CN112987444A - 非线性增益调制光学频率梳及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非线性增益调制光学频率梳系统，涉及频率梳测量技术领域。该光学频率梳系统由单频连续光信号源、超短脉冲激光泵浦源、非线性增益介质、重复频率反馈控制单元、光学频率参考几个部分构成。采用超短脉冲激光作为泵浦源，结合非线性光学效应的快响应速度特性，在非线性增益窗口时间内(对应超短脉冲泵浦激光的脉宽)放大单频连续光信号。从而获得时域为超快脉冲、频域为以单频激光波长为中心频率的、梳齿等间隔分布的光学频率梳。此类新型激光频率梳具有激光脉冲能量大、无需检测载波包络相位偏移频率、波长灵活、结构简单等优点，具有很大的实用价值和应用前景。

Description

非线性增益调制光学频率梳及其产生方法
技术领域
本发明涉及光学频率梳技术领域，具体是一种非线性增益调制光学频率梳及其产生方法，具有激光脉冲能量大、无需检测载波包络相位偏移频率、波长灵活、结构简单等优点，是一种全新光学频率梳的产生方式。
背景技术
光学频率梳是改变本世纪精密计量科学的革命性技术。作为一种微波与光波间频率链接手段，光学频率梳促使光学频率代替传统微波原子钟成为新的时间频率计量基准。在大量科学研究和技术应用领域，如全球定位系统、超精细光谱学、空天飞行、时频传递、频率稳定度测量等方向，都起着重要作用。目前光学频率梳的产生主要有三种主流方案，分别基于锁模激光器、电光调制器与光克尔效应微谐振腔。这些方法各有优缺点，但是都很难同时兼具系统结构简单、梳齿稳定性高、能量大、波长灵活等优点。
目前研究较多的、技术最为成熟的是基于锁模激光器的光学频率梳。以基于掺铒锁模光纤系统的光学频率梳为例，它是目前商业化最为成功的频率梳系统，该类频率梳能在保证高性能的同时，实现长时间稳定可靠地运行。然而，限制于光纤谐振腔的腔长，此类商用化光纤频率梳的重复频率一般在250MHz以下，难以满足一些特定应用的需求。另外，该类频率梳系统通常结构复杂，体积较大，这也极大限制了它的应用环境(参见N.Kuse,J.Jiang,C.C.Lee,T.R.Schibli,and M.E.Fermann,“All polarization-maintaining Erfiber-based optical frequency combs with nonlinear amplifying loop mirror,”Opt.Express 24(3),3095–3102(2016))。
相比之下，电光调制式光学频率梳是一种能够产生GHz以上重复频率的频率梳解决方案。它的原理是通过对单频连续光进行电光调制，使得其时域被调制为光脉冲、频域调制产生等间距分布的新纵模分量。通常来说，此类频率梳的时域脉冲抖动与频域梳齿线宽都较大，是一种高噪声的频率梳方案。得益于近几年电光调制器的调制带宽与调制深度能力提升，电光调制式频率梳的噪声性能得到不断优化，部分报道的电光调制式频率梳的梳齿稳定度性能已经能与基于锁模激光器的频率梳相比(参见A.Ishizawa,T.Nishikawa,A.Mizutori,H.Takara,A.Takada,T.Sogawa,and M.Koga,"Phase-noise characteristicsof a 25-GHz-spaced optical frequency comb based on a phase-and intensity-modulated laser,"Opt.Express 21,29186-29194(2013))。然而此类低噪声的电光调制式频率梳需要在电光调制源之外附加许多额外的单元来降噪，使得整体系统的结构非常复杂，体积较大。
