用於產生自參照光學梳形頻譜的方法和設備的製作方法

2023-10-22 05:50:42 2

專利名稱：用於產生自參照光學梳形頻譜的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於產生時間等距短雷射脈衝的經補償序列的方法，時間等距短雷射脈衝的梳形頻譜包括單線，這些單線的載波包絡偏移頻率穩定在預定的值，本發明還涉及用於產生這種短雷射脈衝序列的設備。「穩定」這裡指的是將幅值設定為恆定值。穩定到預定值因此包括設定幅值，以使該幅值具有相對於時間保持恆定的預定值。
背景技術：
短雷射脈衝序列可以利用所謂的耦合模雷射器產生。在雷射介質中，利用雷射器的諧振器中帶寬足夠寬的雷射躍遷，可以激發出非常多的各種頻率的自振蕩。這種自振蕩也稱為模。藉助適當的機構，可以在自振蕩之間產生一致的相位關係。這就是所謂的模同步或模耦合。由於存在模耦合，所以在雷射器的諧振器中以對應於雷射脈衝的循環周期的時間間隔Tk發射短雷射脈衝。脈衝時間等距的直接結果就是這種雷射器的頻譜由等距單線構成，即所謂的梳形頻譜。由於存在這種關係，所以產生這種短雷射脈衝序列或者改型短雷射脈衝序列的方法或設備也可以分別稱為產生梳形頻譜的方法或設備。頻率空間中單線之間的距離Δ f對應於諧振器中循環周期值倒數。因此，適用Af = 1/τκ。從L. Xu 等人在 Opt. Lett. 21,2008 等(1996)上發表的文章「Route to phase control of ultrashort light pulses (超短光脈衝的相位控制的途徑)」可知，單線i 的頻率A並不是頻率差Δ f的整數倍。相反，對於單線i的頻率&存在以下關係4 = fcEo+i Δ f ο這裡，f。ro表示文獻中稱為載波包絡偏移(CEO)頻率的偏移頻率。該偏移頻率由以下情形產生雷射脈衝群速度分別偏離單個疊加雷射模或者單線的相位速度。通常，單個雷射模的電場以比雷射脈衝包絡略高的相位速度通過雷射器的諧振器中的電介質傳播。這
導致諧振器中每次循環時，包絡和單模之間存在相位偏移Apf7a5 =。相對於時間來
說，該偏移量意味著時間偏移發生在電場出現最大幅值和包絡出現最大幅值之間。該時間偏移通常也稱為載波包絡偏移相位Apc^，而時間偏移由=Δ外正確給出，其中Vtl是雷射脈衝的載波頻率。由於載波包絡偏移頻率的幅度主要取決於環境因素，例如溫度和氣壓，而且也取決於雷射介質的泵浦性能等，這裡僅僅列舉部分因素而非全部因素，所以，載波包絡偏移頻率相對於時間並不穩定。在現有技術中，已經提出了許多方法來確定載波包絡偏移頻率fCEQ。H. R. Telle 等人在 Appl. Phys. B 69，327 等(1999)上發表的公開出版物 「Carrier-envelope offset phase control :A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation(載波包絡偏移相位控制用於絕對光學頻率測量以及超短脈衝產生的新穎概念)」也描述了一些可行的方法。最為常用的是所謂的f-to-2f幹涉法， 其中部分雷射信號導入幹涉儀中。在幹涉儀中，利用非線性光學處理來分別產生低能雷射模或者梳形頻譜低能單線的二次諧波，並使其與雷射脈衝的梳形頻譜的高能(高頻)單線一起發生幹涉。如果4是來自梳形頻譜fi = i · Δ f+f·低能區域的頻率，則在倍頻後適用2fi = (2i · Af+2fCE0)。因此，如果倍頻後的單線與二倍頻率的單線f2i = 2i · Af+fCE0 發生幹涉，則2f\-f2i = (2iAf+2fCE0)-(2iAf+fCE0) = fero產生差拍信號。