CN112054379B - 一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统，涉及激光和非线性光学频率变换技术领域，角度确定方法包括：获取非线性晶体的实时温度；根据非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；确定数组中的最大归一化参量增益值的最小值；并在最小值小于0时将最小值对应的标准具角度和非线性晶体的温度输出。本发明能够实现光学参量振荡器的宽带连续无跳模可调谐。

Description

一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统

技术领域

本发明涉及激光和非线性光学频率变换技术领域，特别是涉及一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统。

背景技术

光学参量振荡器(OPO)由泵浦光、非线性晶体、谐振腔组成，经由光学参量振荡过程，同时产生信号光和闲置光。理想情况下，OPO产生的两束光的频率由能量守恒条件(即泵浦光频率等于信号光频率与闲置光频率之和)和完全相位匹配条件(即泵浦光频率与其在非线性晶体中的折射率之积等于信号光和闲置光各自的频率与折射率的乘积之和)所决定。因此可以通过调控泵浦光频率、非线性晶体温度、非线性晶体角度等参数，使得满足能量守恒条件和完全相位匹配条件的信号光和闲置光频率变化，从而实现连续调谐。

宽带连续无跳模调谐的OPO在气体检测和追迹、大气污染监控、火灾早期预警、精密光谱、生物化学研究等领域有着广泛的应用。为了获得气体或者化合物溶液的指纹谱(吸收谱、拉曼散射谱等)，需要探测光源的频率可以在宽频带范围内连续无跳模调谐，同时对实际应用来说光源的调谐速度越快越好。但是由于存在额外的如自发参量放大等非线性过程，在OPO的调谐过程中会出现跳模和多模等现象，使得现有的可调谐OPO的连续无跳模调谐带宽被限制在1THz以下，且宽调谐带宽和高调谐速度无法兼得。

为了获得宽带连续无跳模可调谐OPO，目前常用的技术手段有：泵浦调谐结合温度实时反馈优化、腔长调谐结合标准具角度调节、缓慢温度调谐等。

泵浦调谐技术的原理是在非线性晶体温度不变、信号光在谐振腔内共振的条件下，通过调谐泵浦光的频率，使得非共振的闲置光频率跟随泵浦光频率变化。由于泵浦调谐技术本身只是基于能量守恒条件的调谐，因此在调谐一定频率范围之后，输出光的频率和折射率关系将偏离完全相位匹配条件，导致其调谐带宽一般在几百GHz的水平。为提高调谐带宽，常用的方法是采用实时温度反馈使得OPO始终保持在完全相位匹配条件下运转，其典型工作是：2012年，有些学者采用宽带可调谐半导体激光器作为种子源注入的光纤放大器作为泵浦源，通过采用角度固定的内腔标准具组锁定信号光频率，同时采用实时温度反馈，实现了对输出闲置光的带宽为900GHz的连续无跳模调谐。(参考文献：X.P.Hong,X.L.Shen,M.L.Gong,and F.Wang,“Broadly tunable mode-hop-free mid-infrared light sourcewith MgO:PPLN continuous-wave optical parametric oscillator,”Opt.Lett.37(23),4982-4984(2012).)。尽管采用实时温度反馈可以在一定调谐范围内克服OPO偏离完全相位匹配条件导致的跳模等问题，但该方法牺牲了调谐速度(典型的等待温度稳定的时间为30-60秒)，且无法使OPO工作在泵浦功率高于3倍阈值的条件下，因而输出光的功率受限。此外，输出光的调谐带宽受到泵浦源自身的无跳模调谐带宽的限制。

腔长调谐技术的原理是通过改变OPO的谐振腔长来控制谐振腔的共振透射特性(包括共振模式的频率、共振模式的频率间隔——透射曲线的自由光谱区、共振模式的线宽等)。由于OPO具有较宽的参量增益带宽，在非线性晶体温度和泵浦光频率固定的条件下，OPO输出的共振信号光的频率(即对应最大净增益的共振模式)将随OPO的谐振腔长的变化而改变，并导致OPO过程中同时产生的非共振的闲置光的频率发生变化，且共振光与非共振光的频率变化量互为相反数。在腔长调谐的过程中，也存在与泵浦调谐类似的，信号光和闲置光的频率和折射率关系偏离完全相位匹配条件的问题。常用的解决办法是引入内腔标准具等元件，其典型工作是：2002年，一些学者通过同步调谐谐振腔长和标准具角度，实现了带宽为38GHz，调谐速度为0.25GHz/s的无跳模调谐。(参考文献：U.

