基於光譜整形自差頻技術的光學頻率梳的製作方法

2023-05-26 23:13:21 3

專利名稱：基於光譜整形自差頻技術的光學頻率梳的製作方法
技術領域：
本發明涉及飛秒雷射技術領域，特別涉及一種基於光譜整形自差頻技術的光學頻率梳。
背景技術：
飛秒光學頻率梳技術是目前超短脈衝雷射科學最前沿的研究內容之一，自從上世紀末的幾年裡人們提出並實現對飛秒雷射載波包絡相位漂移(Carrier-Envelope phaseOffset, CEO)頻率的鎖相控制以來，該技術的發展不僅導致了光頻測量研究的革命性進展，而且前所未有地實現了光學頻率與微波頻率的直接連接，並推動了阿秒雷射物理和超快科學的快速發展。需要指出的是，飛秒雷射CEO的控制及光學頻率梳的實現，最初主要得益於光子 晶體光纖(Photon Crystal Fiber，PCF)的問世和採用。目前國際上廣泛採用的光學頻率梳的核心正是以PCF為基礎的，由於PCF可將飛秒雷射光譜展寬到一個倍頻程以上，因此使得人們第一次有可能通過所謂的自參考技術而實現對CEO頻率的測量。但是PCF極小的芯徑(I 2 μ m)和固有的高損耗(>70%),不僅入射雷射微細的偏移都會導致輸出光譜的顯著變化，而且也限制了所能得到的輸出功率，特別是PCF在高聚焦強度的雷射入射下，表面極易損壞。由於這些因素，使得基於自參考技術的飛秒雷射CEO鎖定通常只能穩定工作半小時左右，輸出功率也只有幾十mW，而且結構複雜、體積龐大、維護成本高，從而大大限制了光學頻率梳的實用性。2004年，德國馬普量子光學研究所(MPQ)的科學家提出了一種通過差頻(Difference Frequency Generation,DFG)超寬雷射脈衝自身的不同光譜成分而測量並控制CEO的方法(參見Fuji T，et al. 2005 Opt. Lett. 30 (332))，該技術由於採用準相位匹配電極化周期的鈮酸鋰晶體(PPLN)中所產生的差頻、自相位調製等非線性效應而實現對CEO頻率的測量，因此可以不要求光譜展寬到一個倍頻程，這樣也就避免了必須採用PCF而帶來的低功率和穩定性問題，但目前該技術存在的不足是所穩定的飛秒雷射重複頻率不到100MHz，而且輸出可用功率只有幾十毫瓦。由於光梳所需要的理想重複頻率一般要求大於200MHz，但是重複頻率過高時飛秒脈衝的峰值功率就會下降，導致自差頻無法實現或者得到的自差頻光譜能量過低，從而得不到足夠信噪比的CEO信號，對CEO信號的控制也就無從談起。因此，需要一種基於差頻技術的高重頻光學頻率梳。

發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提出一種基於光譜整形自差頻技術產生高重複頻率飛秒雷射頻率梳的裝置。本發明通過以下技術方案來實現上述目的根據本發明，提供一種光學頻率梳，包括泵浦源、周期量級飛秒鈦寶石振蕩器、自差頻測量裝置和反饋電路，其中，由泵浦源產生的泵浦光進入所述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，該周期量級飛秒鈦寶石振蕩器用於產生形狀呈兩邊高、中間低的大體M形的飛秒光譜脈衝；該飛秒光譜脈衝的一部分被輸送至所述自差頻測量裝置以測量該光譜脈衝的載波包絡相移頻率(CEO頻率)，另一部分形成重複頻率信號經所述重複頻率反饋電路被輸送回周期量級飛秒鈦寶石振蕩器。在上述技術方案中，所述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中設置有鍍膜的輸出耦合鏡，經該鍍膜的輸出耦合鏡輸出所述大體M形的飛秒光譜脈衝，所述鍍膜設計為在750nnT850nm波段內透過率為10%的介質膜。