因此，差拍信號的頻率直接表示載波包絡偏移頻率。對於某些應用場合，知道載波包絡偏移頻率就足夠了。但是，對於另一些應用場合，希望和/或需要保持基本電場和雷射脈衝包絡之間的相位偏移不變，優選使其最小為零。例如，當產生脈衝長度處於阿秒範圍內的短脈衝時，這是具有優勢和/或是必須的。DE199 11 103 Al公開了一種產生短雷射脈衝的方法和設備，以及用其產生合成光學頻率。在穩定雷射設備中，其中產生在諧振器結構中循環的雷射脈衝並且每個雷射脈衝由與諧振器結構的多個縱模對應的頻譜分量構成，每個模根據諧振器結構線性色散的預定設置，發生針對具體頻譜的頻率變化。文中描述了控制色散和諧振器長度的同步設置，由此控制在諧振器中循環的光脈衝的群和相位循環時間。例如，色散設置可以通過向光路中插入楔形稜鏡來實現。作為替代和/或補充，諧振器可以包括可樞轉的端鏡。提出的用來改變色散的措施必然導致光路長度發生變化和/或諧振器循環周期τ κ(即光脈衝時間間隔)發生變化。為了保持單線的間隔和/或頻率距離Δι不變，需要另外的控制器，該控制器例如控制諧振器長度。DE 199 11 103Α1中描述的方法和設備分別要求彼此影響的至少兩個控制電路，以保持載波包絡偏移頻率和諧振器循環周期τ j^n/或與頻率距離Af 對應的重複頻率不變。針對裝置的工作也相應的繁重。由於要求光學部件在雷射器的諧振器中機械運動，所以可以實現的常規帶寬一般限制於幾kHz。根據DE199 11 103A1，通過聲光或電光調製器改變雷射振蕩器的泵送性能，可以實現更快速地控制。但是，這樣做將影響在諧振器中循環的脈衝的峰值功率，而峰值功率進而通過非線性的光學過程操縱相位偏移。雖然聲光調製器限制於高達大約IOOkHz的常規帶寬，但是電光系統可以達到 MHz範圍的常規帶寬。但是，這種系統因為控制電子件的原因，受到限制。由於必須避免自由振蕩積累，所以常規放大通常受到限制。這樣又導致僅能不充分地補償△識信號非常快速的幹涉分量(所謂「假信號」)。US2007/0086713A1描述了一種基於耦合模光纖雷射器的頻率標準。載波包絡偏移頻率經由鎖相環迴路進行確定和使用，用於控制雷射器參數，諸如例如布拉格光柵的泵浦功率或者溫度，從而穩定載波包絡偏移頻率自身，即將其設定為恆定值。不考慮精確設計，現有技術中不存在這樣的雷射器系統，其中通過穩定載波包絡偏移頻率f 值，其他雷射參數(諸如例如雷射功率、脈衝持續時間或者與循環頻率相同的脈衝重複率)也不受影響。因此，本發明所要解決的技術問題是提供一種產生梳形頻譜的方法和設備，其中載波包絡偏移頻率得到穩定，優選得到補償。

發明內容
根據本發明，利用具有獨立權利要求的特徵的方法和/或設備來實現所述技術目的。具有優勢的實施方式和進一步的發展來源於從屬權利要求。本發明建立在這樣的構思上通過實驗確定載波包絡偏移頻率，並將時間等距短雷射脈衝序列的梳形頻譜的單線偏移一個頻率，該頻率從所確定的載波包絡偏移頻率導出。為此，使用聲光移頻器。具體來說，提出了一種產生短雷射脈衝的經補償序列的方法，其中所述方法包括步驟接收時間等距短雷射脈衝的未補償序列，優選從耦合模雷射器接收； 確定CEO信號，其頻率對應於接收到的短雷射脈衝的未補償序列的梳形頻譜的單線的載波包絡偏移頻率；將短脈衝的未補償序列導向聲光移頻器；和利用從CEO信號導出的控制信號控制聲光移頻器。在聲光移頻器的第一衍射級中，發出時間等距雷射脈衝的的經補償序列。這裡，相關梳形頻譜的單線針對載波包絡偏移頻率進行了穩定，即設定(調節)到一定的值。一種用於產生短雷射脈衝的經補償序列的對應設備，該短雷射脈衝的梳形頻譜包括等距單線，所述等距單線的載波包絡偏移頻率經過穩定，即設定到預選的值，該設備包括用於產生CEO信號的載波包絡偏移頻率確定單元，所述CEO信號的頻率對應於短雷射脈衝的未補償序列的梳形頻譜的單線的載波包絡偏移頻率。