J.P.Meyn,R.Wallenstein,S.Schiller,andA.Peters,“Single-frequency continuous-waveoptical parametric oscillator system with an ultrawide tuning range of 550to2830nm,”J.Opt.Soc.Am.B 19(6),1419-1424(2002).)该方法中，标准具角度的调控只是简单地与谐振腔纵模频率的移动保持一致，同时压电陶瓷的行程有限，因此无跳模调谐带宽通常仅为几十GHz的水平。

缓慢温度调谐技术的原理是在非临界相位匹配条件下，通过调谐非线性晶体温度改变晶体的折射率，使得具有最大参量增益(即同时满足能量守恒条件和完全相位匹配条件)的信号光与闲置光的频率随晶体温度的变化而移动，且信号光与闲置光的频率变化量互为相反数。虽然通过缓慢温度调谐可以克服一部分由于温度起伏所导致的跳模，但是由于存在自发参量放大过程，在高泵浦功率下仍会出现频繁的跳模现象。由于调谐速度过慢，连续无跳模调谐带宽有限，因此实用性受到很大的限制。

总之，上述三种常用方法一般难以同时满足气体检测和追迹、精密光谱等应用对光源的多波段、宽带无跳模调谐和高调谐速度的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统，以实现光学参量振荡器的宽带连续无跳模可调谐。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种内腔标准具的角度确定方法，包括：

获取非线性晶体的实时温度；

根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度；

所述根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：

获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；所述起始调谐温度为所述非线性晶体的初始温度；

将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值；

确定所述数组中的最大归一化参量增益值的最小值；

判断所述最小值是否小于0，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述最小值小于0，则输出所述最小值对应的标准具角度和所述非线性晶体的温度；

若所述第一判断结果表示所述最小值大于0，则调整标准具镀膜参数，并返回步骤“获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱”。

一种内腔标准具的角度确定系统，包括：

温度获取模块，用于获取非线性晶体的实时温度；

角度计算模块，用于根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度；

所述角度计算模块，具体包括：

增益谱计算单元，用于获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；所述起始调谐温度为所述非线性晶体的初始温度；

写入单元，用于将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值；

最小值确定单元，用于确定所述数组中的最大归一化参量增益值的最小值；

判断单元，用于判断所述最小值是否小于0，得到第一判断结果；

输出单元，用于当所述第一判断结果表示所述最小值小于0时，输出所述最小值对应的标准具角度和所述非线性晶体的温度；

返回单元，用于当所述第一判断结果表示所述最小值大于0时，调整标准具镀膜参数，并返回所述增益谱计算单元。

一种内腔标准具的程控偏置与锁定方法，包括：

获取所述非线性晶体的温度及所述非线性晶体的温度对应的标准具角度；

将所述非线性晶体的温度对应的标准具角度输入至调制模块以控制所述调制模块调整标准具达到无跳模标准；

判断所述非线性晶体的温度是否达到终止温度，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述非线性晶体的温度达到终止温度，则停止调谐；

若所述第二判断结果表示所述非线性晶体的温度未达到终止温度，则调整所述非线性晶体的温度，并获取调整后所述非线性晶体的温度对应的标准具角度，然后返回步骤“将所述非线性晶体的温度对应的标准具角度输入至调制模块以控制所述调制模块调整标准具达到无跳模标准”。

一种内腔标准具的程控偏置与锁定系统，包括：

泵浦源、谐振腔、非线性晶体、标准具、电机驱动电路、调制模块和温控模块；

所述泵浦源输出的泵浦光至所述谐振腔中，所述非线性晶体设置在所述谐振腔内；所述泵浦光传输至所述非线性晶体中产生信号光和闲置光；所述标准具设置在所述谐振腔内，所述标准具用于抑制所述信号光和所述闲置光在频率调谐过程中的跳模现象；所述调制模块与所述电机驱动电路连接；所述调制模块用于根据所述谐振腔中输出的信号光对所述标准具进行角度调制；所述电机驱动模块与所述标准具连接；

