过所述二色镜和所述第一透镜耦合入所述光子晶体光纤，在所述飞秒激光与所述光子晶体光纤的共同作用下，产生频率为fcw± m × fr的所述第二光梳，其中，m为整数，fcw为所述连续激光的激光频率。
2. 根据权利要求1所述的一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，其特征在于所述飞秒激光通过功率为500-700 mW的飞秒激光器产生，所述连续激光通过功率为10-30 mW的连续激光器产生。
3.根据权利要求1所述的一种获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法，其特征在于通过第二反射镜和第二透镜将所述飞秒光梳与所述第二光梳滤出的光谱成分耦合入光电探测器，从而获得拍频信号fb= ( n × fr± f0) - ( fcw± m × fr) = ( n± m) × fr± f0 - fcw，所述拍频信号fb即为所述连续激光与所述飞秒光梳之间的拍频信号。
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