載波包絡偏移頻率確定單元耦接到從 CEO信號導出控制信號的控制單元。該設備進一步包括聲光移頻器，該聲光移頻器布置在短脈衝的未補償序列的光路中，並且適配地使其作為線性移頻器操作，其中所述聲光移頻器利用所述控制信號來控制。這意味著所述控制信號的頻率在所述聲光移頻器中用作聲波頻率，從而精確地以該頻率線性偏移單線的頻率。短雷射脈衝的未補償序列指的是具有時間等距短雷射脈衝的光信號，所述短光脈衝的頻譜包括單線，而所述單線的頻率並不對應於單線頻率距離的整數倍。這意味著載波包絡偏移不等於零。短雷射脈衝的經補償序列指的是具有短時間等距光信號的光信號，該光信號的頻譜包括單線，單線的載波包絡偏移頻率經過穩定，即設定到預定的值，優選設定到零值。本發明相對於現有技術的優勢包括不需要複雜的控制電子件。在所提出的方法和/或設備中，響應時間實際上受到聲光移頻器中的聲波傳輸時間的限制，但是如控制環那樣的振蕩行為不會出現。此外，雷射振蕩器中不需要控制幹涉，所以不會發生副作用，諸如幅值調製或者幹擾其他雷射器參數。實際上發生了脈衝持續時間靜態改變，但是這相對於時間而言是恆定的，並且容易補償。為了補償載波包絡偏移頻率，所提出的設備和方法並不要求任何不包含在短時間等距雷射脈衝的原始未補償序列中的參照頻率。因此，該方法稱為自參照法。利用這種方法產生的短雷射脈衝的經補償序列因此表示自參照梳形頻譜。與此類似，適配成實施所述方法的設備稱為用於產生自參照梳形頻譜的設備。雷射振蕩器中不需要控制幹涉的優勢有利於該設備的操作以及雷射器的設計。該設備可以用於任何耦合模雷射器。為了確定CEO信號，優選設置成將接收到的短雷射脈衝的未補償序列的一部分導向幹涉儀。這種幹涉儀優選設計成f_to-2f幹涉儀。因此，載波包絡偏移頻率確定單元優選包括f-to-2f幹涉儀和光敏檢測器，所述光敏檢測器接收差拍信號，從該差拍信號得出CEO 信號。基本上，任何方法和任何設備可以用來確定CEO信號。一些示例在H. R. Telle等人在 Appl. Phys. B 69，327 等(1999)中進行了描述。以特別優選的方式，藉助頻率濾波從差拍信號得出CEO信號。為此，優選設置對差拍信號濾波的高頻濾波器。以特別優選的方式，所述高頻濾波器設計為帶通濾波器。所述高頻濾波器粗略地調節到預期的載波包絡偏移頻率。為了產生所述控制信號，在一種實施方式中，所述CEO信號進行放大，從而用於直接驅動聲光移頻器。
聲光移頻器特別設計，以使其在第一衍射級將梳形頻譜的全部單線偏移恆定的頻率量Afs。量值Afs對應於利用其在聲光移頻器中激勵聲波振蕩的頻率。可以選擇移頻器的布拉格條件，以使單個頻率增大Afs(Afs>0)或者替代地降低Afs(Afs<0)。若使用負的Δ ；，則如果控制信號的頻率與CEO信號的頻率同時發生，梳形頻譜的全部單線就由精確補償，以使產生的梳形頻譜的單線為雷射器重複頻率的整數倍和/或雷射器的時間重複頻率的倒數的整數倍和/或單個光脈衝的時間間隔的倒數的整數倍和/或產生短雷射脈衝序列的雷射器的諧振器循環時間τκ的整數倍。要注意，除了 CEO信號，來自重複頻率差或其倍數的鏡像頻率以及載波包絡偏移頻率也出現在差拍信號中。該鏡像頻率 fffl也提取出來並用作CEO信號，其中聲光移頻器則必須使用導致正的Δ fs的布拉格條件。利用這樣的實施方式中實現了 CEO信號噪聲抑制改善以及更為穩定的驅動聲光移頻器，在所述實施方式中使用的CEO信號是以鎖相方式耦接到CEO信號的高頻振蕩器的信號。優選，使用電壓控制的振蕩器。