所述温控模块分别与所述非线性晶体和所述调制模块连接，所述温控模块用于调节所述非线性晶体的温度。

可选的，所述调制模块，包括：

锁相系统、信号发生器和加法器；

所述锁相系统与所述信号发生器连接；所述信号发生器与所述加法器连接；所述加法器与所述电机驱动电路连接。

可选的，所述温控模块，包括：

控温仪和数据采集和输出模块；

所述控温仪分别与所述非线性晶体和所述数据采集和输出模块连接，所述数据采集和输出模块还与所述加法器连接。

可选的，所述调制模块，还包括：

光电探测器；

所述光电探测器用于检测所述谐振腔输出的信号光；所述光电探测器还与所述锁相系统连接。

可选的，所述谐振腔为驻波腔；

所述谐振腔包括第一腔镜和第一输出镜；所述泵浦源将所述泵浦光传输至所述第一腔镜；所述非线性晶体位于所述第一腔镜和所述标准具之间；所述标准具位于所述非线性晶体和所述第一输出镜之间；所述第一输出镜输出的信号光输入所述调制模块。

可选的，所述谐振腔为环形腔；

所述谐振腔包括：第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第二输出镜；第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第二输出镜形成环形腔；所述泵浦源将所述泵浦光传输至所述第二腔镜；所述非线性晶体位于所述第二腔镜和所述第三腔镜之间；所述标准具位于所述第四腔镜和所述第二输出镜之间；所述第二输出镜输出的信号光输入所述调制模块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统，通过计算归一化参量增益谱获得不同非线性晶体温度对应的无跳模情况下的标准具角度。通过改变非线性晶体的温度实现调谐，再通过使无跳模情况下的标准具的角度与非线性晶体的温度实时对应从而实现光学参量振荡器的宽带连续无跳模可调谐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明一种内腔标准具的角度确定方法流程图；

图2为本发明一种内腔标准具的角度确定系统示意图；

图3为本发明一种内腔标准具的程控偏置与锁定方法流程图；

图4为本发明一种内腔标准具的程控偏置与锁定系统示意图一；

图5为本发明一种内腔标准具的程控偏置与锁定系统示意图二；

图6为本发明归一化单次穿过参量增益谱示意图；

图7为本发明方案实施流程图理论模拟部分示意图；

图8为本发明方案实施流程图自动控制部分示意图；

图9为本发明归一化单次穿过参量增益的最大值随标准具角度的变化关系示意图；

图10为本发明最佳标准具角度随非线性晶体温度的变化关系示意图；

图11为本发明非线性晶体的温度随时间的变化关系示意图；

图12为本发明实验测量的直流偏置电压信号图；

图13为本发明信号光波长随非线性晶体温度的变化关系示意图；

图14为本发明输出信号光注入乙炔气体池的透射谱示意图。

符号说明：

1-泵浦源、2.1-第一腔镜、2.2-第二腔镜、2.3-第三腔镜、2.4-第四腔镜、3-非线性晶体、4-标准具、5.1-第一输出镜、5.2-第二输出镜、6-光电探测器、7-控温仪、8-电机驱动电路、9-数据采集和输出模块、10-加法器、11-锁相系统、12-信号发生器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统，以实现光学参量振荡器的宽带连续无跳模可调谐。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种内腔标准具的角度确定方法，包括：

步骤101：获取非线性晶体的实时温度。

步骤102：根据非线性晶体的实时温度计算标准具角度。根据非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：

步骤1021：获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；起始调谐温度为非线性晶体的初始温度。

步骤1022：将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值。

步骤1023：确定数组中的最大归一化参量增益值的最小值。

步骤1024：判断最小值是否小于0，得到第一判断结果；若第一判断结果表示最小值小于0，则执行步骤1025。若第一判断结果表示最小值大于0，则执行步骤1026。

步骤1025：输出最小值对应的标准具角度和非线性晶体的温度。

步骤1026：调整标准具镀膜参数，并返回步骤1021。

如图2所示，本发明提供的一种内腔标准具的角度确定系统，包括：

温度获取模块201，用于获取非线性晶体的实时温度。

角度计算模块，用于根据非线性晶体的实时温度计算标准具角度。角度计算模块，具体包括：

增益谱计算单元2021，用于获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；起始调谐温度为非线性晶体的初始温度。

