CN113300203A - 一种光频梳的快速锁模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光频梳的快速锁模方法及系统，采用接近种子激光器工作电流上限值的电流激励激光器，结合射频信号辅助锁模，通过扫描辅助锁模射频信号的频率值，同时监测重频信号的功率，从而自动搜寻到最佳辅助锁模射频信号频率值，并固定辅助锁模射频信号的频率值，实现快速锁模。在200MHz光频梳时实验测得锁模时间小于1s，为光频梳的应用打下了良好的基础。

Description

一种光频梳的快速锁模方法及系统
技术领域
本发明涉及频率控制及锁模的技术领域，尤其涉及一种光频梳的快速锁模方法及系统。
背景技术
光频梳作为一个光学频率和射频频率链接的重要手段，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将微波原子频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，在光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中有广泛的应用空间。
光频梳应用的前提条件是正确地实现锁模。目前的锁模技术主要分为主动锁模、被动锁模和混合锁模三类。
主动锁模是通过外界信号来周期性调制谐振腔参量，实现各个腔体纵模之间相位锁定的一种锁模技术。主动锁模激光器主要是指在激光腔内插入主动的调制器件或外界有脉冲注入，利用这些主动因素对激光腔内光波进行调制来实现锁模。主动锁模又可分为以下三类：基于调制器的锁模技术、有理数谐波锁模技术、注入型主动锁模技术。
被动锁模是一种全光非线性技术，能在腔内不用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出。其基本原理是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应(如可饱和吸收效应)对输入脉冲强度的依赖性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短光脉冲。用来实现被动锁模的方法通常有两种：一种是在谐振腔内加入可饱和吸收体，另一种是在腔内加入非线性光纤环形镜(NOLM)或非线性放大光纤环形镜(NALM)，利用光纤的克尔非线性效应形成快速开关使激光器处于锁模运转状态；或通过偏振控制，利用非线性偏振旋转效应产生锁模脉冲。
混合锁模就是同时结合几种不同的锁模机制以获得窄脉宽，高重复频率且稳定的孤子脉冲序列。
针对比较高重复频率的光频梳，锁模过程比较复杂，需要对泵浦源的电流温度以及辅助锁模的射频信号频率等参数进行反复调节，这给光频梳的应用带来了困难，而且锁模过程需要花费比较长的时间，往往在几分钟以上，并且存在很多的不确定因素导致锁模时间很不稳定。另外，目前已有的射频信号辅助锁模的方案，由于电光调制器对射频信号的功率提出很高的要求，在实际工程中应用存在困难。
例如，专利文献CN111180990A中，公开了一种光学频率梳自动锁模控制方法及控制系统，其借助存储的锁模状态工况控制参数并结合采集的光学频率梳系统的工作反馈参数，对泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度的动态调节控制，实现快速锁模控制。但是该技术方案中对泵浦源工作功率以及泵浦源工作环境温度的动态调节难以得到精确控制及稳定的协同。
再例如，专利文献CN109378695A中，提供了一种基于光频梳锁定的高平均功率锁模激光产生系统和方法，将单频或窄线宽的连续种籽激光分束成功率相等的多路激光；将各路激光的载波频率和相位分别锁定至光频梳激光载波频率间隔相等的梳齿上；再将每一载波频率的连续激光进行高功率连续激光放大；最后，对放大后的各载波频率的连续激光进行外差合束，产生高平均功率锁模激光。但是该专利文献中，要获得高平均功率的锁模激光而需要合成的路数较多，系统较庞大，控制精度较高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明根据光频梳锁模的特点，提出了一种光频梳的快速锁模方法和锁模系统，采用接近种子激光器上限工作电流激励激光器，结合射频信号辅助锁模，通过扫描辅助锁模射频信号的频率值，同时监测重频信号的功率，从而自动搜寻到最佳辅助锁模射频信号的频率值，并固定辅助锁模射频信号的频率值，实现快速锁模。在200MHz光频梳时实验测得锁模时间小于1s，为光频梳的应用打下了良好的基础。
本发明的一种光频梳的快速锁模方法，包括以下步骤：
步骤一：将光频梳光学系统中的种子激光器的泵浦源电流值设置在上限电流值的90%~98%；