在這種實施方式中，載波包絡偏移頻率確定單元包括優選電壓控制的高頻振蕩器，這種振蕩器的輸出信號用作CEO信號，其中所述高頻振蕩器以鎖相方式經由耦接電路耦接到差拍信號或者經濾波的差拍信號。這種耦接例如經由相位檢測器來實現，所述相位檢測器具有低通濾波器以及驅動電壓控制振蕩器的比例積分控制器。這種實施方式整體導致在移相器處衍射的光學信號的幅度穩定性更高，這種光學信號是產生的期望的/有用的信號。此外，短雷射脈衝的經補償序列(期望信號)中的噪聲得到抑制。所述實施方式的優勢在於，可以將輸出信號中的載波包絡偏移頻率補償到零。在這一方面，CEO信號「直接」用作控制信號，即控制信號以對應於CEO信號頻率的頻率產生。 然後，與此類似，也可以在另一種實施方式中為梳形頻譜的單線設定希望的預選載波包絡偏移頻率。為此，所述控制信號通過包括偏移頻率的偏移頻率信號與CEO信號進行頻率混合而產生。所述控制單元因此適配成接收包括偏移頻率的偏移頻率信號，並包括混合設備以通過偏移頻率信號與CEO信號進行頻率混合來產生所述控制信號。特別是在高精度頻率測量的情況下，因此可以系統地偏移梳形頻譜的單線，以使短雷射脈衝的經補償序列中的這些單線例如具有與預定偏移頻率對應的載波包絡偏移頻率。所述偏移頻率可以利用幾乎任何方式產生。一種實施方式使得偏移頻率從雷射器的重複頻率得到。為此，設置了另外的光敏檢測器(除了用來檢測在載波包絡偏移頻率確定單元中提供的差拍信號的檢測器之外)，以便從短雷射脈衝(未補償或經補償)序列產生表示短雷射脈衝的重複頻率信號的電子重複信號，並且設置切分單元以通過切分電子重複信號來得到偏移頻率信號。其他實施方式可以使得以其他一些方式從通過電子方式得出的重複信號通過電子方式得出偏移頻率信號。為了能與任何耦合模雷射器一起使用根據本發明的設備的優化功能，便利地經由雷射器中的以非受控方式操作的色散適配裝置將載波包絡偏移頻率粗略地適配聲光移頻器的中段頻率。優選地，CEO頻率適配地使其對應於聲光移頻器的中段頻率。雷射器中載波包絡偏移頻率的適配對應於聲光移頻器的適配，即以這樣的方式選擇聲光移頻器，使得其中段頻率適配於耦合模雷射器的載波包絡偏移頻率。為了實現f-to-2f幹涉儀的差拍信號中載波包絡偏移頻率與重複頻率之間存在足夠大的距離，雷射器的CEO頻率優選大約設置成PV^V-，其中n = 0、1、2···，並且是雷射脈衝的重複頻率。在短雷射脈衝序列在聲光移頻器處衍射的情況下，在第一衍射級中因取決于波長
的衍射而發生取決于波長的空間展開(角度色散)。這種空間展開稱為空間線性調頻脈衝
(chirp)。為了補償這種情況，一個或數個角度色散元件優選布置在聲光移頻器緊鄰附近，
這至少補償第一衍射級的空間線性調頻脈衝。所述一個或數個角度色散元件可以單獨包
括稜鏡、光柵或者所謂的稜柵，或者包括它們的組合體。為了補償第一衍射級，如果角度色
散元件(例如補償稜鏡)儘可能直接地布置在移頻器之後，則具有優勢。但是，這樣將導致
第零衍射級發生取決于波長的展開。如果在兩個衍射級都希望能有特別良好的波譜束同質
性，則可以具有優勢地將角度色散元件(例如補償稜鏡)引入光路中，位於離移頻器較遠的
距離處，以使僅在第一級衍射的短雷射脈衝的經補償序列相對於空間線性調頻脈衝進行補 m
te ο在本發明特別優選的實施方式中，單個部件利用光學纖維形式設計。因此，容易將所述設備與光纖雷射器一起使用。從現有技術中，已經知道移頻器的纖維耦接的變體。同樣，也可以利用光學纖維形式設計f-to-2f幹涉儀。這樣為穩定雷射信號提供了簡單緊湊的結構。如果根據本發明的設備與耦合模雷射器一起使用(所述耦合模雷射器的梳形頻譜不包括單線或模的完整倍頻程)，則一種實施方式設置成讓f-to-2f幹涉儀包括額外的光學元件，該光學元件通過非線性光學效應使得梳形頻譜發生頻率展寬，其中例如利用4 波混合產生了梳形頻譜的其他高能線。