CN111711062A - 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 - Google Patents
一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111711062A CN111711062A CN202010518050.4A CN202010518050A CN111711062A CN 111711062 A CN111711062 A CN 111711062A CN 202010518050 A CN202010518050 A CN 202010518050A CN 111711062 A CN111711062 A CN 111711062A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- frequency
- infrared
- laser
- fiber
- optical fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 50
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 64
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 13
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 8
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 8
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 6
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 5
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000005371 ZBLAN Substances 0.000 claims description 3
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000010009 beating Methods 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 claims description 3
- FRNOGLGSGLTDKL-UHFFFAOYSA-N thulium atom Chemical compound [Tm] FRNOGLGSGLTDKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 claims description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 2
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims 2
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical class Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/1301—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude in optical amplifiers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/10084—Frequency control by seeding
- H01S3/10092—Coherent seed, e.g. injection locking
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/1305—Feedback control systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
- H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
- H01S3/2316—Cascaded amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
- H01S3/2375—Hybrid lasers
Abstract
本发明提供了一种中红外光学频率梳产生的方法，1.5μm超短脉冲光纤激光激发近红外非线性光纤产生2μm中心波长的超短脉冲激光源；2μm超短脉冲源经过掺铥光纤放大器后激发中红外非线性光纤获得倍频光谱宽度的中红外超连续光谱；中红外超连续光谱通过f‑2f自参考系统，获得频率梳的载波偏移频率f0；通过反馈控制锁模种子源的泵浦光功率，实现偏移频率f0锁定；进一步将1.5μm超短脉冲激光与精密稳定的1.5μm连续激光拍频获得重复频率fr的误差信号；该误差信号反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的重复频率锁定；f0和fr精密锁定后中红外超连续谱光源即为中红外的光频梳。
Description
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种中红外光学频率梳产生的方法及装置。
背景技术：
