CN112582858B - 一种高精度可调谐太赫兹频率梳产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置及方法，其中通过锁定泵浦激光脉冲的重复频率并将泵浦激光脉冲分束成两个分量，借助相位调制器等实现对两个激光脉冲分量之间的载波包络相位差的调制，最终通过使两个分量发生非线性差频作用产生相位可调的太赫兹光梳，从而得到频谱覆盖范围广、精度高、可调谐的太赫兹频率梳。

Description

一种高精度可调谐太赫兹频率梳产生装置及方法
技术领域
本发明涉及太赫兹光学领域，特别涉及一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置及方法。
背景技术
飞秒光学频率梳在时域上表现为一系列时间宽度在飞秒量级的脉冲，频域上表现为一系列频率等间隔、位置固定、具有极宽光谱范围的谱线。只要确定光学频率梳的零点偏移频率和光梳梳齿的频率间隔，就可以精确计算出所有频率。经过精确锁相的锁模激光器输出的激光脉冲，在频域内的表现为光学频率梳齿被精密锁定，因此可以作为测量频率的尺子，梳齿即为光尺的刻度。由于该项技术具有非常高的准确性和稳定性，可以应用到精确度更高的时间测量，为实现频率计量和发展物理基础提供重要帮助。
太赫兹波段的频率梳直到2008年才首次被研究，太赫兹光谱在生物医学成像、物质成分检测和鉴定及太赫兹通信方面的应用对产生高精度、宽频谱太赫兹频率梳提出了迫切要求。
在太赫兹波段，由于缺乏有效的辐射源，太赫兹频率梳的研制具有一定困难。目前产生太赫兹频率梳的方法主要有两种，一是利用量子级联激光器(QCL)，另一种为利用光学方法产生太赫兹频率梳。
利用量子级联激光器可以得到梳齿稳定的太赫兹频率梳，其缺点在于太赫兹频率梳仅覆盖GHz量级频谱宽度，频谱范围极窄，不能满足光谱检测的应用需求。
利用光学方法产生太赫兹频率梳，可以通过重复频率锁定的飞秒激光脉冲泵浦非线性光学晶体，泵浦光在非线性晶体中差频产生太赫兹频率梳；或者，利用重复频率精确锁定的飞秒激光泵浦光电导天线产生太赫兹频率梳。
图1示出了现有技术中利用非线性晶体差频作用产生太赫兹脉冲的原理图，其中，载波包络相位偏移f0在各频率分量的差频过程中被抵消。如图所示，fr是激发激光光源的重复频率，其表示相邻梳齿之间的频率间隔，f0是激发激光光源的载波包络相位，其表示相邻激光脉冲之间的载波包络相移频率，m和n为整数，其分别表示频率梳中第m和第n个梳齿。对于未锁定重复频率和载波包络相位的激发激光光源而言，经非线性晶体中的差频作用得到的脉冲频率fTHz是频率谱中梳齿为f和梳齿为f’的两个频率梳齿的差频，即fTHz＝f-f’＝(m-n)fr。因此，所产生的太赫兹频率梳的精确频率是重复频率fr的整数倍。由此可见，这种方法产生的太赫兹频率梳不存在载波包络相位漂移，只受激光重复频率影响，理论上只要锁定用于参与差频作用的激发激光光源的重复频率fr，借助差频作用即可产生相位稳定的太赫兹频率梳。但是，此时产生的太赫兹频率梳的调谐需要飞秒激光光源的重复频率连续可调，且可调谐的精度受限于系数(n-m)，因此，通过这种方式产生的太赫兹频率梳难以实现频率的高精度可调谐。
发明内容
针对这一问题，本发明提出了一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置及方法，其中通过锁定泵浦激光脉冲的重复频率并将泵浦激光脉冲分束成两个分量，借助相位调制器等实现对两个激光脉冲分量之间的载波包络相位差的调制，最终通过使两个分量发生非线性差频作用产生相位可调的太赫兹光梳，从而得到频谱覆盖范围广、精度高、可调谐的太赫兹频率梳。
具体而言，本发明的第一方面涉及一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置，其包括光源、分束单元、相位调制单元、以及非线性差频晶体；其中，
所述光源被设置用于输出重复频率和载波包络相位精确锁定的泵浦激光脉冲；
所述分束单元被设置用于将所述泵浦激光脉冲分束成第一和第二泵浦激光脉冲分量；