例如，微結構光子晶體纖維(PCF)可以用作光學元件。為了補償在聲光移頻器處衍射期間發生的群時延色散效應，S卩補償脈衝持續時間變化，有利的是，使得一個或數個系列的稜鏡和/或光柵和/或線性調頻反射鏡布置在短雷射脈衝的未補償序列的光路中，和/或聲光移頻器的第一衍射級和/或第零衍射級中，以使短雷射脈衝的未補償序列和/或第一衍射級和/或第零衍射級上疊加適配於聲光移頻器的群時延色散的負群時延色散，從而補償聲光移頻器的群時延色散。短雷射脈衝的未補償序列和/或聲光移頻器的第一衍射級和/或第零衍射級經由疊加適配於聲光移頻器的群時延色散的負群時延色散的一系列稜鏡和/或光柵和/或線性調頻反射鏡傳輸，從而補償聲光移頻器的群時延色散。在導向聲光移頻器之前補償短雷射脈衝的未補償序列所具有的優勢在於，從聲光移頻器發出的第一和第零衍射級都針對群時延色散進行了補償。


在以下內容中，將參照附圖更為詳細地解釋本發明。在附圖中圖1是本發明第一簡化實施方式的示意性視圖；圖2是本發明第二簡化實施方式的示意性視圖；圖3a、!3b是用於解釋補償空間線性調頻的示意性視圖；圖4是本發明實施方式的另一幅示意性視圖，其中在輸出信號中實現了改善的噪聲抑制；圖5是根據本發明的設備的實施方式的示意性視圖，其中短雷射脈衝的經補償序列的梳形頻譜的單線的載波包絡偏移頻率可以預選地變化；和圖6是實施方式的示意性視圖，其中色散群時延效應被預先進行補償。
具體實施例方式圖1示意性示出了分別用於產生自參照梳形頻譜或者用於產生時間等距短雷射脈衝的經補償序列17的設備，其中梳形頻譜的各條線包括穩定的載波包絡偏移頻率。這種設備以下將稱為用於產生自參照梳形頻譜的設備。設備1適於接收耦合模雷射器3的時間等距短雷射脈衝的未補償序列2。耦合模雷射器例如可以是鈦藍寶石雷射器或者鉺光纖雷射器。從頻域空間觀察時，短雷射脈衝的未補償序列2組成等距單線的梳形頻譜，等距單線也稱為模。梳形頻譜的單線具有頻率距離Δ f，該距離對應於耦合模雷射器3的諧振器中一個短脈衝的循環周期的倒數。但是，單線的頻率A並不是與短雷射脈衝的重複頻率 frep(frep = Af)對應的頻率距離Af的整數倍。相反，所有的單線包括額外的頻率偏移。 這種偏移頻率稱為載波包絡偏移(CEO)頻率f·。在並未藉助專用的控制機構進行穩定的耦合模雷射器中，載波包絡頻率偏移相對於時間並不恆定。這意味著載波包絡偏移頻率隨著時間發生波動。耦合模雷射器3中的各種環境影響因素(諸如例如溫度、泵浦性能變化、氣壓等)是導致這種情況的原因。用於產生自參照梳形頻譜的設備1的目的是穩定 (即，穩定地設置)因載波包絡偏移頻率引起的頻率偏移，並且優選將其補償到零或者另一預定值。為此，在圖1所示實施方式中，短雷射脈衝的未補償序列2的部分光耦合出來，耦合到光路分光鏡4處的f-to-2f幹涉儀5。如果短雷射脈衝的未補償序列2的梳形頻譜沒有跨越倍頻程，則進行梳形頻譜的頻率擴展。為此，例如，可以使用微結構光子晶體纖維。利用四波混合，可以在梳形頻譜中產生高低能線，其頻率fi也適用4 = i · Δ ·+ ··。通過這種方式，根據需要，可以產生跨越至少一個倍頻程的梳形頻譜。為了確定載波包絡偏移頻率，低能單線在光學元件中利用非線性光學作用倍頻，並與光敏檢測器5』上的梳形頻譜的高能(非倍頻)單線幹涉。梳形頻譜的高能單線的頻率是被倍頻的低能單線的頻率的大約兩倍。在光敏檢測器5』上檢測到頻率對應於載波包絡偏移頻率的差拍信號6，光敏檢測器5』例如可以是光二極體或者光倍增管(二次電子倍增器)。同樣，可以測量具有鏡像頻率4的差拍信號，該鏡像頻率對應於雷射器的重複頻率與載波包絡偏移頻率差和頻率，即fm = η · 士其中η =1、2…。