在上述技術方案中，所述重複頻率反饋電路由PIN管、第一鎖相電路及設置在周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中的壓電陶瓷構成，其中由周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出的所述一部分光譜脈衝被PIN管接收後經第一鎖相電路反饋至周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中，通過安裝在周期量級飛秒鈦寶石振蕩器內的壓電陶瓷的伸縮改變腔長以控制該重複頻率。在上述技術方案中，光學頻率梳還可包括設置在所述自差頻測量裝置光路後的CEO頻率反饋電路，其中由所述自差頻測量裝置輸出的光譜脈衝的紅外光部分形成CEO頻率信號，該信號經CEO頻率反饋電路反饋至設置在泵浦源和周期量級飛秒鈦寶石振蕩器之間的聲光調節器以控制該CEO頻率。 在上述技術方案中，所述CEO頻率反饋電路由紅外雪崩光電二極體、第二鎖相電路及聲光調節器構成，其中所述紅外光部分被紅外雪崩光電二極體接收後經第二鎖相電路反饋至聲光調節器。在上述技術方案中，由所述自差頻測量裝置輸出的光譜脈衝的可見光部分作為光梳的可用光脈衝輸出。在上述技術方案中，所述自差頻測量裝置包括兩塊凹面銀鏡和一塊非線性晶體，所述整形後的光譜脈衝的一部分通過其中一塊凹面銀鏡聚焦耦合到非線性晶體中，然後再經過另一塊凹面銀鏡準直輸出。在上述技術方案中，所述非線性晶體選擇準相位匹配電極化周期的鈮酸鋰晶體。在上述技術方案中，所述重複頻率反饋電路和CEO頻率反饋電路被同時鎖定到外部微波參考源，該外部微波參考源例如為微波原子鐘或光鍾。與現有的技術相比，由於本發明採用了將光譜整形的周期量級飛秒鈦寶石振蕩器與差頻測量CEO頻率技術相結合的創新設計，因而導致具有如下的突出特點I.穩定度高，鎖定時間長；因無需使用腔外光子晶體光纖，因而大大提高了頻率梳的穩定性，相比自參考頻率梳通常半小時的鎖定時間，本發明的單塊光梳鎖定時間提聞到9小時以上。2.重複頻率高；相比國際上同類技術的光梳,本發明將重複頻率提高到400MHz以上，這是目前國際同類光梳的最高重複頻率，有利於頻率測量的應用。3.輸出功率高；本發明典型的輸出功率可達200mW以上，相比因光子晶體光纖的高損耗導致的只有幾十毫瓦的自參考光梳系統，本發明在輸出功率方面具有明顯的優勢。


以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中圖I為本發明實施例的總體結構原理框圖2為本發明實施例的光路結構示意圖；圖3為本發明實施例中差頻後所獲得的中紅外曲線圖；圖4為本發明實施例的差頻測量CEO頻率頻譜圖；圖5為本發明實施例的重複頻率鎖定後的艾倫方差曲線；圖6為本發明實施例的CEO頻率鎖定後的艾倫方差曲線。
具體實施例方式圖I為根據本發明一個實施例的原理框圖。如圖I所示，採用532nm單頻連續全 固化倍頻釩酸釔雷射器作為泵浦源，泵浦光經過聲光調製器(AOM)後進入周期量級鈦寶石振蕩器，然後振蕩器輸出的飛秒脈衝分出一小部分，由PIN管接收重複頻率信號，而大部分進入CEO自差頻測量系統(差頻晶體)測量CEO頻率。經過差頻測量系統後的光脈衝再分成兩部分，其中紅外光部分由紅外雪崩光電二極體(APD)接收得到CEO頻率信號，可見光部分作為光梳的可用光脈衝輸出。為了得到絕對穩定的光梳輸出，將PIN管接收到的重複頻率信號及紅外APD接收到的CEO頻率電信號分別送入鎖相電路I及鎖相電路II，外部參考源輸出的IOMHz信號經頻率綜合器後得到合適的參考信號也分別進入鎖相電路I及鎖相電路II，經過鑑相濾波後獲得控制信號，進而通過控制AOM達到控制CEO頻率的目的，以及通過控制安裝在一個端鏡上的壓電陶瓷達到控制重複頻率的目的。在本實施例中，用於光譜整形的周期量級飛秒鈦寶石振蕩器為一種能夠直接輸出飛秒脈衝的裝置，其輸出的飛秒脈衝的光譜寬度接近一個光學倍頻程，能覆蓋600nm-1000nm的範圍，經整形的光譜形狀呈M形，重複頻率大於300MHz，經過腔外若干啁啾鏡及一對尖劈進行色散補償後，周期量級飛秒脈衝的脈寬在7fs以下。在本發明的實施例中，採用光譜整形的周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，然後再通過自差頻技術測量飛秒脈衝的CEO頻率，在此基礎上控制重複頻率和CEO頻率獲得高重頻光學頻率梳。由於上述振蕩器是在中國專利申請「產生高重複頻率周期量級飛秒脈衝的線性腔摻鈦藍寶石雷射器」(200810115910. 9)(該申請通過引用全文包括在本申請中)的基礎上，對輸出耦合鏡進行獨特的鍍膜設計，使經過周期量級飛秒鈦寶石振蕩器後的透射光譜呈兩邊高、中間低的曲線，從而直接將7fs鈦寶石振蕩器輸出的寬光譜整形為M形。