写入单元2022，用于将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值。

最小值确定单元2023，用于确定数组中的最大归一化参量增益值的最小值。

判断单元2024，用于判断最小值是否小于0，得到第一判断结果。

输出单元2025，用于当第一判断结果表示最小值小于0时，输出最小值对应的标准具角度和非线性晶体的温度。

返回单元2026，用于当第一判断结果表示最小值大于0时，调整标准具镀膜参数，并返回增益谱计算单元。

如图3所示，本发明提供的一种内腔标准具的程控偏置与锁定方法，其包括：

步骤301：获取非线性晶体的温度及非线性晶体的温度对应的标准具角度。

步骤302：将非线性晶体的温度对应的标准具角度输入至调制模块以控制调制模块调整标准具达到无跳模标准。

步骤303：判断非线性晶体的温度是否达到终止温度，得到第二判断结果；若第二判断结果表示非线性晶体的温度达到终止温度，则执行步骤步骤304，若第二判断结果表示非线性晶体的温度未达到终止温度，则执行步骤305。

步骤304：停止调谐。停止调谐即停止改变温度。

步骤305：调整非线性晶体的温度，并获取调整后非线性晶体的温度对应的标准具角度，然后返回步骤301。

如图4-图5所示，本发明提供的一种内腔标准具的程控偏置与锁定系统，包括：

泵浦源1、谐振腔、非线性晶体3、标准具4、电机驱动电路8、调制模块和温控模块。

泵浦源1输出的泵浦光至谐振腔中，非线性晶体3设置在谐振腔内；泵浦光传输至非线性晶体3中产生信号光和闲置光；标准具4设置在谐振腔内，标准具4用于抑制信号光和闲置光在频率调谐过程中的跳模现象；调制模块与电机驱动电路8连接；调制模块用于根据谐振腔中输出的信号光对标准具4进行角度调制；电机驱动模块与标准具4连接。

温控模块分别与非线性晶体3和调制模块连接，温控模块用于调节非线性晶体3的温度。

其中，调制模块，包括：锁相系统11、信号发生器12和加法器10；锁相系统11与信号发生器12连接；信号发生器12与加法器10连接；加法器10与电机驱动电路8连接。

其中，温控模块，包括：控温仪7和数据采集和输出模块9；控温仪7分别与非线性晶体3和数据采集和输出模块9连接，数据采集和输出模块9还与加法器10连接。

其中，调制模块，还包括：光电探测器6；光电探测器6用于检测谐振腔输出的信号光；光电探测器6还与锁相系统11连接。

在实际应用中，可应用于包括条形驻波腔、环形腔在内的不同腔型的单共振OPO。谐振腔可以为驻波腔也可以为环形腔。如图4所示，图4中的内腔标准具4的程控偏置与锁定系统所用的谐振腔为驻波腔。

谐振腔包括第一腔镜2.1和第一输出镜5.1；泵浦源1将泵浦光传输至第一腔镜2.1；非线性晶体3位于第一腔镜2.1和标准具4之间；标准具4位于非线性晶体3和第一输出镜5.1之间；第一输出镜5.1输出的信号光输入调制模块。

如图5所示，图5中的内腔标准具4的程控偏置与锁定系统所用的谐振腔为环形腔。

谐振腔包括：第二腔镜2.2、第三腔镜2.3、第四腔镜2.4和第二输出镜5.2；第二腔镜2.2、第三腔镜2.3、第四腔镜2.4和第二输出镜5.2形成环形腔；泵浦源1将泵浦光传输至第二腔镜2.2；非线性晶体3位于第二腔镜2.2和第三腔镜2.3之间；标准具4位于第四腔镜2.4和第二输出镜5.2之间；第二输出镜5.2输出的信号光输入调制模块。

其中，标准具4的材料为熔融石英、蓝宝石、铌酸锂或者磷酸钛氧钾。非线性晶体3为周期极化铌酸锂(PPLN)、掺氧化镁的周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)、周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)或者周期极化钽酸锂(PPSLT)。

本发明提供一种内腔标准具4的程控偏置与锁定系统的具体实施方式：

泵浦源1采用中心波长为1064nm的连续单频激光器，设定其注入到OPO腔内的泵浦光功率为21W；非线性晶体3采用掺杂氧化镁(掺杂浓度为5at.％)的周期极化铌酸锂晶体；腔镜对信号光的反射率高于99.8％，其中，腔镜包括第一腔镜2.1、第二腔镜2.2、第三腔镜2.3和第四腔镜2.4；输出镜对信号光的透射率为2％，其中，输出镜包括第一输出镜5.1和第二输出镜5.2；标准具4采用厚度为0.3mm，两端抛光未镀膜的铌酸锂晶体。OPO谐振腔的腔长为415mm。控温仪7采用自制的控温精度优于0.002℃、可程序控制的控温仪7；数据采集和输出模块9采用商用的16位数据采集卡；光电探测器6采用自制的转换增益大于20V/mW的光电探测器6；信号发生器12采用商用的信号发生器12，产生峰峰值为5mV，频率为1kHz的调制信号；锁相系统11采用商用的锁相放大器和自制的比例积分放大器；加法器10采用带宽为DC-100MHz的商用加法器10。电机驱动电路8采用响应度为1°/V的商用驱动电路。