锁模超快脉冲激光器在时域上为一周期性的超短脉冲序列串，在频域上表现为等间隔的频率梳光谱。飞秒光学频率梳上的任一频率谱线可以表示为fn＝n×fr+f0，其中fr为锁模脉冲激光的重复频率，f0为光谱的载波偏移频率。如果谱线频率中的两个参数(fr和f0)都被精密锁定的话，那么该光学频率梳的所有频率成分都能够确定。此时，光学频率梳就像人们使用的参考直尺，可以将它用于未知光谱的精密测量。因此，基于超快激光器的光频梳在国防安全、工业应用、社会生活中起到非常重要的作用。特别是在大气环境监测的应用中，具有很高的应用前景。空气中大量分子的转动-振动跃迁能级集中在中红外波段。气体成分如CO2、CO和NO2在2.8μm，2.4μm，2.9μm波段有很强的吸收线。各种碳氢化合物、盐酸化合物、氢氯化合物及有机溶剂在3.2-3.6μm范围表现出强烈的吸收特性。所以，为了实现对大气环境中温室气体、有毒气体、污染物及药品的检测，急需一种稳定的2-5μm波段范围的中红外光学频率梳。
目前常见的光学频率梳主要通过近红外的波段的锁模掺镱光纤激光器(1μm)和锁模掺铒光纤激光器(1.5μm)产生。将这两种激光注入非线性光纤，产生的频率梳范围能覆盖500nm-2μm的范围，并不能满足上述中红外光频梳的波长范围需求。间接的办法是，采用掺镱光纤激光激发光学参量振荡器(OPO)。OPO能实现2-5μm范围的中红外光频梳。但是OPO的光学参量振荡腔非常灵敏，需要与泵浦激光的腔模式精密锁定，加大了使用的难度。而且，在特定的相位匹配条件下，只能输出一个波段范围的激光。而采用光学差频(DFG)的方法，也能获得生3-5μm范围的中红外光频梳。但是，不可避免存在空间光路，系统复杂的缺点。产生的中红外光频梳的稳定性也受到影响。比较直接办法是，采用长波长的脉冲激光激发中红外的非线性光纤，可以获得2-5μm波段的光源。进一步将载波偏移频率和重复频率锁定，可获得中红外光学频率梳。例如利用2微米掺铥锁模光纤激光或者2.8μm波段Er-ZEBLAN锁模光纤激光激发非线性光纤有望满足所述中红外光频梳的需求。但是，相对于掺铒、掺镱光纤激光器，掺铥或者Er-ZEBLAN光纤激光器存在锁模稳定性差、转换效率低、器件不成熟的缺点。并且光纤在长波长波段，呈现较大的负色散，缺少有效的色散补偿机制。掺铥或者Er-ZEBLAN光纤激光器的脉冲宽度比较难压缩，对超连续谱的产生以及载波偏移频率f0的探测带来较多的困难。
因此，鉴于当前锁模掺镱光纤激光和锁模掺铒光纤激光器所具备的稳定性高、器件成熟、脉冲宽度窄等优点，能否基于这类近红外的锁模光纤激光器来产生中红外频率梳的是激光技术领域待解决的问题。
发明内容：
为解决中红外频率梳产生的问题和改变现有方案的缺点，本发明目的是，提出一种中红外光频梳产生的方法。该方法通过近红外的锁模光纤激光获得了中红外的超连续谱光源，进一步将该中红外光谱光源的载波偏移频率及重复频率锁定，从而获得了精密锁定的中红外光学频率梳。
本发明的技术方案是：一种中红外光学频率梳产生的方法，包括：1.5μm超短脉冲光纤激光激发近红外非线性光纤产生2μm中心波长的超短脉冲激光源；2μm超短脉冲源经过掺铥光纤放大器后激发中红外非线性光纤获得倍频光谱宽度的中红外超连续光谱；中红外超连续光谱通过f-2f自参考系统，获得频率梳的载波偏移频率f0；通过反馈控制锁模种子源的泵浦光功率，实现偏移频率f0锁定；进一步将1.5μm超短脉冲激光与精密稳定的1.5μm连续激光拍频获得重复频率fr的误差信号；该误差信号反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的重复频率锁定；f0和fr精密锁定后中红外超连续谱光源即为中红外的光频梳。
所述1.5μm超短脉冲光纤激光由可饱和吸收体、非线性环形镜或非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤激光器提供。所述1.5μm超短脉冲光纤激光通过色散管理的掺铒光纤放大器进行光功率放大。
放大后的1.5μm超短脉冲激光入射至近红外高非线性光纤，通过光谱自相位调制或拉曼过程产生2μm波长的超短脉冲激光；2μm波长的超短脉冲激光通过色散管理的掺铥光纤放大器进行光功率放大。
所述的中红外超连续光谱为2μm波长超短脉冲激光激发氟系或硫系的中红外光纤产生，产生的中红外超连续光谱范围覆盖2-5μm。
所述的f-2f自参考系统将中红外光谱中的长波长分量倍频后与连续谱中的短波长分量拍频，获得载波偏移频率f0。所述载波偏移频率f0通过调制1.5μm锁模光纤激光器的泵浦光电流实现f0锁定。具体过程如下：中红外超连续光谱通过一个双色镜，长波长分量反射，短波长分量透射。长波长分量经过倍频PPLN晶体倍频后，产生与短波长分支光路同样波长的光；两路光合束后通过滤光片(2μm带通)入射至探测器进行拍频；探测器连接至一RF射频谱仪；仔细调节2μm分支光路的延时，在RF射频谱仪中观察到差频射频信号，该信号即为中红外频梳的载波偏移频率f0；在获得偏移频率f0后，通过锁相环将f0频率锁定至稳定的射频信号源。
所述的重复频率fr误差信号通过电子锁相环路控制1.5μm脉冲激光器的谐振腔长度，实现中红外光频梳的重复频率锁定。在稳定了载波偏移频率f0后，对fr进行锁定即完成整个中红外光频梳的锁定。具体过程如下：将待稳定的脉冲光源与稳波长的连续激光进行拍频锁定fr；即将1.5μm锁模脉冲种子源的一部分输出和精密稳频的1.5μm连续激光器进行拍频；拍频获得的频差信号然后被锁定至稳定的射频源上；锁定调整的变量为1.5μm锁模脉冲种子源的激光腔长；种子激光的腔长反馈调节采用电驱动压电陶瓷(PZT)拉伸光纤实现；锁定后的中红外光频梳的频率精度可以达到mHz量级。1.5μm超短脉冲的在HNLF中的自相位调制及拉曼效应较强，非线性光纤(HNLF)采用负色散的掺锗非线性单模光纤或者光子晶体光纤。