這種創造性地對飛秒脈衝的光譜進行整形，使參與自差頻的光譜成分得到增強，保證了自差頻產生高信噪比CEO信號的獲得，從而能將基於差頻的光學頻率梳重複頻率提高到大於400MHz以上。根據本發明的一個實施例，CEO自差頻測量系統包括單塊非線性晶體，如摻氧化鎂的PPLN晶體，該晶體通過以下方法來測量CEO頻率(f_):將寬譜周期量級飛秒雷射脈衝聚焦到一塊非線性晶體中，飛秒脈衝的長波部分和短波部分在晶體中發生自差頻效應，產生新的為O的紅外波譜區，與飛秒脈衝基波在該區重疊的紅外波譜成分相互拍頻，就可得到穩定的高信噪比的信號。在一個實施例中，該CEO自差頻測量系統包括兩塊凹面銀鏡，一塊非線性晶體和一塊紅外濾光片。其中，非線性晶體例如為電極化周期的準相位匹配摻氧化鎂的鈮酸鋰PP-MgO-LN，其尺寸為3X2Xlmm，極化周期為17. 84 μ m或者
11.21 μ m ;所述紅外濾光片例如為IOOOnm或2000nm以上波長透過的長波通紅外濾光片；兩凹面銀鏡的焦距相同，且分別以小角度放置，使雷射均以小角度入射到兩凹面銀鏡上，並且兩凹面銀鏡的間距為第一凹面銀鏡的兩倍焦距，非線性晶體設置在第一凹面銀鏡和第二凹面銀鏡的焦點處，紅外濾光片設置在非線性晶體至第二凹面銀鏡輸出光路的反射輸出光路上。紅外Aro放置在紅外濾光片的透射光路中。在一個實施例中，第一凹面銀鏡和第二凹面銀鏡的焦距為25mm或30mm或35mm。在上述光路中，採用基於鎖相原理製成控制fMp及的電路反饋系統，對重複頻率信號(f_)和CEO頻率信號(f。J分別實現反饋。具體地，重複頻率信號的反饋電路由PIN管、鎖相電路及壓電陶瓷構成，由周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出的一部分光譜脈衝被PIN管接收後經鎖相電路I反饋至周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，這樣能通過安裝在振蕩器一個腔鏡上的壓電陶瓷PZT的伸縮改變腔長來控制；CE0頻率信號的反饋電路由紅外APD、鎖相電路II及AOM構成，經過差頻測量系統後的一部分光脈衝被紅外APD接收後經鎖相電路II反饋回Α0Μ，這樣能使用安裝在泵浦光路中的聲光調製器AOM改變泵光功率來控制f·。在另一個實施例中，所述光學頻率梳還包括一個穩定的外部參考源，使所述重複頻率反饋電路和CEO頻率反饋電路同時鎖定到該外部參考源上，這個參考源可以為銫鐘、氫鍾或銣鍾等微波原子鐘，也可以是穩定的光鍾。圖2為根據本發明上述實施例的光路結構不意圖。如圖2所不，聞穩定聞重複頻 率的單塊光學頻率梳包括周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，自差頻測量裝置。泵浦光經過AOM 01，再經爬高鏡02將光路抬高，然後再經一個轉折銀鏡03入射到周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中，其中AOM的電調製頻率為80MHz，放置時使雷射垂直入射晶體表面，微調AOM改變入射角度在一級衍射光最強的位置固定Α0Μ。周期量級飛秒鈦寶石振蕩器由泵浦鏡04、兩個平凹啁啾鏡05，06、一塊鈦寶石晶體07、兩個平面啁啾鏡08，09、一對尖劈10，11及一個平面輸出耦合鏡12構成，其中泵浦鏡04的焦距為50mm，口徑為25. 4mm ;晶體07為布儒斯特角切割的摻鈦藍寶石晶體，尺寸為3*2. 8*1. 85mm ;平凹啁啾鏡05，06為曲率半徑為50mm，口徑為12. 7mm，厚度為6. 35mm的熔石英玻璃材料，鍍膜參數為凹面鍍有對503_535nm波段增透及700-950nm波段高反(所謂「高反」為反射率>99%)的雙色介質膜，且提供680_940nm波段二階色散(GVD)-50fs2，背面鍍有503-535nm波段的增透膜；平面啁啾鏡08、09的鍍膜參數相同，均對650-980nm波段高反，650-980nm波段提供二階色散_40fs2，啁啾鏡08為厚度6. 35mm, 口徑25. 4mm的熔石英基片，但是啁啾鏡09厚度2mm，口徑為6mm，安裝在一個柱狀長約5cm的PZT上，用於改變腔長控制重複頻率；一對尖劈10，11為30*20mm，頂尖角度為2° 48』，最薄處為200 μ m的熔石英基片。