除了上述的两种频率梳方案，近年来频率梳研究领域的另一个热点方向是微腔频率梳。微腔频率梳的最大特点是体积较小，与CMOS工艺结合可实现片上频率梳解决方案。得益于近几年材料科学与片上工艺的发展，高Q值(Q0>15×106)氮化硅微腔已经被报道，验证了mW量级单频激光泵浦产生克尔孤子微腔光梳的可能性(参见J.Q.Liu,A.S.Raja,M.Karpov,B.Ghadiani,M.H.P.Pfeiffer,B.T.Du,N.J.Engelsen,H.R.Guo,M.Zervas,andT.J.Kippenberg,"Ultralow-power chip-based soliton microcombs for photonicintegration,"Optica5,1347-1353(2018))。然而，尽管片上微腔频率梳的体积小、结构简单，其仍面临梳齿稳定性差、能量小等缺点，目前实用性尚不足。
此外，为了实现频率梳齿的完全锁定，上述三种频率梳系统一般都要求包含载波包络相位偏移频率检测与锁定模块。这增大了频率梳系统的技术复杂度，并为其长期稳定性带来风险。
发明内容
为克服上述现有技术不足，本发明一种非线性增益调制光学频率梳及其产生方法，利用超短脉冲激光作为增益调制驱动，结合非线性增益介质在增益窗口时间范围内放大单频连续光信号源，从而获得时域为超快脉冲、频域为以单频激光频率为中心的、梳齿等间隔分布的梳状光谱。进而利用重复频率反馈控制单元锁定超短脉冲激光泵浦源的重复频率，利用光学频率参考锁定单频连续光信号源的绝对频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。相比于传统的频率梳产生方案，本发明提出的频率梳兼具了激光脉冲能量大、无需检测载波包络相位偏移频率、波长灵活、结构简单等优点，具有很大的实用价值和应用前景。
本发明的解决方案如下：
一种非线性增益调制光学频率梳，其特点在于：包括单频连续光信号源、超短脉冲激光泵浦源、非线性增益介质、重复频率反馈控制单元，所述的超短脉冲激光泵浦源作为增益调制驱动，结合非线性增益介质在非线性增益窗口时间内(对应超短脉冲泵浦激光的脉宽)放大单频连续光信号获得时域为超快脉冲、频域为以单频激光频率为中心的、梳齿等间隔分布的梳状光谱；所述的重复频率反馈控制单元锁定超短脉冲激光泵浦源的重复频率。
优选的，还包括光学频率参考，该光学频率参考用于锁定单频连续光信号源的绝对频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。
所述的单频连续光信号源是激光线宽小于1MHz的单纵模激光器；
所述的超短脉冲激光泵浦源能够产生脉冲宽度为几十皮秒至几百飞秒范围的超快激光。可以通过(但不限于)锁模激光器、电光调制源、增益调制激光二极管等方式产生；
所述的非线性增益介质的非线性增益类型包括(但不限于)受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频、光学参量振荡等。具体非线性增益介质可以是非线性晶体或光纤等材料。
单频连续光信号源的中心波长λ1和超短脉冲激光泵浦源的中心波长λ2，满足关系式：
Figure BDA0002940271780000031
式中Δv为非线性增益系数峰值对应的频移，c为真空中的光速。
所述的重复频率反馈控制单元与光学频率参考分别锁定梳状光谱的重复频率与载波包络相位偏移频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。其中，重复频率反馈控制单元可以由光电二极管、微波变频链路、PID控制器等部分构成；光学频率参考可以是激光超稳谐振腔或原子的超稳光频跃迁，通过其实现对单频激光纵模的锁定与线宽压窄。
本发明还提供一种非线性增益调制光学频率梳的产生方法，其特征在于，将单频连续光源与超短脉冲激光泵浦源耦合后，通过非线性增益介质进行非线性功率放大，输出的超短脉冲激光分为两路，一路包含大部分能量，作为频率梳的主输出；另一路通过重复频率反馈控制单元，输出控制信号反馈到超短脉冲激光泵浦源上，锁定超短脉冲激光泵浦源的重复频率；利用光学频率参考锁定单频连续光信号源的绝对频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