所述2μm分量种子光的脉冲功率放大采用双包层掺铥光纤放大器；过程如下，2μm信号光通过光纤隔离器耦合至放大器系统；放大器的泵浦源采用793nm的多模半导体激光器；双包层光纤合束器将2μm信号光及793nm泵浦光合束耦合至双包层掺铥光纤中；信号光在掺铥光纤的纤芯中传输的过程并被包层中的793nm泵浦光放大；通过管理放大器光纤链路的色散，输出的2μm脉冲光平均功率达到W量级，脉冲宽度为～200fs。
所述的中红外的超连续光谱是将放大后的2μm超短脉冲激光入射至中红外的非线性光纤中获得；中红外高非线性光纤选择高非线性系数的硫系光纤或ZBLAN光纤；光谱展宽产生了2-5μm光谱范围的超连续光谱；该中红外超连续光谱的最长波长大于2倍最短波长，即获得了倍频层的光谱范围。装置是基于上述方法搭建而成。
有益效果：本发明获得的中红外光学频率梳利用1.5μm的锁模激光做为整个系统的种子源，其稳定性更好，更容易实现全光纤结构，具有很高的实用价值。此外，激发中红外非线性光纤的2μm激光脉冲宽度可以做到很窄，从而频率梳的噪声系数有望更小，有利于提高中红外光学频率梳在精密测量领域的精确性。能够获得重复频率fr的误差信号；反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的重复频率锁定。
附图说明：
图1为一种中红外光学频率梳的功能组成示意图。
图2为中红外光谱光频梳的产生及稳频过程示意图。上图为所述光源的波长区域示意图；下图为光源的频域区域及频率稳定的过程示意图。
图3为1.5μm锁模种子激光、光纤放大器及2μm激光产生的示意图。
图4为掺铥光纤放大器及中红外超连续光谱产生示意图。
图5为中红外超连续光谱f-2f自参考载波偏移频率探测示意图。
图6为中红外光频梳的重复频率误差信号探测示意图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下通过实施例并参照附图对本发明的内容进一步详细说明，但是本发明的实施方式不仅限于此。
图1展示了一种中红外光学频率梳产生的装置示意图。该装置主要包括以下几个组成部分：1.5μm超短脉冲锁模光纤激光种子源10，1.5μm波段掺铒光纤放大器11，近红外非线性光纤光谱展宽12，掺铥光纤放大器13，中红外非线性光纤的光谱展宽14，f-2f自参考系统及f-2f自参考载波偏移频率探测系统15，重复频率误差探测系统16。
图2展示了中红外光学频率梳产生的方法是：1.5μm超短脉冲激光201激发近红外非线性光纤，通过光谱展宽即近红外非线性光纤的光谱展宽12产生2μm波长的超短脉冲激光源202。2μm超短脉冲源202经过掺铥光纤放大器后激发中红外非线性光纤即中红外非线性光纤光谱展宽14获得2f倍频光谱宽度的中红外超连续光谱203。中红外超连续光谱203通过f-2f自参考系统204，获得频率梳的载波偏移频率(f0)205。反馈控制锁模种子源的泵浦光功率，实现载波偏移频率的锁定。进一步将1.5μm脉冲种子源激光201与精密稳频的连续激光206拍频，获得重复频率的误差信号。反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的频率锁定。
图3展示了1.5μm种子激光30、放大器31及2μm种子激光32产生的实施例示意图。1.5μm波段的锁模掺铒光纤激光器30作为中红外光频梳的脉冲种子源。该激光器采用全光纤的线性腔结构。泵浦光为单模980nm激光器301，泵浦光通过波分复用器(WDM)302耦合至激光腔内。半导体可饱和吸收体(SESAM)303加载在激光器的一端启动激光器的被动锁模。锁模脉冲种子源的平均输出功率为2mW，重复频率为80MHz，脉冲宽度为200fs，中心波长为1550nm。种子脉冲光进一步通过掺铒光纤放大器31，将脉冲的平均功率放大至100mW。光纤放大器通过色散管理及非线性过程，在放大过程中将1.5μm脉冲光宽度压缩至<100fs。放大后的1.5μm脉冲激光进一步入射至近红外的非线性光纤(HNLF)321。入射的脉冲光峰值功率高，并且非线性光纤321的非线性系数高，1.5μm超短脉冲的在HNLF中的自相位调制及拉曼效应较强，输出光谱会发生明显的展宽或者长波长的频移。在本实施例中为获多的2μm波长分量，非线性光纤(HNLF)采用负色散的掺锗非线性单模光纤或者光子晶体光纤，光纤长度约为20cm。自相位/拉曼产生的2μm光谱分量对应的傅里叶变换极限脉冲宽度小于100fs。该分量激光作为下一级的种子源进行后续功率放大。
2μm分量种子光的脉冲功率放大采用双包层掺铥光纤放大器。光纤放大器40的典型实施例如图4所示。2μm信号光通过光纤隔离器401耦合至放大器系统。放大器的泵浦源402采用793nm的多模半导体激光器。双包层光纤合束器403将2μm信号光及793nm泵浦光合束耦合至双包层掺铥光纤404中。信号光在掺铥光纤的纤芯中传输的过程并被包层中的793nm泵浦光放大。通过管理放大器光纤链路的色散，输出的2μm脉冲光平均功率达到W量级，脉冲宽度为～200fs。
为获得中红外的超连续光谱，将放大后的2μm超短脉冲激光入射至中红外的非线性光纤411中。中红外高非线性光纤411选择高非线性系数的硫系光纤。本实施例中选择As2S3光纤，非线性系数为20W-1m-1，零色散点位于1.8μm。此外，本实施例中的中红外非线性光纤411还可选择高非线性系数的氟系光纤，例如ZBLAN光纤。2μm高功率超短脉冲激光经过中红外非线性光纤后，光谱展宽产生了2-5μm光谱范围的超连续光谱42。该中红外超连续光谱42的最长波长大于2倍最短波长，即获得了倍频层的光谱范围。
获得倍频层的中红外超连续光谱后，进一步通过f-2f的自参考装置可以获得中红外光频梳的载波偏移频率f0。典型的f-2f的自参考载波偏移频率测量装置如图5所示。中红外超连续光谱42通过一个双色镜501，长波长分量(例如4μm)反射，短波长(2μm)分量透射。4μm长波长分量经过倍频PPLN晶体502倍频后，产生与短波长分支同样波长的光。两路光合束后通过滤光片(2μm带通)503入射至探测器504进行拍频。探测器连接至一RF射频谱仪。仔细调节2μm分支光路的延时505，在RF射频谱仪中可以观察到小于重复频率(80MHz)的20MHz左右的射频信号(注：f0在