步骤二：将辅助锁模射频源的射频信号的中心频率设置为光频梳光学系统的标称工作频率，并将所述射频信号的输出频率调到扫描范围内的最小值；使辅助锁模射频源输出的射频信号输入到光频梳光学系统中的谐振电路中，辅助锁模；
步骤三：将光频梳光学系统输出的重复频率信号转化为电信号；
步骤四：以Δf为步进频率，增大辅助锁模射频信号的输出频率；
步骤五：经过Δt时间后，监测所述重复频率信号的功率，并记录每个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的所述重复频率信号的功率Pi；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直到辅助锁模射频信号的输出频率调到扫描范围内的最大值；
步骤七：比较步骤四~六中得到各个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，获得功率Pi的最大值Pmax对应的辅助锁模射频信号的最大输出频率fmax，将辅助锁模射频信号的输出频率设定为最大输出频率fmax，将辅助锁模射频信号的输出频率设定并保持在最大输出频率fmax上，执行步骤八；
步骤八：继续监测所述重复频率信号的功率，当重复频率信号的功率增大到超过阈值功率Pthr时，则锁模成功。
进一步地，所述步骤八中的阈值功率Pthr的确定方法如下：在未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率记为Pplt，阈值功率Pthr=Pplt+10dBm。
进一步地，所述未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率为-10dBm，取阈值功率Pthr为0dBm。
进一步地，所述步骤二中，辅助锁模射频信号的输出频率的扫描范围为辅助锁模射频信号的中心频率±50kHz。
进一步地，设所述标称工作频率为fr0，则所述扫描范围内的最小值为fr0-50kHz。
进一步地，所述步进频率Δf为扫描范围的N分之一。
本发明还提出了用于实现上述光频梳的快速锁模方法的锁模系统，包括：
光频梳光学系统，包括：种子激光器，电光调制器、谐振电路和反射镜；所述谐振电路与电光调制器连接，所述电光调制器设置在种子激光器的输出光路上；
辅助锁模射频源，连接所述谐振电路，所述辅助锁模射频源用于输出辅助锁模射频信号；
泵浦源，连接所述种子激光器，所述泵浦源电流值设置在上限电流值的90%~98%；
光电探测器，连接至所述光频梳光学系统的输出端，用于所述将光频梳光学系统输出的重复频率信号转化为电信号；
功率检测模块，连接所述光电探测器，用于监测所述光频梳光学系统输出的重复频率信号的功率；
运算控制器，分别连接所述功率检测模块、辅助锁模射频源和泵浦源；用于记录并比较每个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，获得功率Pi的最大值Pmax对应的辅助锁模射频信号的最大输出频率fmax，将辅助锁模射频信号的输出频率设定为最大输出频率fmax；当重复频率信号的功率增大到超过阈值功率Pthr时，则锁模成功。
进一步地，所述阈值功率Pthr的确定方法如下：在未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率记为Pplt，阈值功率Pthr=Pplt+10dBm。
进一步地，所述电光调制器与所述辅助锁模射频源之间设置有开关，所述运算控制器控制开关闭合，以将辅助锁模射频源输出的辅助锁模射频信号输入到所述光频梳光学系统的谐振电路中辅助锁模。
本发明的有益效果为：一种光频梳的快速锁模方法和锁模系统，采用接近种子激光器工作电流上限值附近的电流，增大了锁模的成功率，结合射频信号辅助锁模，在靠近电光调制器侧利用射频谐振电路增大射频幅度，提高射频信号在电光调制器侧的幅度，减小了锁模的时间，并采用自动搜寻最佳辅助锁模射频信号频率值的方式，快速精准地将辅助锁模射频信号频率值固定在其最佳上，实现快速稳定地锁模。整个快速锁模过程实现了自动化，锁模时间可以小于1s，为光频梳的应用打下了良好的基础。
本文使用的术语解释如下：
光学频率梳基于锁模飞秒脉冲激光技术可以方便可靠准确地将光学频率锁定到基准频率上。其基本原理是：脉冲激光器的输出在时域上为一系列等间隔的超短脉冲,脉冲宽度一般为几到几十飞秒重复频率为几百MHz到几GHz，而在频域里为由一系列等间隔光谱线组成的光梳,每个梳齿之间的间隔等于飞秒激光器的重复频率。
锁模，是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度通常在皮秒甚至飞秒。该技术的理论基础是在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，这样产生的激光被称为锁相激光或锁模激光。