首先以如图7所示的流程进行理论模拟。第一步针对目标OPO进行理论建模，根据实验参数(实验参数包括非线性晶体的长度、极化周期、有效非线性系数、非线性晶体的Sellmeier方程，注入晶体的泵浦光束的平均光斑面积，谐振腔的线性损耗，标准具的厚度、标准具表面镀膜对振荡信号光的反射率)和起始调谐温度(指的是非线性晶体的温度。本方法采用的是温度调谐，即通过调控非线性晶体的控温温度使输出的信号光与闲置光的频率改变。起始调谐温度即调控过程中最初设定的非线性晶体的温度)，循环计算不同标准具角度条件下的归一化参量增益谱。如图9所示为在某一非线性晶体温度下模拟的，归一化单次穿过参量增益的最大值随标准具角度值的变化关系示意图。图9中实线的最低值所对应的横坐标即为该非线性晶体温度下的“最佳标准具角度”。计算过程是一个2重嵌套循环，即分别循环变化标准具角度和非线性晶体温度两个实验参数。在循环内，首先是计算不考虑边带时的OPO的连续波解。第二步，将连续波解代入包含载波和边带的OPO的耦合波方程组，基于Runge-Kutta算法求解这一微分方程组，得到信号光边带的态转换矩阵。第三步，利用信号光边带的态转换矩阵、标准具的传递函数、谐振腔的损耗和相移矩阵，计算出OPO的归一化参量增益及其对应的最大本征值(归一化参量增益随边带频率的变化关系)。第二步对每一个标准具角度下的归一化参量增益谱寻找最大值，并将标准具角度值和对应的最大归一化参量增益值写入数组，具体如图9所示。第三步在该数组中筛选所有最大归一化参量增益值中的最小值，并记录其对应的标准具角度。此时判断该最小值是否小于0，若小于0，则将该最小值对应的标准具角度(最佳标准具角度)和计算所用的非线性晶体温度(非线性晶体由控温仪控制温度，控温系统中包含温度测量器件——热敏电阻，热敏电阻实测的温度信号在返回控温仪用于实时控制温度的同时，也通过数据采集卡送入电脑，并在程序中记录和使用)写入另一个数组。若大于等于0，则调整标准具的镀膜参数，回到第一步重新循环计算。第四步，判断本次计算所用的非线性晶体温度是否达到终止温度，若未达到，根据设定的步长变化温度回到第一步继续求解；若已达到，则理论计算流程结束，得到理论确定的最佳标准具角度与非线性晶体温度一一对应的数组，具体如图10中的曲线所示。其次，如图8所示，进行标准具角度的自动控制。第一步，利用理论模拟部分输出的数组和控温仪采集的非线性晶体的实时温度，通过软件和数据采集和输出模块输出控制电压信号作为标准具电机的直流偏置。具体来说，理论模拟部分输出的数组给出了最佳标准具角度与非线性晶体温度的对应关系。在此基础上，首先利用控温仪通过放置在非线性晶体控温炉中的热敏电阻(热敏电阻通过电缆与控温仪的输入端口连接)采集非线性晶体的实时温度，并将其数值通过数据采集和输出模块(数据采集和输出模块的输入端口通过电缆与控温仪的“实时温度监视信号”输出端口连接)实时传送至电脑。此时由软件根据图7所示流程得到的理论模拟的数组，计算出当前非线性晶体温度条件下的最佳标准具角度——即目标角度。最后，软件根据已知的电机驱动电路的响应度(即迫使无刷电机变化单位角度所需提供的驱动电压)计算出应当加载于电机驱动电路的电压信号，并通过数据采集和输出模块输出至电机驱动电路(数据采集和输出模块的输出端口通过电缆与电机驱动电路的输入端口连接)。