上述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器從結構，元件參數到安裝方法和調節方法都與已申請專利的「產生高重複頻率周期量級飛秒脈衝的摻鈦藍寶石雷射器」(申請號為200810115910.9)相同，但是為了得到M形的整形光譜，對輸出耦合鏡作了特殊設計。輸出耦合鏡12為口徑12. 7mm、厚度Imm的熔石英基片，鍍膜設計為750nnT850nm波段內透過率為10%的介質膜。安裝在PZT上的啁啾鏡09，為了配合PZT的承載負荷採用了尺寸和厚度都較小的鏡片以減輕重量，同時將一個尖劈安裝在平移臺上，可以幫助粗調鎖定前CEO頻率的位置，在啁啾鏡08後放置一個PIN接收少量透射光得到重複頻率信號。從輸出耦合鏡12透射出的雷射脈衝再經過一個轉折銀鏡13，被反射到一對腔外啁啾鏡對14、15上並進行三次小角度反射，以得到足夠的色散補償量，啁啾鏡對14、15鍍有580-1020nm波段高反膜，620-1000nm波段提供二階色散-50fs2。接著雷射被反射到一對腔外尖劈16、17上，尖劈參數與腔內尖劈10、11相同，尖劈16、17以布儒斯特角插入雷射光路中，並且兩個尖劈平行放置，頂尖相對，其中一個尖劈16固定，另外一個尖劈17裝在一個一維平移臺上，平移臺移動方向與光路垂直，通過移動平移臺可以改變尖劈17的插入量，進而調節色散量。透過尖劈後的雷射經轉折銀鏡18入射到第一個凹面銀鏡19上，凹面銀鏡19焦距為25mm，保證從尖劈射出的雷射以小角度入射到第一凹面銀鏡19，並且其凹面在尖劈17輸出光路上，第二凹面銀鏡20的焦距也為25mm，其凹面與第一凹面銀鏡19的凹面相對放置，兩個鏡面之間的距離大約為50mm，一塊長方 體摻氧化鎂的PPLN晶體21放置在第一凹面銀鏡19和第二凹面銀鏡20之間的焦點處，晶體21的極化周期為17. 84 μ m，通光厚度為2mm，通光面大小為3*lmm，從第一凹面銀鏡19以小角度反射出的雷射聚焦在晶體21上，為了細調晶體的位置，可以將晶體安裝在一個一維平移臺上，平移臺移動方向與光路平行，第二凹面銀鏡20的反射輸出光路上設置一啁啾鏡22，其鍍有580-1020nm波段高反膜，垂直反射光作為光學頻率梳的可用輸出光，在透射光路上放置一個鍍有700nm-800nm高反膜的平面鏡23，反射光路上放置一 PIN24管，用於監測重複頻率信號，透過平面鏡23的透射光入射到一對平行放置的銀鏡25，26上轉折光路，紅外濾光片27、聚焦透鏡28及紅外APD29依次放在轉折上，所述紅外濾光片的參數為IlOOnm以上通過，以下截止，聚焦透鏡28焦距為30mm,材料採用紅外光透過性好的氟化鈣。最後將PIN24及APD29接收到的重複頻率及CEO頻率信號分別採用兩套鎖相環電路系統鎖定到同一臺外部微波參考源上，本實施例使用的參考源是IOOs穩定度為10_12的銣原子鐘，鎖定後的重複頻率為350MHz，CEO頻率為20MHz。圖3為本實施例中周期量級鈦寶石雷射振蕩器直接輸出的M形光譜曲線，其中紅色虛線為特殊設計的輸出耦合鏡的鍍膜曲線。圖4為本實施例中APD接收後由頻譜儀記錄到的CEO頻率信號，信噪比高達45dB。圖5為本實施例中鎖定後重複頻率的艾倫方差曲線，鎖定時間9小時。圖6為本實施例中鎖定後CEO頻率的艾倫方差曲線，鎖定時間9小時。綜上所述，本發明的光學頻率梳主要由光譜整形的周期量級鈦寶石振蕩器、單塊非線性晶體自差頻測量載波包絡相移頻率裝置和基於鎖相原理控制的反饋電路裝置組成。其中，使用光譜整形的周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出高重複頻率、寬譜、7fs以下脈寬飛秒脈衝；使用單塊非線性晶體自差頻測量飛秒脈衝載波包絡相移頻率；使用電路反饋技術將重複頻率和載波包絡相移頻率同時鎖定到穩定的外部微波參考源或光學頻標上。本發明具有設備結構緊湊；鎖定時間長、重複頻率高、輸出可用功率高、相位噪聲小等特點，可主要應用在光頻絕對測量、構成光鍾、阿秒產生等科學研究中。儘管參照上述的實施例已對本發明作出具體描述，但是對於本領域的普通技術人員來說，應該理解可以在不脫離本發明的精神以及範圍之內基於本發明公開的內容進行修改或改進，這些修改和改進都在本發明的精神以及範圍之內。
權利要求