所述相位调制单元被设置用于对所述第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的载波包络相位进行调节；
所述非线性差频晶体设在所述相位调制单元之后，用于使所述第一和第二泵浦激光脉冲分量发生差频作用产生太赫兹频率梳。
进一步地，该太赫兹频率梳发生装置还可以包括合束单元，所述合束单元被设置成使所述第一和第二泵浦激光脉冲分量在空间和时间上重合以形成合束光脉冲，并向所述非线性差频晶体输出所述合束光脉冲。
可选地，所述泵浦激光脉冲的脉冲宽度可以为飞秒、皮秒或者纳秒；以及/或者，所述泵浦激光脉冲的工作波长可以选择为780nm、1030nm、1064nm、1550nm或者10μm。
可选地，所述分束单元包括空间分束片或者光纤分束器；以及/或者，所述合束单元包括合束片或者分束器。
可选地，所述相位调制单元可以包括声光移频器或者相位调制器。其中，所述相位调制器可优选为铌酸锂相位调制器或PZT相位调制器。
可选地，所述非线性差频晶体可以为GaP、GaSe、ZnTe或DAST晶体。
进一步地，该太赫兹频率梳发生装置还可以包括光程调节单元，所述光程调节单元被设置用于调节所述第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的光程，以使所述第一和第二泵浦激光脉冲分量同时到达所述非线性差频晶体。其中，所述光程调节单元可以包括延时线。
进一步地，该太赫兹频率梳发生装置还可以包括用于改变所述第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的行进方向的方向调节单元。其中，所述方向调节单元可以包括反射元件。
本发明的另一方面涉及一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生方法，其包括：
步骤一，将重复频率和载波包络相位精确锁定的泵浦激光脉冲分束形成第一泵浦激光脉冲分量和第二泵浦激光脉冲分量；
步骤二，对所述第一泵浦激光脉冲分量和/或所述第二泵浦激光脉冲分量的载波包络相位进行相位调制；以及，
步骤三，使所述第一泵浦激光脉冲分量和所述第二泵浦激光脉冲分量在非线性差频晶体中发生差频作用，产生太赫兹频率梳。
进一步地，该太赫兹频率梳发生方法还可以在所述步骤二和所述步骤三之间，包括使所述第一泵浦激光脉冲分量和所述第二泵浦激光脉冲分量在时间和空间上重合形成合束光脉冲，并将所述合束光脉冲向所述非线性差频晶体输出的步骤。
优选地，该太赫兹频率梳发生方法可以在上述高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置中执行。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，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的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了现有技术中利用非线性晶体差频作用产生太赫兹脉冲的原理图；
图2示出了根据本发明的高精度可调谐太赫兹频率梳发生方法的原理图；
图3示出了根据本发明的高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置的一种实施方式。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
为更好地理解本发明，首先将结合图2说明本发明的高精度可调谐地产生太赫兹频率梳的技术方案的基本原理。
根据非线性差频产生太赫兹频率梳的基本原理可知，如果产生的太赫兹频率脉冲由两束具有相同重复频率(精确锁定)和不同载波包络相位(精确锁定)的泵浦激光脉冲经差频作用产生，例如图2所示，当第一泵浦激光脉冲为f1＝mfr+f0(即，重复频率为fr、载波包络相位为f0),第二泵浦脉冲激光为f2＝nfr+f0’(即，重复频率同样为fr，但载波包络相位f0’不同)时，第一泵浦激光脉冲f1和第二泵浦激光脉冲f2共同作用于非线性差频晶体中发生差频作用，所产生的脉冲为fTHz＝(n-m)fr+(f0-f0’)。