第二步，利用信号发生器产生正弦调制信号，利用光电探测器测量光学参量振荡器输出的调制信号光。锁相系统利用输入的正弦信号和调制光信号，以光电探测器测得的信号的最大值为参考标准，解调出误差信号并通过比例积分放大产生反馈信号，并与第一步得到的直流偏置信号、正弦调制信号一同通过加法器加载在标准具电机的控制电路上。

第三步，通过控温仪逐渐改变非线性晶体的温度，通过上述的直流偏置和实时锁定实现光学参量振荡器的连续无跳模调谐。如图11所示为实时监测的非线性晶体的温度。如图12为实时监测的通过数据采集输出模块输出的实时直流偏置电压信号。在非线性晶体的温度从20℃调谐至70℃的过程中，输出的信号光和闲置光的频率可被连续无跳模调谐，调谐范围分别为1551.9087nm至1568.6549nm和3384.3030nm至3307.3073nm，调谐带宽为2063.7GHz。具体如图13所示，调谐速度为4.7GHz/s。利用长度为25mm，气压为50Torr的乙炔气体池验证OPO的无跳模调谐特性，具体如图14所示，扫描结果与美国国家标准局(NIST)的标准数据基本一致。

本发明的技术思路是：采用高响应速度的无刷电机控制内腔标准具的角度，通过施加基于理论获得的最佳直流偏置，以及基于锁相系统的交流控制信号，将标准具角度实时锁定在跳模抑制能力最强的位置(即保证整个参量增益带宽频率范围内，共振信号光的边带增益低于损耗，且为最低值)。在快速温度调谐的基础上，通过在谐振腔内插入标准具，并利用程控无刷电机对其角度进行偏置调节和反馈锁定，抑制信号光边带的参量增益，从而在高泵浦功率下实现OPO的宽带连续无跳模调谐。加载在无刷电机的驱动电路上的直流偏置电压可根据考虑自发参量放大过程的频域耦合波方程理论以及控温仪实时测量的非线性晶体温度进行预期，并通过数据采集和输出模块输出。在基于理论模拟结果的直流偏置调节系统的基础上，采用振幅调制锁定技术将标准具角度实时锁定，避免外界环境干扰导致的跳模，进一步提高OPO的运转稳定性。

本发明提供的方法及系统与之前已报道的OPO无跳模调谐技术方案相比有以下优点：

1.通过与快速温度调谐相结合，基于内腔标准具的角度控制将信号光的边带增益降低至内腔损耗以下，从而同时实现OPO输出的信号光与闲置光的连续无跳模频率调谐。

2.成本低廉，只在普通的OPO装置的基础上加入了固定在无刷电机上的标准具，不需要使用宽带无跳模可调谐的泵浦光源即可实现。

3.现有技术大部分应用于低功率泵浦的条件下，OPO输出的信号光和闲置光的功率较低。本发明可从原理上抑制高功率泵浦条件下由自发参量放大导致的跳模，提高了OPO的跳模抑制能力，并且可以通过优化标准具参数进一步提高可获得连续无跳模调谐参量激光的最高泵浦功率。

4.本发明可获得带宽达2THz以上的连续无跳模调谐带宽，并且可以通过优化标准具参数进一步增大，具有更好的实用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种内腔标准具的角度确定方法，其特征在于，包括：

获取非线性晶体的实时温度；

根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度；

所述根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：

获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；所述起始调谐温度为所述非线性晶体的初始温度；

将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值；

确定所述数组中的最大归一化参量增益值的最小值；

判断所述最小值是否小于0，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述最小值小于0，则输出所述最小值对应的标准具角度和所述非线性晶体的温度；

若所述第一判断结果表示所述最小值大于0，则调整标准具镀膜参数，并返回步骤“获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱”。

2.一种内腔标准具的角度确定系统，其特征在于，包括：

温度获取模块，用于获取非线性晶体的实时温度；

角度计算模块，用于根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度；

所述角度计算模块，具体包括：

增益谱计算单元，用于获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；所述起始调谐温度为所述非线性晶体的初始温度；