标称频率，是指光频梳的重复频率的标称值。
泵浦源，泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。根据工作物质和激光器运转条件的不同。可以采取不同的激励方式和激励装置。常见的有以下4种:光学激励(光泵浦)、气体放电激励、化学激励、核能激励。
附图说明
图1是本发明光频梳的快速锁模方法的流程图；
图2是本发明光频梳重复信号锁模前后的功率图；
图3是本发明光频梳的快速锁模系统的整体结构示意图；
其中，10、光频梳光学系统；20、泵浦源；30、辅助锁模射频源；40、功率检测模块；50、运算控制器；60、光电探测器PD ；11、种子激光器；12、电光调制器EOM；13、14、反射镜；15、谐振电路。
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。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
参考图1所示，为本发明的光频梳的快速锁模方法的步骤流程图，包括如下步骤：
步骤一：将光频梳光学系统中的种子激光器的泵浦源电流值设置在上限电流值的90%~98%。在具体实现过程中，泵浦源的上限电流值为1400mA，本实施例中，优选地将泵浦源电流值设置在1300mA。
具体地，锁模开始后，通过将光频梳光学系统中的种子激光器的泵浦源电流值设置在上限电流值的90%~98%的操作，即可有足够的电功率通过种子激光器的泵浦激光管转化为泵浦激光功率，提高了光频梳种子激光器内的环路增益，提高了正反馈的反馈系数，更容易产生振荡，以提高锁模的成功率。
步骤二：将辅助锁模射频源的中心频率设置为光频梳光学系统的标称工作频率，并将辅助锁模射频源输出的辅助锁模射频信号的输出频率调到扫描范围内的最小值，标称频率是指光频梳的重复频率的标称值。
辅助锁模射频信号的输出频率的扫描范围根据实验进行确定，实验过程中因为重复频率变化的范围一般情况小于10kHz，因此辅助锁模射频信号的输出频率的扫描范围需要覆盖重复频率变化的范围，即需大于10kHz；所以设所述标称工作频率为fr0，扫描范围设定为fr0±50kHz，即扫描范围100kHz大于实验过程中重复频率通常的变化范围10kHz，因此在扫描范围fr0±50kHz内的所有频率即可覆盖到实现锁模所需要的辅助锁模射频信号频率值。例如标称工作频率可以为200MHz、205MHz。当标称工作频率设定为200MHz时，则扫描范围内的最小值为200MHz-50kHz，即199.95MHz，最大值为200MHz+50kHz，即200.05MHz。
闭合开关S1，使辅助锁模射频源输出的射频信号输入到光频梳光学系统的谐振电路中，谐振电路的输出端连接电光调制器EOM，谐振电路的设置提高了射频信号在电光调制器侧的幅度，以辅助锁模。由于电光调制器EOM输入阻抗高，分布电容小，所以利用谐振电路可将辅助锁模射频源输出的射频信号的幅度进行放大，使得在辅助锁模射频源输出的射频信号功率一定的情况下，提高了对电光调制器EOM的作用，从而实现了对电光调制器EOM施加一个频率接近光频梳重复频率标称值且幅度较大的调制信号，这使光频梳光学系统的振荡器的能量更容易聚集起来，使锁模过程变得容易。
步骤三：用光电探测器将光频梳光学系统输出的重复频率信号转化为电信号，并输出给功率检测模块，监测重复频率信号的功率。
步骤四：以Δf为步进频率，增大辅助锁模射频源的辅助锁模射频信号的输出频率。
其中，步进频率Δf可设定为扫描范围的N分之一，N可以根据光频梳光学系统的实际情况确定，锁模过程实现难度越大，N的取值需要越大。优选地，N为100，则Δf=1kHz。
步骤五：经过Δt时间后，运算控制器接收功率检测模块监测到的重复频率信号的功率，并记录每个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，Δt需要大于光频梳光学系统响应时间，响应时间即从辅助锁模射频信号的输出频率改变到重复频率信号功率的改变所需要的时间，优选地取Δt=1ms。
步骤六：重复步骤四和步骤五，直到辅助锁模射频信号的输出频率调到扫描范围内的最大值。
步骤七：运算控制器比较步骤四到步骤六中得到各个辅助锁模射频信号频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，找到功率Pi的最大值Pmax对应的辅助锁模射频信号的最大输出频率fmax，将辅助锁模射频源的输出频率设定值设定为最大输出频率fmax，并保持在最大输出频率fmax上，继续下一步骤。