由於載波包絡偏移頻率處於無線電頻率範圍，所以可以利用光敏檢測器5』直接測量。以這種方式獲得的差拍信號6供應給高頻濾波器7，該高頻濾波器優選設計成簡單的帶通濾波器。通過這種方式，從差拍信號分別選擇或導出載波包絡偏移頻率。f-to-2f幹涉儀5和高頻濾波器7聯合形成載波包絡偏移頻率確定單元8。該單元提供所謂的CEO信號 9作為電子輸出信號。在所有的附圖中，電子信號以虛線表示，而光信號以實線表示。CEO信號9供應給控制單元10。在圖示實施方式中，該控制單元包括放大器11，以產生用於聲光移頻器13的控制信號12。控制信號12是具有載波包絡偏移頻率f。E。(作為替代，鏡像頻率fm)的高頻信號。經過光路分光鏡4的短雷射脈衝的未補償序列2的一部分供應給聲光移頻器13。後者操作，以使以第一衍射級14發出的光偏移頻率量-Δ fs。這意味著短雷射脈衝序列2的梳形頻譜的單線的頻率各自降低的頻率為聲光移頻器13被驅動的頻率。由於控制信號12具有載波包絡偏移頻率f·，所以所有的單線降低的頻率正好為載波包絡偏移頻率。因此，單線各自以載波包絡偏移頻率進行精確補償，以使單線現在具有的頻率為重複頻率的整數倍。對於短雷射脈衝的經補償序列17的梳形頻譜的單線來說，適用4 = i · frep，其中i為自然數。短雷射脈衝序列2的第零衍射級15導向束霖止器16。以第一衍射級14從用於產生自參照梳形頻譜的設備1發出的短雷射脈衝的經補償序列17因此針對載波包絡偏移頻率進行了補償。這意味著賦予包絡和基礎電場之間的全部雷射脈衝恆定的相位關係。短雷射脈衝相應的經補償序列17可以供應給應用設備18。 應用設備可以是任何應用設備，例如光放大器。應用設備還可以是實施絕對頻率測量的分光結構。可以設想多種其他應用場合，例如，產生短雷射脈衝。圖2示意性地示出了用於產生自參照梳形頻譜的設備1的另一種實施方式。在所有的附圖中，相同的技術特徵賦予相同的附圖標記。根據圖2的實施方式不同於圖1所示實施方式之處在於，用於確定載波包絡偏移頻率f·的短雷射脈衝的未補償序列2的那一部分在遇到聲光移頻器13之前並不耦合出來。相反，第零衍射級經由反射鏡19導向CEO確定單元8的f-to-2f幹涉儀5。除此之外， 該實施方式與圖1的實施方式相同。該實施方式的優勢在於，可以更為有效地利用短雷射脈衝的未補償序列2中的可用功率。在如圖1和2的示意性圖示中，尚未考慮聲光移頻器13上的衍射作為波長的函數來發生。這意味著第一衍射級14中短雷射脈衝的經補償序列17的不同頻率部分以略微不同的方向從聲光移頻器13發出。這種情況在圖3a中簡略示出。為了補償這種也稱為空間線性調頻(chirp)的空間展開，設計為補償稜鏡20的角度色散元件在本例中插入圖北所示聲光移頻器13後方。補償稜鏡20優選直接定位在聲光移頻器13的後方，從而實現對短雷射脈衝的經補償序列17優選的良好補償效果。但是，採用這種方式的話，第零衍射級15 受到影響，使得其相對於不同頻率發生空間劈分。如果對第零衍射級15和第一衍射級14 都有光束同質性要求，則補償稜鏡20也可以定位在離聲光移頻器13較遠的距離，以使第零衍射級不再經過補償稜鏡。等於或類似於圖北所示的角度色散補償優選存在於圖1、2和4至6所示的全部實施方式中，但是在圖中為了簡化而並未示出。實際上，其他角度色散元件(諸如光柵或稜鏡)也可以用於單獨補償或者組合補償(也是結合稜鏡)。圖4示出了用於產生自參照梳形頻譜的設備1的另一種實施方式。它區別於圖2 所示的實施方式之處在於，CEO信號由以鎖相方式分別耦接到差拍信號6或者濾波差拍信號6』的振蕩器產生。為此，載波包絡偏移頻率確定單元8包括相位檢測器22以及比例積分控制器23，該比例積分控制器將設計為電壓控制型振蕩器的振蕩器21以鎖相方式分別耦接到差拍信號6或者濾波差拍信號6』。因此，CEO信號9的幅值經由鎖相環迴路進行穩定。因此，實現了設計更為穩定的聲光移頻器13以及降低短雷射脈衝的經補償序列17的噪聲。針對圖4所示的實施方式，要注意載波包絡偏移頻率確定單元8當然可以設計地類似於圖2所示的相應的載波包絡偏移頻率確定單元8。圖5是用於產生短雷射脈衝的經補償序列17的設備1的實施方式，其中短雷射脈