重频的范围)。该信号即为中红外频梳的载波偏移频率(f0)505。在获得偏移频率f0后，可以将f0频率锁定至稳定的射频源上。锁定f0可通过反馈控制1.5μm种子激光器的泵浦光功率实现304。锁定后的载波偏移频率f0精度/线宽可以达到mHz量级。
在稳定了载波偏移频率f0后，此时中红外的光学频率梳的稳定性仅受到重复频率fr的影响。因此还需进一步将中红外频率梳的重复频率稳定。常用的方法为：将待稳定的脉冲光源与稳波长的连续激光进行拍频锁定。重复频率误差测量装置如图6所示。
在本实施例中，由于中红外稳定波长的连续激光器不容易获得，可将1.5μm锁模脉冲种子源的一部分输出306和精密稳频(线宽为mHz量级)的连续激光器601进行拍频。拍频得到的频差信号602然后被锁定至稳定的射频源上。锁定调整的变量为1.5μm锁模脉冲种子源的激光腔长。种子的激光的腔长反馈调节采用电驱动压电陶瓷(PZT)305拉伸光纤实现。锁定后的中红外光频梳的频率精度可以达到mHz量级。
以上所述实施例，近红外1.5μm锁模脉冲激光首先通过级联的非线性光谱展宽过程获得了中红外的超连续谱光源。然后通过f-2f的自参考以及重复频率测量装置，将中红外超连续谱光源的频率精密锁定。锁定的后的中红外光频梳线宽可达mHz量级。因此，利用该中红外光频梳进行测量的精度可达到10-18量级。该光学频率梳产生的方法和装置在中红外分子精密测量方面具有重要的意义。
Claims (9)
1.一种中红外光学频率梳产生的方法，其特征是，1.5μm超短脉冲光纤激光激发近红外非线性光纤产生2μm中心波长的超短脉冲激光源；2μm超短脉冲源经过掺铥光纤放大器后激发中红外非线性光纤获得倍频光谱宽度的中红外超连续光谱；中红外超连续光谱通过f-2f自参考系统，获得频率梳的载波偏移频率f0；通过反馈控制锁模种子源的泵浦光功率，实现偏移频率f0锁定；进一步将1.5μm超短脉冲激光与精密稳定的1.5μm连续激光拍频获得重复频率fr的误差信号；该误差信号反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的重复频率锁定；f0和fr精密锁定后中红外超连续谱光源即为中红外的光频梳。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，1.5μm超短脉冲光纤激光由可饱和吸收体、非线性环形镜或非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤激光器提供。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是，1.5μm超短脉冲光纤激光通过色散管理的掺铒光纤放大器进行光功率放大；放大后的1.5μm超短脉冲激光入射至近红外高非线性光纤，通过光谱自相位调制或拉曼过程产生2μm波长的超短脉冲激光。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是，2μm波长的超短脉冲激光通过色散管理的掺铥光纤放大器进行光功率行放大；中红外超连续光谱为放大后的2μm波长超短脉冲激光激发氟系或硫系的中红外光纤产生，产生的中红外超连续光谱范围覆盖2-5μm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是，f-2f自参考系统将中红外光谱中的长波长分量倍频后与连续谱中的短波长分量拍频，获得载波偏移频率；所述载波偏移频率f0通过调制1.5μm锁模光纤激光器的泵浦光电流实现f0锁定；具体过程如下：中红外超连续光谱通过一个双色镜，长波长分量反射，短波长分量透射；长波长分量经过倍频PPLN晶体倍频后，产生与短波长分支光路同样波长的光；两路光合束后通过滤光片(2μm带通)入射至探测器进行拍频；探测器连接至一RF射频谱仪；仔细调节2μm分支光路的延时，在RF射频谱仪中观察到差频射频信号，该信号即为中红外频梳的载波偏移频率f0；在获得偏移频率f0后，通过锁相环将f0频率锁定至稳定的射频信号源。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是，在稳定了载波偏移频率f0后，中红外的光学频率梳的稳定性只受到重复频率fr的影响；对fr进行锁定即完成整个中红外光频梳的锁定。具体过程如下：将待稳定的脉冲光源与稳波长的连续激光进行拍频锁定fr；即将1.5μm锁模脉冲种子源的一部分输出和精密稳频的1.5μm连续激光器进行拍频；拍频获得的频差信号然后被锁定至稳定的射频源上；锁定调整的变量为1.5μm锁模脉冲种子源的激光腔长；种子激光的腔长反馈调节采用电驱动压电陶瓷(PZT)拉伸光纤实现；锁定后的中红外光频梳的频率精度可以达到mHz量级。
7.如权利要求3所述方法，其特征是，1.5μm超短脉冲的在HNLF中的自相位调制及拉曼效应较强，非线性光纤(HNLF)采用负色散的掺锗非线性单模光纤或者光子晶体光纤。
8.如权利要求4所述方法，其特征是，2μm分量种子光的脉冲功率放大采用双包层掺铥光纤放大器；过程如下：2μm信号光通过光纤隔离器耦合至放大器系统；放大器的泵浦源采用793nm的多模半导体激光器；双包层光纤合束器将2μm信号光及793nm泵浦光合束耦合至双包层掺铥光纤中；信号光在掺铥光纤的纤芯中传输的过程并被包层中的793nm泵浦光放大；通过管理放大器光纤链路的色散，输出的2μm脉冲光平均功率达到W量级，脉冲宽度为～200fs。