步骤八：运算控制器通过功率检测模块继续监测重复频率信号的功率，当重复频率信号的功率增大到超过阈值功率Pthr时，则证明锁模成功。
由于锁模成功后监测到重复频率信号的功率比未实现锁模状态时功率的增加量通常情况下远超过10dBm，因此该步骤八的阈值功率Pthr的确定方法如下：在未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率记为Pplt（单位dBm），取阈值功率Pthr=Pplt+10dBm；当在未实现锁模状态时，功率检测模块监测到的重复频率信号的功率为-10dBm，则阈值功率Pthr取值为0dBm。参考附图2为光频梳光学系统的重复信号锁模前后的功率图。
步骤九：锁模成功后，运算控制器控制切断开关S1。
本发明的光频梳的快速锁模方法，将整个快速锁模过程实现了自动化，尤其在光频梳的标称频率为200MHz时。本发明的实施例仅以200MHz重复频率的光频梳为例，实现了快速锁模，实验测得锁模时间小于1s。参考表1，为锁模启动时间实验数据。
Figure 621227DEST_PATH_IMAGE001
在其他实施例中，可以改变重复频率的频率点，按照本实施例相同的锁模方法实现快速锁模。
参考图3所示，为本发明用于实现的光频梳的快速锁模方法的锁模系统整体结构示意图，该锁模系统包括光频梳光学系统10、泵浦源20、辅助锁模射频源30、功率检测模块40、运算控制器50和光电探测器PD 60，其中光频梳光学系统10中包括依次设置在泵浦源20输出光路上的种子激光器11、电光调制器EOM 12和反射镜13、14及使辅助锁模射频源输出的射频信号输入到光频梳光学系统的谐振电路15，谐振电路15与电光调制器EOM 12连接，电光调制器EOM 12设置在种子激光器11的输出光路上。
谐振电路15设置在光频梳光学系统10的内部，谐振电路输入端通过开关S1连接辅助锁模射频源的射频输出信号，谐振电路输出端连接电光调制器EOM 12。谐振电路用于将辅助锁模射频源输出的射频信号的幅度进行放大，提高辅助锁模射频源的射频信号在电光调制器EOM侧的幅度，以辅助锁模，从而实现了对电光调制器EOM施加一个频率接近光频梳重复频率标称值且幅度较大的调制信号，这使光频梳光学系统的振荡器的能量更容易聚集起来，使锁模过程变得容易。
泵浦源20用于对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转，为锁模系统的成功锁模提供足够的泵浦光功率，更容易形成正反馈，以提高锁模的成功率。
辅助锁模射频源30用于输出辅助锁模射频信号，通过闭合开关S1，将辅助锁模射频信号输入到光频梳光学系统的谐振电路15中，谐振电路15的输出连接电光调制器EOM12，以辅助锁模。
锁模开始后，需将辅助锁模射频源的中心频率设置为光频梳光学系统的标称工作频率，并将辅助锁模射频源的辅助锁模射频信号的输出频率调到扫描范围内的最小值。
功率检测模块40，连接光电探测器PD 60，用于监测光频梳光学系统输出的重复频率信号的功率；光电探测器PD 60连接至光频梳光学系统的输出端，用于将光频梳光学系统输出的重复频率信号转化为电信号，并输出给功率检测模块40,重复频率通常为200MHz。对于光电探测器的选择需和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。因此优选是选择响应时间短或上限频率高的光电探测器，同时光电探测器将电信号输出给功率检测模块的过程中，光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。
运算控制器50分别连接功率检测模块40、辅助锁模射频源30和泵浦源20；通过功率检测模块40监测重复频率信号的功率，并记录每个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，比较各个辅助锁模射频信号频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，找到功率Pi的最大值Pmax对应的辅助锁模射频信号的最大输出频率fmax，并将辅助锁模射频源的输出频率设定值设定为最大输出频率fmax。
在锁模方法开始和结束时，运算控制器50还用于控制开关S1的打开和闭合。在具体实现过程中，运算控制器50可以采用单片机、FPGA、DSP以及其他具备运算控制能力的控制器。
在优选实施例中，光频梳光学系统10所用飞秒激光频率梳光谱范围为1510~1590nm,激光工作物质为43cm长的掺铒光纤,采用980nm激光进行泵浦。
