CN111812909B - 一种同源双光梳产生的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同源双光梳产生的装置，包括泵浦源、波分复用器、保偏掺铒光纤、隔离器、可饱和吸收体、偏振分路合路模块和光纤耦合器依次首尾相连的全保偏光纤谐振腔以及腔外偏振分束器。其中偏振分路合路模块由偏振分束器、可调光延时线和偏振合束器依次连接而成。装置内所有器件偏振不敏感，均可支持产生两个正交的偏振模。通过调节泵浦功率在两个正交的偏振方向上同时实现锁模，从而产生双光梳。系统引入偏振分路合路模块改变光程，从而调节光梳重频差。本发明系统结构简单紧凑、操作方便，产生的双光梳具有很好的相干性和稳定性且重频差可调，具有广泛的工程应用前景。

Description

一种同源双光梳产生的装置
技术领域
本发明涉及光频技术领域，具体涉及一种同源双光梳产生的装置。
背景技术
基于飞秒激光器的光学频率梳技术一直受到科研人员广泛关注，并于2005年获颁诺贝尔物理学奖。光梳在时域为等间距的“孤子”序列，频域为等间隔的纵模梳齿线。光梳为人们在频域内提供了一把“标尺”，使光学频率与微波频率相关联，巧妙地解决了光频直接计量问题，被广泛地应用于光原子钟、阿秒科学、天文观测、精密激光光谱等领域，尤其是在精密激光光谱测量领域带来了革命性的进展。
双光梳光谱分析技术需要利用两个重复频率稍有偏差的光频梳，将这两个光频梳的其中之一或共同通过样品，然后利用光电探测器采集它们的外差型号，写入光频梳谱线上的样品光谱信息被转移到射频域，通过分析外差型号即可提取出样品的光谱信息。双光梳光谱分析技术可获得kHz量级的分辨率，将宽波长测量、高灵敏度、快速监测等高性能指标集于一身，这对于现代精密光谱分析技术无疑具有里程碑式的意义。
然而，两组光梳之间任何微小的脉冲时间抖动和载波相位波动，都会导致干涉图严重失真。因此，双光梳的互相干特性成为制约技术走向应用的关键。科研人员经过大量努力，逐步发展出三种代表性的技术来提升双光梳的互相干性，包括相干双光梳、自适应双光梳、同源双光梳。
相干双光梳技术需要超窄线宽且超稳的激光器作为参考，对锁定技术要求高，装置复杂。自适应双光梳技术需要大量采集数据对干涉图进行校正，对数据处理要求高，算法复杂。因此，两种方案分别在硬件和软件上制约双光梳发展成高可靠实用化仪器。
同源双光梳是指两组光梳从同一台光源产生，这样它们具有天然的互相干性，结构简单，抗环境干扰能力强。因此，同源双光梳的研究将进一步推动双光梳光谱分析的实际应用。
发明内容
为了有效提高双光梳的互相干性，本发明提供了一种同源双光梳产生的装置，系统结构简单紧凑、操作方便，实现了从单一的全保偏光纤谐振腔中产生重频差可调的两组光梳，所产生的双光梳具有好的相干性和稳定性。
本发明是以如下技术方案实现的：包括泵浦源1、全保偏光纤谐振腔12以及第二偏振分束器10。
所述全保偏光纤谐振腔由波分复用器2、保偏掺铒光纤3、隔离器4、可饱和吸收体5、偏振分路合路模块11和光纤耦合器9依次首尾连接起来。其中偏振分路合路模块11由第一偏振分束器6、可调光延时线7和偏振合束器8依次连接而成。
所述第二偏振分束器10通过保偏单模光纤与光纤耦合器9相连。
进一步地，所述泵浦源1为普通单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为976nm，对应于保偏掺铒光纤3的泵浦吸收峰。
进一步地，所述波分复用器2的工作波长是980/1550nm，具有泵浦端2a、第一输入端2b和第一输出端2c三个端口，泵浦端(2a)的尾纤为普通单模光纤，第一输入端2b和第一输出端2c的尾纤为保偏单模光纤。
进一步地，所述保偏掺铒光纤3型号为Nufern PM-ESF-7/125，长度为2.5m。
进一步地，所述光隔离器4采用中心波长为1550nm的与偏振无关的隔离器，其尾纤为保偏单模光纤。
进一步地，所述可饱和吸收体5材料为碳纳米管，通过光驱动端面沉积法制备，具有偏振不敏感特性且损伤阈值高。
进一步地，所述光纤耦合器9采用20:80保偏光纤耦合器，具有第二输入端9a、第二输出端9b80％耦合输出和20％第三输出端9c20％耦合输出，其尾纤均为保偏单模光纤。
进一步地，所述偏振分路合路模块11由偏振分束器6、可调光延时线7和偏振合束器8依次通过保偏单模光纤连接而成。所述偏振分束器6具有两个输出端口，分别为x轴输出端口6a和y轴输出端口6b。所述偏振合束器8具有两个输入端口，分别为x轴输入端口8a和y轴输入端口8b。x轴和y轴分别为两个正交偏振轴。x轴输出端口6a与x轴输入端口8a相连，y轴输出端口6b与y轴输入端口8b相连，产生两条支路。所述可调光延时线7插入两条支路的任意一路。