9.如权利要求4所述方法，其特征是，为获得中红外的超连续光谱，将放大后的2μm超短脉冲激光入射至中红外的非线性光纤中；中红外非线性光纤选择高非线性系数的硫系光纤或ZBLAN光纤；光谱展宽产生了2-5μm光谱范围的超连续光谱；该中红外超连续光谱的最长波长大于2倍最短波长，即获得了倍频层的光谱范围。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010518050.4A CN111711062A (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010518050.4A CN111711062A (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111711062A true CN111711062A (zh) | 2020-09-25 |
Family
ID=72539028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010518050.4A Pending CN111711062A (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111711062A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112670806A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-16 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种微腔孤子光频梳的移频系统及移频方法 |
| CN112987444A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 非线性增益调制光学频率梳及其产生方法 |
| CN113451868A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 超短脉冲激光器载波包络相位偏移量的补偿装置及方法 |
| CN113654669A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-16 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法 |
| CN114136921A (zh) * | 2021-06-23 | 2022-03-04 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法 |
| CN116192269A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-30 | 北京工业大学 | 基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101764346A (zh) * | 2010-02-12 | 2010-06-30 | 华东师范大学 | 高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法 |
| CN102820606A (zh) * | 2012-08-03 | 2012-12-12 | 北京工业大学 | 超连续谱光源激励的中红外超连续谱光纤激光器 |
| CN102981345A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-03-20 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法 |
| CN103022877A (zh) * | 2012-11-28 | 2013-04-03 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种基于频分复用技术实现光谱组合放大的新方法 |
| CN105244744A (zh) * | 2015-11-03 | 2016-01-13 | 中国科学院国家授时中心 | 一种利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统 |
| CN105548036A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-05-04 | 上海理工大学 | 一种自适应双光梳光谱系统 |
| CN106338872A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-01-18 | 中国科学院物理研究所 | 一种全光纤光学频率梳装置 |
| CN106842762A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-06-13 | 陕西师范大学 | 一种级联超连续谱产生的装置 |
| CN108039636A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-05-15 | 南京大学 | 一种基于2μm超短脉冲激光泵浦的中红外光纤光参量振荡器 |
| CN110731052A (zh) * | 2017-05-12 | 2020-01-24 | 密歇根大学董事会 | 光学频率梳偏移频率的量子干涉检测 |
| CN111077110A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-04-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法 |
-
2020