本发明的光频梳的快速锁模方法和锁模系统，采用接近种子激光器工作电流上限值附近的电流，增大了锁模的成功率，结合射频信号辅助锁模，在靠近电光调制器侧利用谐振电路增大射频幅度，提高射频信号在电光调制器侧的幅度，减小了锁模的时间，并采用自动搜寻最佳辅助锁模射频信号频率值的方式，快速精准地将辅助锁模射频信号的频率值固定在其最佳上，实现快速稳定地锁模。整个快速锁模过程实现了自动化，在优选实施例中，在光频梳的标称频率为200MHz时，锁模时间可以小于1s，为光频梳的应用打下了良好的基础。
对于系统实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光频梳的快速锁模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将光频梳光学系统中的种子激光器的泵浦源电流值设置在上限电流值的90%~98%；
步骤二：将辅助锁模射频源的射频信号的中心频率设置为光频梳光学系统的标称工作频率，并将所述射频信号的输出频率调到扫描范围内的最小值；使辅助锁模射频源输出的射频信号输入到光频梳光学系统中的谐振电路中，辅助锁模；
步骤三：将光频梳光学系统输出的重复频率信号转化为电信号；
步骤四：以Δf为步进频率，增大辅助锁模射频信号的输出频率；
步骤五：经过Δt时间后，监测所述重复频率信号的功率，并记录每个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的所述重复频率信号的功率Pi；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直到辅助锁模射频信号的输出频率调到扫描范围内的最大值；
步骤七：比较步骤四~六中得到各个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，获得功率Pi的最大值Pmax对应的辅助锁模射频信号的最大输出频率fmax，将辅助锁模射频信号的输出频率设定为最大输出频率fmax，并保持在最大输出频率fmax上，执行步骤八；
步骤八：继续监测所述重复频率信号的功率，当重复频率信号的功率增大到超过阈值功率Pthr时，则锁模成功。
2.根据权利要求1所述的光频梳的快速锁模方法，其特征在于，所述步骤八中的阈值功率Pthr的确定方法如下：在未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率记为Pplt，阈值功率Pthr=Pplt+10dBm。
3.根据权利要求2所述的光频梳的快速锁模方法，其特征在于，所述未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率为-10dBm，阈值功率Pthr为0dBm。
4.根据权利要求1所述的光频梳的快速锁模方法，其特征在于，所述步骤二中，辅助锁模射频信号的输出频率的扫描范围为辅助锁模射频信号的中心频率±50kHz。
5.根据权利要求1所述的光频梳的快速锁模方法，其特征在于，设所述标称工作频率为fr0，则所述扫描范围内的最小值为fr0-50kHz。
6.根据权利要求1所述的光频梳的快速锁模方法，其特征在于，所述步进频率Δf为扫描范围的N分之一。
7.一种用于实现如权利要求1-6任意一项的光频梳的快速锁模方法的锁模系统，其特征在于，包括：
光频梳光学系统，包括：种子激光器，电光调制器、谐振电路和反射镜；所述谐振电路与电光调制器连接，所述电光调制器设置在种子激光器的输出光路上；
辅助锁模射频源，连接所述谐振电路，所述辅助锁模射频源用于输出辅助锁模射频信号；
泵浦源，连接所述种子激光器，所述泵浦源电流值设置在上限电流值的90%~98%；
光电探测器，连接至所述光频梳光学系统的输出端，用于所述将光频梳光学系统输出的重复频率信号转化为电信号；
功率检测模块，连接所述光电探测器，用于监测所述光频梳光学系统输出的重复频率信号的功率；
运算控制器，分别连接所述功率检测模块、辅助锁模射频源和泵浦源；用于记录并比较每个辅助锁模射频信号的输出频率fi对应的重复频率信号的功率Pi，获得功率Pi的最大值Pmax对应的辅助锁模射频信号的最大输出频率fmax，将辅助锁模射频信号的输出频率设定为最大输出频率fmax；当重复频率信号的功率增大到超过阈值功率Pthr时，则锁模成功。
8.根据权利要求7所述的锁模系统，其特征在于，所述阈值功率Pthr的确定方法如下：在未锁模状态时，监测到的所述重复频率信号的功率记为Pplt，阈值功率Pthr=Pplt+10dBm。
9.根据权利要求7所述的锁模系统，其特征在于，所述电光调制器与所述辅助锁模射频源之间设置有开关，所述运算控制器控制开关闭合，以将辅助锁模射频源输出的辅助锁模射频信号输入到所述光频梳光学系统的谐振电路中辅助锁模。
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