1)利用非线光学效应快响应速度的特性，采用超短脉冲激光作为增益调制驱动，结合非线性增益介质在增益窗口时间范围内放大单频连续光信号，从而获得时域为超快脉冲、频域为以单频激光频率为中心的、梳齿等间隔分布的梳状光谱。该梳状光谱的重复频率由泵浦脉冲决定，载波包络相位偏移频率由单频激光的绝对频率决定，所以分别锁定上述两个频率，便能获得频率梳齿完全锁定的频率梳。
2)比于传统的频率梳产生方案，本发明提出的频率梳兼具了激光脉冲能量大、无需检测载波包络相位偏移频率、波长灵活、结构简单等优点，具有很大的实用价值和应用前景。
附图说明
图1是本发明非线性增益调制光学频率梳的结构示意框图。
图2是本发明多波长信号注入、级联非线性增益调制光学频率梳的结构示意框图。
图3是本发明半稳锁定状态的非线性增益调制光学频率梳结构示意框图。
具体实施方式
下面结合三个例子和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1，请参阅图1。
图1为本发明非线性增益调制光学频率梳的结构示意框图。单频连续光信号源1中心波长为1120nm，线宽＜1MHz。超短脉冲激光泵浦源2中心波长为1064nm，脉冲宽度＜100ps。非线性增益介质3为一段拉曼增益光纤，拉曼增益系数为8.9(W×km)-1。1120nm单频连续光与1064nm超短脉冲激光通过一个1064nm/1120nm波分复用器一并耦合到拉曼增益光纤中。输出激光经过上述系统转化为1120nm的超短脉冲激光，其分为两路：一路包含大部分能量，作为频率梳的主输出；另一路一小部分输出激光耦合到重复频率反馈控制单元4(由光电二极管、微波变频链路、PID控制器构成)。输出的控制信号反馈到超短脉冲激光泵浦源上，实时锁定其重复频率。光学频率参考5为超稳激光谐振腔，用于直接锁定1120nm单频连续光的绝对频率，并使其线宽压窄接近数Hz量级。如此由非线性增益调制产生的超短脉冲的频率梳状光谱的重频频率与载波包络相位偏移频率都得到了锁定。这是一种输出脉冲能量大、结构简单的、无需检测载波包络相位偏移频率的全稳梳方案。
实施例2
图2为本发明多波长信号注入、级联非线性增益调制光学频率梳的结构示意框图。通过多波长信号注入的方式，可以实现级联式的、波长灵活的频率梳输出。单频连续光信号源11、单频连续光信号源12、单频连续光信号源13的中心波长分别为1120nm、1178nm、1238nm，线宽＜1MHz。它们通过一个波分复用器14合束到一起，成为一个多波长的单频信号源。超短脉冲激光泵浦源2中心波长为1064nm，脉冲宽度＜100ps。非线性增益介质3为一段拉曼增益光纤，拉曼增益系数为8.9(W×km)-1。单频连续光与超短脉冲激光通过一个波分复用器一并耦合到拉曼增益光纤中。经过拉曼光纤的非线性增益调制，1064nm的泵浦脉冲首先转化为1120nm的一阶Stokes拉曼脉冲；接着1120nm的脉冲进一步转化为1178nm的二阶Stokes拉曼脉冲；以此类推可以一直级联转化下去，实现波长灵活的超短脉冲输出。这里仅以转化到1238nm的三阶Stokes拉曼脉冲为终点的情况为例。输出激光经过上述系统转化为1238nm的超短脉冲激光，其分为两路：一路包含大部分能量，作为频率梳的主输出；另一路一小部分输出激光耦合到重复频率反馈控制单元4(由光电二极管、微波变频链路、PID控制器构成)。输出的控制信号反馈到超短脉冲激光泵浦源上，实时锁定其重复频率。光学频率参考5为超稳激光谐振腔，用于直接锁定1238nm单频连续光的绝对频率(1120nm与1178nm的单频连续光信号源无需锁定)，并使其线宽压窄接近数Hz量级。如此由非线性增益调制产生的超短脉冲的频率梳状光谱的重频频率与载波包络相位偏移频率都得到了锁定。这是一种波长灵活、结构简单的、无需检测载波包络相位偏移频率的全稳梳方案。
实施例3