- 2020-06-09 CN CN202010518050.4A patent/CN111711062A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101764346A (zh) * | 2010-02-12 | 2010-06-30 | 华东师范大学 | 高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法 |
| CN102820606A (zh) * | 2012-08-03 | 2012-12-12 | 北京工业大学 | 超连续谱光源激励的中红外超连续谱光纤激光器 |
| CN103022877A (zh) * | 2012-11-28 | 2013-04-03 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种基于频分复用技术实现光谱组合放大的新方法 |
| CN102981345A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-03-20 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种获得高功率宽带绿光光学频率梳的方法 |
| CN105244744A (zh) * | 2015-11-03 | 2016-01-13 | 中国科学院国家授时中心 | 一种利用电光晶体实现宽带载波包络偏频控制的光梳系统 |
| CN105548036A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-05-04 | 上海理工大学 | 一种自适应双光梳光谱系统 |
| CN106338872A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-01-18 | 中国科学院物理研究所 | 一种全光纤光学频率梳装置 |
| CN106842762A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-06-13 | 陕西师范大学 | 一种级联超连续谱产生的装置 |
| CN110731052A (zh) * | 2017-05-12 | 2020-01-24 | 密歇根大学董事会 | 光学频率梳偏移频率的量子干涉检测 |
| CN108039636A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-05-15 | 南京大学 | 一种基于2μm超短脉冲激光泵浦的中红外光纤光参量振荡器 |
| CN111077110A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-04-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112670806A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-16 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种微腔孤子光频梳的移频系统及移频方法 |
| CN112670806B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-10-04 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种微腔孤子光频梳的移频系统及移频方法 |
| CN112987444A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 非线性增益调制光学频率梳及其产生方法 |
| CN113451868A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 超短脉冲激光器载波包络相位偏移量的补偿装置及方法 |
| CN113451868B (zh) * | 2021-05-28 | 2022-12-09 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 超短脉冲激光器载波包络相位偏移量的补偿装置及方法 |
| CN114136921A (zh) * | 2021-06-23 | 2022-03-04 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法 |
| CN113654669A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-16 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法 |
| CN116192269A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-30 | 北京工业大学 | 基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统 |
| CN116192269B (zh) * | 2023-04-24 | 2023-09-26 | 北京工业大学 | 基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111711062A (zh) | 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 | |
| US20170187161A1 (en) | Low carrier phase noise fiber oscillators | |
| JPH10213827A (ja) | 高出力光パルスの発生装置および発生方法 | |