1.一種光學頻率梳，包括泵浦源、周期量級飛秒鈦寶石振蕩器、自差頻測量裝置和反饋電路，其中，由泵浦源產生的泵浦光進入所述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，該周期量級飛秒鈦寶石振蕩器用於產生形狀呈兩邊高、中間低的大體M形的飛秒光譜脈衝；該飛秒光譜脈衝的一部分被輸送至所述自差頻測量裝置以測量該光譜脈衝的載波包絡相移頻率(CEO頻率)，另一部分形成重複頻率信號經所述重複頻率反饋電路被輸送回周期量級飛秒鈦寶石振蕩器。
2.根據權利要求I所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中設置有鍍膜的輸出耦合鏡，經該鍍膜的輸出耦合鏡輸出所述大體M形的飛秒光譜脈衝，所述鍍膜設計為在750nnT850nm波段內透過率為10%的介質膜。
3.根據權利要求I所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述重複頻率反饋電路由PIN管、第一鎖相電路及設置在周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中的壓電陶瓷構成，其中由周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出的所述一部分光譜脈衝被PIN管接收後經第一鎖相電路反饋至周期量級飛秒鈦寶石振蕩器中，通過安裝在周期量級飛秒鈦寶石振蕩器內的壓電陶瓷的伸縮改變腔長以控制該重複頻率。
4.根據權利要求I所述的光學頻率梳，還包括設置在所述自差頻測量裝置光路後的CEO頻率反饋電路，其中由所述自差頻測量裝置輸出的光譜脈衝的紅外光部分形成CEO頻率信號，該信號經CEO頻率反饋電路反饋至設置在泵浦源和周期量級飛秒鈦寶石振蕩器之間的聲光調節器以控制該CEO頻率。
5.根據權利要求4所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述CEO頻率反饋電路由紅外雪崩光電二極體、第二鎖相電路及聲光調節器構成，其中所述紅外光部分被紅外雪崩光電二極體接收後經第二鎖相電路反饋至聲光調節器。
6.根據權利要求4所述的光學頻率梳，其特徵在於，由所述自差頻測量裝置輸出的光譜脈衝的可見光部分作為光梳的可用光脈衝輸出。
7.根據權利要求I所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述自差頻測量裝置包括兩塊凹面銀鏡和一塊非線性晶體，所述整形後的光譜脈衝的一部分通過其中一塊凹面銀鏡聚焦耦合到非線性晶體中，然後再經過另一塊凹面銀鏡準直輸出。
8.根據權利要求7所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述非線性晶體選擇準相位匹配電極化周期的鈮酸鋰晶體。
9.根據權利要求4所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述重複頻率反饋電路和CEO頻率反饋電路被同時鎖定到外部微波參考源，
10.根據權利要求9所述的光學頻率梳，其特徵在於，所述外部微波參考源為微波原子鐘或光鍾。
全文摘要
本發明公開了一種基於光譜整形自差頻技術的高穩定高重複頻率光學頻率梳，包括泵浦源、周期量級飛秒鈦寶石振蕩器、自差頻測量裝置和反饋電路，其中，由泵浦源產生的泵浦光進入所述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，該周期量級飛秒鈦寶石振蕩器用於產生形狀呈兩邊高、中間低的大體M形的飛秒光譜脈衝；該飛秒光譜脈衝的一部分被輸送至所述自差頻測量裝置以測量該光譜脈衝的載波包絡相移頻率(CEO頻率)，另一部分形成重複頻率信號經所述重複頻率反饋電路被輸送回周期量級飛秒鈦寶石振蕩器。該光學頻率梳具有結構緊湊；鎖定時間長、重複頻率高、輸出可用功率高、相位噪聲小等特點，可主要應用在光頻絕對測量、構成光鍾、阿秒產生等科學研究中。
文檔編號G02F1/35GK102879969SQ20121036964
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者魏志義, 韓海年, 張煒, 趙研英, 杜強, 滕浩 申請人:中國科學院物理研究所