写入单元，用于将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值；

最小值确定单元，用于确定所述数组中的最大归一化参量增益值的最小值；

判断单元，用于判断所述最小值是否小于0，得到第一判断结果；

输出单元，用于当所述第一判断结果表示所述最小值小于0时，输出所述最小值对应的标准具角度和所述非线性晶体的温度；

返回单元，用于当所述第一判断结果表示所述最小值大于0时，调整标准具镀膜参数，并返回所述增益谱计算单元。

3.一种内腔标准具的程控偏置与锁定方法，其特征在于，包括：

获取非线性晶体的温度及所述非线性晶体的温度对应的标准具角度；所述标准具的角度确定方法，包括：获取非线性晶体的实时温度；根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度；所述根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；所述起始调谐温度为所述非线性晶体的初始温度；将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值；确定所述数组中的最大归一化参量增益值的最小值；判断所述最小值是否小于0，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述最小值小于0，则输出所述最小值对应的标准具角度和所述非线性晶体的温度；若所述第一判断结果表示所述最小值大于0，则调整标准具镀膜参数，并返回步骤“获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱”；

将所述非线性晶体的温度对应的标准具角度输入至调制模块以控制所述调制模块调整标准具达到无跳模标准；

判断所述非线性晶体的温度是否达到终止温度，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述非线性晶体的温度达到终止温度，则停止调谐；

若所述第二判断结果表示所述非线性晶体的温度未达到终止温度，则调整所述非线性晶体的温度，并获取调整后所述非线性晶体的温度对应的标准具角度，然后返回步骤“将所述非线性晶体的温度对应的标准具角度输入至调制模块以控制所述调制模块调整标准具达到无跳模标准”。

4.一种内腔标准具的程控偏置与锁定系统，其特征在于，包括：

泵浦源、谐振腔、非线性晶体、标准具、电机驱动电路、调制模块和温控模块；

所述泵浦源输出的泵浦光至所述谐振腔中，所述非线性晶体设置在所述谐振腔内；所述泵浦光传输至所述非线性晶体中产生信号光和闲置光；所述标准具设置在所述谐振腔内，所述标准具用于抑制所述信号光和所述闲置光在频率调谐过程中的跳模现象；所述调制模块与所述电机驱动电路连接；所述调制模块用于根据所述谐振腔中输出的信号光对所述标准具进行角度调制；所述电机驱动电路与所述标准具连接；

所述标准具的角度确定方法，包括：获取非线性晶体的实时温度；根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度；所述根据所述非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；所述起始调谐温度为所述非线性晶体的初始温度；将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；最大归一化参量增益值为同一标准具角度下的归一化参量增益谱的最大值；确定所述数组中的最大归一化参量增益值的最小值；判断所述最小值是否小于0，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述最小值小于0，则输出所述最小值对应的标准具角度和所述非线性晶体的温度；若所述第一判断结果表示所述最小值大于0，则调整标准具镀膜参数，并返回步骤“获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱”；

所述温控模块分别与所述非线性晶体和所述调制模块连接，所述温控模块用于调节所述非线性晶体的温度。

5.根据权利要求4所述的内腔标准具的程控偏置与锁定系统，其特征在于，所述调制模块，包括：

锁相系统、信号发生器和加法器；

所述锁相系统与所述信号发生器连接；所述信号发生器与所述加法器连接；所述加法器与所述电机驱动电路连接。

6.根据权利要求5所述的内腔标准具的程控偏置与锁定系统，其特征在于，所述温控模块，包括：

控温仪和数据采集和输出模块；

所述控温仪分别与所述非线性晶体和所述数据采集和输出模块连接，所述数据采集和输出模块还与所述加法器连接。

7.根据权利要求5所述的内腔标准具的程控偏置与锁定系统，其特征在于，所述调制模块，还包括：

光电探测器；

所述光电探测器用于检测所述谐振腔输出的信号光；所述光电探测器还与所述锁相系统连接。

8.根据权利要求4所述的内腔标准具的程控偏置与锁定系统，其特征在于，所述谐振腔为驻波腔；

所述谐振腔包括第一腔镜和第一输出镜；所述泵浦源将所述泵浦光传输至所述第一腔镜；所述非线性晶体位于所述第一腔镜和所述标准具之间；所述标准具位于所述非线性晶体和所述第一输出镜之间；所述第一输出镜输出的信号光输入所述调制模块。

9.根据权利要求4所述的内腔标准具的程控偏置与锁定系统，其特征在于，所述谐振腔为环形腔；

所述谐振腔包括：第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第二输出镜；第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第二输出镜形成环形腔；所述泵浦源将所述泵浦光传输至所述第二腔镜；所述非线性晶体位于所述第二腔镜和所述第三腔镜之间；所述标准具位于所述第四腔镜和所述第二输出镜之间；所述第二输出镜输出的信号光输入所述调制模块。

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