图3为本发明半稳锁定状态的非线性增益调制光学频率梳结构示意框图。实际某些频率梳的应用环境并不要求对载波包络相位偏移频率进行锁定(比如对测量精度要求不高的双光梳光谱检测或双光梳测距等应用)。所以，针对这些应用，在实施例1的基础上可以去掉光学频率参考5，其他结构不变。如此可以进一步降低本发明装置的成本，扩大其应用环境与领域。这是一种成本低廉、波长灵活、结构简单的半稳梳方案。
应该指出，在实施例2中，波分复用器14仅是为了便于区分单频连续光信号源与超短脉冲激光泵浦源部分。其内部各单频连续光信号源无固定顺序，仅是为了便于理解，顺序可在内部随意调动。

Claims (10)

1.一种非线性增益调制光学频率梳，其特征在于：包括单频连续光信号源(1)、超短脉冲激光泵浦源(2)、非线性增益介质(3)、重复频率反馈控制单元(4)，所述的超短脉冲激光泵浦源(2)作为增益调制驱动，结合非线性增益介质(3)在非线性增益窗口时间内(对应超短脉冲泵浦激光的脉宽)放大单频连续光信号(1)获得时域为超快脉冲、频域为以单频激光频率为中心的、梳齿等间隔分布的梳状光谱；所述的重复频率反馈控制单元(4)锁定超短脉冲激光泵浦源(2)的重复频率。
2.根据权利要求1所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于：还包括光学频率参考(5)，该光学频率参考(5)锁定单频连续光信号源(1)的绝对频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。
3.根据权利要求1或2所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，单频连续光信号源(1)的中心波长λ1和超短脉冲激光泵浦源(2)的中心波长λ2，满足关系式：
Figure FDA0002940271770000011
式中Δv为非线性增益系数峰值对应的频移，c为真空中的光速。
4.根据权利要求1或2所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，所述的单频连续光信号源(1)是激光线宽小于1MHz的单纵模激光器。
5.根据权利要求1或2所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，所述的超短脉冲激光泵浦源(2)能够产生脉冲宽度为几十皮秒至几百飞秒范围的超快激光。
6.根据权利要求5所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，所述的所述的超短脉冲激光泵浦源(2)通过锁模激光器、电光调制源、增益调制激光二极管等方式产生。
7.根据权利要求1或2所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，所述的非线性增益介质(3)可以是非线性晶体或光纤等材料。
8.根据权利要求2-7任一所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，通过所述的重复频率反馈控制单元(4)与光学频率参考(5)分别锁定梳状光谱的重复频率与载波包络相位偏移频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。
9.根据权利要求8所述的非线性增益调制光学频率梳，其特征在于，所述的重复频率反馈控制单元由光电二极管、微波变频链路、PID控制器构成；所述的光学频率参考(5)是激光超稳谐振腔或原子的超稳光频跃迁，通过其实现对单频激光纵模的锁定与线宽压窄。
10.一种非线性增益调制光学频率梳的产生方法，其特征在于，将单频连续光源与超短脉冲激光泵浦源耦合后，通过非线性增益介质进行非线性功率放大，输出的超短脉冲激光分为两路，一路包含大部分能量，作为频率梳的主输出；另一路通过重复频率反馈控制单元，输出控制信号反馈到超短脉冲激光泵浦源上，锁定超短脉冲激光泵浦源的重复频率；利用光学频率参考锁定单频连续光信号源的绝对频率，从而获得频率梳齿完全锁定的光学频率梳。
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