至此，本领域技术人员能够理解，由此差频产生的太赫兹频率梳的精确频率fTHz可以由以下三个部分决定：一是泵浦激光脉冲的重复频率fr；二是发生差频作用的两根梳齿之差n-m；三是两束泵浦激光脉冲的载波包络相位之差(f0-f0’)，即太赫兹脉冲的载波包络相位。
由此可见，在本发明提出的太赫兹频率梳产生方案中，可以通过调节两束泵浦激光脉冲的载波包络相位差(f0-f0’)，实现对所产生的太赫兹脉冲相位和太赫兹频率梳频率的精确调谐。由于已有的相位调制技术已经允许在高的相位调节精度下实现连续调谐，因此，借助本发明的太赫兹频率梳产生方案，可以实现太赫兹频率梳的高精度连续调谐。
图3示出了根据本发明的高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置的一种示例性实施方式。
如图3所示，本发明的高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置可以包括光源301、分束单元302、相位调制单元305、合束单元306、以及非线性差频晶体307。
光源301用于输出重复频率和载波包络相位精确锁定的泵浦激光脉冲。
作为示例，泵浦激光脉冲的脉冲宽度可以为飞秒、皮秒或者纳秒。
作为示例，泵浦激光脉冲的工作波长可以为780nm、1030nm、1064nm、1550nm或者10μm。
分束单元302用于将泵浦激光脉冲分束成第一和第二泵浦激光脉冲分量。
作为示例，分束单元302可以为空间分束片或者光纤分束器。
相位调制单元305用于在第一和第二泵浦激光脉冲分量到达合束单元306之前，对第一和第二泵浦激光脉冲分量中的至少一个的载波包络相位进行调节。例如在图3的示例中，相位调制单元305仅被设置在第一泵浦激光脉冲分量从分束单元302到合束单元306的光路上，用于对第一泵浦激光脉冲分量的载波包络相位进行调节。
作为示例，相位调制单元305可以包括声光移频器，或者相位调制器，例如铌酸锂相位调制器或PZT相位调制器。
在本发明的太赫兹频率梳发生装置中，第一和第二泵浦激光脉冲分量同时到达合束单元306，从而借助合束单元306在空间和时间上发生重合，形成合束光脉冲。
作为示例，合束单元306可以包括合束片或者分束器。
合束光脉冲继续传输并进入非线性差频晶体307。在非线性差频晶体307中，第一和第二泵浦激光脉冲分量发生差频作用产生太赫兹频率梳，其频率可以被精确锁定。
作为示例，非线性差频晶体307可以为GaP、GaSe、ZnTe、DAST等晶体。
进一步地，本发明的太赫兹频率梳发生装置还可以包括光程调节单元，其用于调节第一和/或第二泵浦激光脉冲分量从分束单元302到合束单元306的光程，以使第一和第二泵浦激光脉冲分量能够同时到达合束单元306。
作为示例，光程调节单元可以包括延时线。
进一步地，本发明的太赫兹频率梳发生装置还可以包括方向调节单元，其用于改变第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的行进方向，以使由分束单元302输出的第一和第二泵浦激光脉冲分量能够到达合束单元306。
作为示例，方向调节单元可以包括用于改变第一泵浦激光脉冲分量的行进方向的反射元件303，以及/或者用于改变第二泵浦激光脉冲分量的行进方向的反射元件304。
在本发明的太赫兹频率梳发生装置中，可以通过对激光脉冲进行相位调制来实现对太赫兹频率梳的调谐，由于目前的相位调制技术可以实现高精度的连续调谐，因此，可以快速且高精确地实现基于差频作用产生的太赫兹频率梳的连续调谐。例如，以声光调制器为例，其移频量和移频精度主要由射频功率信号决定，只要能保证射频功率信号的稳定度，移频精度可以达到很高，受环境温度的影响也很小，改变外加电信号可以很方便地任意控制移频，因此可实现快速连续可调谐，从而使得差频产生的太赫兹频率梳快速连续可调。
此外，由于借助本发明产生的太赫兹脉冲中包含有可调节的载波包络相位，通过载波包络相位变化实现相位调制，可以为太赫兹相干合成以及太赫兹相控阵提供技术支持。