进一步地，装置内所有器件偏振不敏感，均可支持产生两个正交的偏振模。通过调节泵浦功率在两个正交的偏振方向上同时实现锁模，从而产生双光梳。
进一步地，通过调节所述可调光延时线7改变光程，从而调节光梳重频差。
进一步地，所述第二偏振分束器10将全保偏光纤谐振腔12的输出分离成重复频率略有不同的光梳1和光梳2。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：1、本发明系统采用全光纤全保偏结构，光束质量高，稳定性好，便于熔接耦合，维护方便。2、本发明实现了实现了从单一的谐振腔中产生双光梳，保证了双光梳的良好相干性。3、本发明通过引入偏振分路合路模块实现了双光梳重频差的灵活可调。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种同源双光梳产生装置的结构示意图；
图2为本发明的一种同源双光梳产生装置实验产生的双光梳脉冲序列。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种同源双光梳产生装置的结构示意图如图1所示，该系统包括泵浦源1、全保偏光纤谐振腔12以及第二偏振分束器10三个部分。
所述全保偏光纤谐振腔由波分复用器2、保偏掺铒光纤3、隔离器4、可饱和吸收体5、偏振分路合路模块11和光纤耦合器9依次首尾连接起来。其中偏振分路合路模块11由第一偏振分束器6、可调光延时线7和偏振合束器8依次连接而成。
所述泵浦源1为保偏单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为976nm，对应于掺铒光纤的泵浦吸收峰。通过980/1550nm波分复用器2耦合进入保偏光纤谐振腔。
所述保偏掺铒光纤3作为增益光纤为谐振腔提供增益，型号为Nufern PM-ESF-7/125，长度为2.5m。
所述光隔离器4采用中心波长为1550nm的与偏振无关的隔离器，置于所述可饱和吸收体5和所述保偏掺铒光纤3之间，用于确保激光单向传输，消除有害反射。其尾纤为保偏单模光纤。
所述可饱和吸收体5是实现锁模的核心器件，材料为碳纳米管，通过光驱动端面沉积法制备：光辐射产生的散射力推动碳纳米管分子向光传播方向移动。当散射力和梯度力达到一定的平衡时，碳纳米管在光纤端面上形成环型沉积，该结构可兼具高损伤阈值和偏振不敏感特性，适用于偏振复用型光纤谐振腔。
所述光纤耦合器9采用20:80保偏光纤耦合器，输出端9c作为激光谐振腔输出端口，其尾纤为保偏单模光纤。
所述第二偏振分束器10通过保偏单模光纤与光纤耦合器9d的输出端9c相连，用于分离全保偏光纤谐振腔12产生的双光梳。
装置内所有器件偏振不敏感，可支持产生两个正交的偏振模。通过调节泵浦功率在两个正交的偏振方向上同时实现锁模，从而产生双光梳。
本发明装置通过引入偏振分路合路模块11调节光梳重频差。在所述偏振分路合路模块11中,所述偏振分束器6首先将激光分成沿x和y轴(两个正交偏振轴)的两束线偏光，分别由x轴输出端口6a和y轴输出端口6b输出，经两个支路保偏光纤分别传输到x轴输入端口8a和y轴输入端口8b，通过所述偏振合束器9重新合并成一路。由于沿x轴和y轴传输的两束光经过的路径不同，在腔内运动一周所需时间不同，形成双光梳。x轴和y轴两支路长度分别记为Lx和Ly，干路光纤长度记为L0。于是两组脉冲在谐振腔内传输一周所需时间分别表示为：
Tx＝c(L0+Lx)/nx (1)
Ty＝c(L0+Ly)/ny (2)
其中nx和ny分别表示光纤两个偏振轴的群折射率，c为真空中的光速。因此，两组光梳重复频率分别为1/Tx和1/Ty，双光梳重频差可以表示为：
Figure GDA0003965685750000051
若可调光延时线7引入的光纤长度在0～△l范围内连续可调，则重频差调节范围为cnx△l/n2L2。若光梳重复频率为20MHz，可调光延时线7时延0～500ps，调节步长10fs，则光梳重频差可在0～200kHz范围内可调，调节精度4Hz。这一调节范围可将目前偏振复用方案中kHz量级的调节范围提升2个数量级。