| KR102478187B1 (ko) | 레이저 디바이스 | |
| Yang et al. | Tunable femtosecond laser from 965 to 1025 nm in fiber optical parametric oscillator | |
| Jiang et al. | Tunable coherent Raman soliton generation with a Tm-fiber system | |
| Awang et al. | Experimental and numerical comparison Q-switched fiber laser generation using graphene as saturable absorber | |
| Plascak et al. | Progress towards full stabilization of an injection locked 10GHz chip-scale mode-locked laser on InP | |
| Blau et al. | Single-mode operation of a mid-infrared optical parametric oscillator using volume-Bragg-grating cavity mirrors | |
| JP6504658B2 (ja) | 広帯域光周波数コム光源および広帯域光周波数コムの発生方法 | |
| Takahashi et al. | Fiber Optical Parametric Oscillator With Wide Tuning Range and Fixed Repetition Rate | |
| Wang et al. | 978 nm all-polarization-maintaining mode-locked fiber laser based on phase-biased nonlinear amplifying loop mirror | |
| Xiaolin et al. | Wavelength-tunable Q-switched fiber laser based on a 45 tilted fiber grating | |
| Bi et al. | Compact, 2.95-GHz repetition-rate femtosecond optical parametric oscillator with tunable pulse repetition frequency | |
| Berrou et al. | Fine frequency tuning and±3 MHz frequency stabilisation of a nanosecond mid-infrared doubly resonant optical parametric oscillator | |
| Nishizawa et al. | 1.6–1.7 um Wavelength Tunable, All-Polarization Maintaining, Dual-Comb Fiber Laser with Single Wall Carbon Nanotube for Dual Comb Spectroscopy | |
| Jin et al. | Transverse mode interaction-induced Raman laser switching dynamics in a silica rod microresonator | |
| Kraempek et al. | Compact 6.5-9 pm Frequency Comb Source for Fourier Transform Spectroscopy | |
| Krzempek et al. | Mid-infrared frequency comb covering the 6.5–9 μm range with active output power stabilization | |
| Chen et al. | Inter/intra-pulse dual-wavelength operated mid-infrared optical parametric | |
| Mei et al. | Self Q-switched single-frequency all-fiber laser | |
| Sotor et al. | An all-fiber mid-infrared (6–9 μm) source based on difference frequency generation in OP-GaP crystal | |
| Pesatori et al. | Characterization of Single-Frequency Yb: $\hbox {KYF} _ {4} $ Lasers at 1.03$\mu\hbox {m} $ for Optical Frequency Metrology | |
| Berrou et al. | Mid-IR entangled-cavity doubly resonant OPO with back-conversion minimization and automated tuning | |
| Freddi | Ultrafast Yb: CALGO amplified laser for broadband mid-infrared generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200925 |