并且，借助本发明产生的太赫兹频率梳可以具有频谱覆盖范围广、单脉冲能量高等特点。
在本发明的另一方面，还提出了一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生方法，其可以包括以下步骤。
将重复频率和载波包络相位精确锁定的泵浦激光脉冲分束形成第一泵浦激光脉冲分量和第二泵浦激光脉冲分量。
对第一泵浦激光脉冲分量和第二泵浦激光脉冲分量中的至少一个的载波包络相位进行相位调制。
使第一泵浦激光脉冲分量和第二泵浦激光脉冲分量在时间和空间上重合，形成合束光脉冲。
使合束光脉冲中的第一泵浦激光脉冲分量和第二泵浦激光脉冲分量在非线性差频晶体中发生差频作用，从而产生高精度的太赫兹频率梳。
本发明高精度可调谐太赫兹频率梳发生方法可以借助上述太赫兹频率梳发生装置来实现。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置，其包括光源、分束单元、相位调制单元、以及非线性差频晶体；其中，
所述光源被设置用于输出重复频率和载波包络相位锁定的泵浦激光脉冲；
所述分束单元被设置用于将所述泵浦激光脉冲分束成第一和第二泵浦激光脉冲分量；
所述相位调制单元被设置用于对第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的载波包络相位进行调节；
所述非线性差频晶体设在所述相位调制单元之后，用于使所述第一和第二泵浦激光脉冲分量发生差频作用产生太赫兹频率梳；
并且还包括合束单元，所述合束单元被设置成使所述第一和第二泵浦激光脉冲分量在空间和时间上重合以形成合束光脉冲，并向所述非线性差频晶体输出所述合束光脉冲。
2.如权利要求1所述的太赫兹频率梳发生装置，其中：
所述泵浦激光脉冲的脉冲宽度为飞秒、皮秒或者纳秒；以及/或者，
所述泵浦激光脉冲的工作波长为780nm、1030nm、1064nm、1550nm或者10μm。
3.如权利要求1所述的太赫兹频率梳发生装置，其中：
所述分束单元包括空间分束片或者光纤分束器；以及/或者，
所述合束单元包括合束片或者分束器。
4.如权利要求1所述的太赫兹频率梳发生装置，其中，所述相位调制单元包括声光移频器或者相位调制器。
5.如权利要求4所述的太赫兹频率梳发生装置，其中，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器或PZT相位调制器。
6.如权利要求1所述的太赫兹频率梳发生装置，其中，所述非线性差频晶体为GaP、GaSe、ZnTe或DAST晶体。
7.如权利要求1所述的太赫兹频率梳发生装置，其还包括光程调节单元，所述光程调节单元被设置用于调节所述第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的光程，以使所述第一和第二泵浦激光脉冲分量同时到达所述非线性差频晶体。
8.如权利要求7所述的太赫兹频率梳发生装置，其中，所述光程调节单元包括延时线。
9.如权利要求1所述的太赫兹频率梳发生装置，其还包括用于改变所述第一和/或第二泵浦激光脉冲分量的行进方向的方向调节单元。
10.如权利要求9所述的太赫兹频率梳发生装置，其中，所述方向调节单元包括反射元件。
11.一种高精度可调谐太赫兹频率梳发生方法，其包括：
步骤一，将重复频率和载波包络相位锁定的泵浦激光脉冲分束形成第一泵浦激光脉冲分量和第二泵浦激光脉冲分量；
步骤二，对所述第一泵浦激光脉冲分量和/或所述第二泵浦激光脉冲分量的载波包络相位进行相位调制；以及，
步骤三，使所述第一泵浦激光脉冲分量和所述第二泵浦激光脉冲分量在非线性差频晶体中发生差频作用，产生太赫兹频率梳；并且，
在所述步骤二和步骤三之间还包括使所述第一泵浦激光脉冲分量和所述第二泵浦激光脉冲分量在时间和空间上重合形成合束光脉冲，并将所述合束光脉冲向所述非线性差频晶体输出的步骤。
12.如权利要求11所述的太赫兹频率梳发生方法，其在如权利要求1-10中任一项所述的高精度可调谐太赫兹频率梳发生装置中执行。
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