当泵浦功率为110mW，腔长为13.2m，可调光延时线7时延0ps时，从单一的全保偏光纤谐振腔12中产生了双光梳，结果通过示波器(OSC,Tektronix DPO4104)测量，如图2的第一条迹线所示。由于示波器无法触发两个重复频率不同的脉冲序列，因此我们观察到迹线存在固定脉冲序列和快速漂移的脉冲序列，进一步验证了本发明产生的双光梳重复频率有差异。从全保偏光纤谐振腔12输出的双光梳经过第二偏振分束器10分离后的脉冲序列如图2的第二和第三条迹线所示，光梳1和光梳2的脉冲周期Tx和Ty均接近58.7ns，进一步验证了本发明产生的两组光梳重复频率差异很小，满足双光梳光谱分析的条件。
综上所述，本发明提出的一种同源双光梳产生的装置实现了从单一的全保偏光纤谐振腔中产生重频差可调的两组光梳，本发明系统结构简单紧凑、操作方便，产生的双光梳具有很好的相干性和稳定性且重频差可调，具有广泛的工程应用前景。
上面结合附图对本发明的实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：包括泵浦源(1)、全保偏光纤谐振腔(12)以及第二偏振分束器(10)，所述全保偏光纤谐振腔(12)由波分复用器(2)、保偏掺铒光纤(3)、隔离器(4)、可饱和吸收体(5)、偏振分路合路模块(11)和光纤耦合器(9)依次首尾连接起来，所述偏振分路合路模块(11)由偏振分束器(6)、可调光延时线(7)和偏振合束器(8)依次由保偏单模光纤连接而成，所述偏振分束器(6)具有x轴输出端口(6a)和y轴输出端口(6b)，所述偏振合束器(8)具有x轴输入端口(8a)和y轴输入端口(8b)，x轴输出端口(6a)与x轴输入端口(8a)相连，y轴输出端口(6b)与y轴输入端口(8b)相连，所述可调光延时线(7)置于x轴输出端口(6a)与x轴输入端口(8a)之间，在所述偏振分路合路模块(11)中，所述偏振分束器(6)将激光分成沿x和y轴的两束线偏光，分别由x轴输出端口(6a)和y轴输出端口(6b)输出，经两个支路保偏光纤分别传输到x轴输入端口(8a)和y轴输入端口(8b)，通过所述偏振合束器9重新合并成一路，其中，x轴和y轴分别为两个正交偏振轴，所述第二偏振分束器(10)通过保偏单模光纤与光纤耦合器(9)相连，所述第二偏振分束器(10)将全保偏光纤谐振腔(12)的输出分离成重复频率略有不同的第一光梳和第二光梳。
2.根据权利要求1所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述泵浦源(1)为普通单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为976nm，对应于保偏掺铒光纤(3)的泵浦吸收峰。
3.根据权利要求1所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述全保偏光纤谐振腔(12)内所有器件偏振不敏感，可支持产生两个正交的偏振模，尾纤均为保偏光纤。
4.根据权利要求1或3所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述波分复用器(2)的工作波长是980/1550nm，具有泵浦端(2a)、第一输入端(2b)和第一输出端(2c)三个端口，泵浦端(2a)的尾纤为普通单模光纤，第一输入端(2b) 和第一输出端(2c)的尾纤为保偏单模光纤。
5.根据权利要求1或3所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述保偏掺铒光纤(3)型号为Nufern PM-ESF-7/125，长度为2.5m。
6.根据权利要求1或3所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述隔离器(4)采用中心波长为1550nm的与偏振无关的隔离器，置于所述可饱和吸收体(5)和所述保偏掺铒光纤(3)之间，其尾纤为保偏单模光纤。
7.根据权利要求1或3所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述可饱和吸收体(5)材料为碳纳米管，通过光驱动端面沉积法制备，具有偏振不敏感特性且损伤阈值高。
8.根据权利要求1或3所述的一种同源双光梳产生的装置，其特征在于：所述光纤耦合器(9)采用20:80保偏光纤耦合器，具有第二输入端(9a)、
第二输出端(9b)80％耦合输出，第三输出端(9c)20％耦合输出，其尾纤均为保偏单模光纤。
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