11衝的經補償序列17的梳形頻譜中的單線的載波包絡偏移頻率可以一致地預先選定。與圖3 或圖4實施方式不同的是，控制單元10設計成除了接收CEO信號9之外，還接收偏移頻率信號對，並在頻率混合單元25內進行偏移頻率信號M和CEO信號9的頻率混合。頻率混合單元25例如設計為頻率疊加器。但是，頻率混合單元25也可以是任何用於混合電子信號頻率的其他單元。頻率混合單元25的輸出信號傳輸經過設計為帶通濾波器的高頻濾波器沈，並隨後在放大器11中放大，從而產生控制信號12。偏移頻率信號M可以在振蕩器25中產生，該振蕩器也可以設計為頻率合成器。作為替代，頻率偏移信號M可以從未補償的短雷射脈衝序列2的重複頻率導出。(作為替代， 也可以從短雷射脈衝的經補償序列17導出)。為此，光路分光鏡27設置在光路中，它將短雷射脈衝序列2的光線的一部分耦接出，並將其導向另一個光敏檢測器觀。該另一個光敏檢測器觀實際上不能解決兆兆赫茲範圍內的電場振蕩，但是可以利用該另一個光敏檢測器觀來檢測耦合模雷射器的重複頻率f_，即短雷射脈衝序列2的單個脈衝。表示該重複頻率的重複信號四可以經由切分單元30轉化為偏移頻率信號M。切分單元30可以以頻率穩定方式相對於重複頻率進行任何合理的重複頻率切分。在短雷射脈衝序列2在聲光移頻器13處衍射過程中，可能出現色散群時延效應， 特別是在短雷射脈衝序列2中的單個雷射脈衝的脈寬小於IOOfs時。為了預先補償它們， 在圖6中示意性地示出了補償單元31。因此，短雷射脈衝的未補償序列2首先從光路耦合出來，並經過稜鏡結構32、33，然後在反射器34處被稜鏡33、32反射回來。在以簡化方式示出的補償單元31中，示出了兩個稜鏡32、33，它們是一系列稜鏡的代表。作為替代，可以使用一系列光柵和/或線性調頻反射鏡，或者稜鏡和/或光柵和/或線性調頻反射鏡的組合。它們布置成使負群時延色散疊加在短雷射脈衝序列2上。因此從補償單元31發出的短雷射脈衝序列2』在入射到聲光移頻器13之前，針對群時延色散進行了預先補償，以使發生在聲光移頻器13中的正群時延色散導致以第一衍射級14發出的短雷射脈衝經補償序列17(該序列17針對載波包絡偏移頻率被補償過)不會受到用於產生自參照梳形頻譜的設備1的群時延色散的不利影響。這意味著不會發生臨時脈衝展寬。對於本領域技術人員而言，在該實施方式中，導致第零衍射級也針對群時延色散進行了補償。在其它實施方式中，也可以在以第一和/或第零衍射級從聲光移頻器發出之後， 再進行針對群時延色散的補償。這種補償單元的構造類似於圖6所示。實際上，布置在聲光移頻器之後的補償單元31或者一個或數個類似補償單元可以添加到圖1、2、4和5任一所示的實施方式中。補償單元31在其他實施方式中未示出，僅僅是為了簡化和清晰的原因。同樣的布置適用於針對空間線性調頻的補償，空間線性調頻已經參照圖3a和北進行了描述。所示實施方式僅僅簡略示出。優選實施方式從纖維光學方面進行設計。這意味著單獨部件主要從纖維光學方面設計，並且可以拼接成纖維光學結構。這涉及分別示出的單元，諸如載波包絡偏移頻率確定單元8、聲光移頻器13、用於導出偏移頻率以達到使其來自短雷射脈衝序列2的重複頻率的程度的單元、或者用於補償聲光移頻器中的群時延色散的補償單元31。在附圖中，用於產生自參照梳形頻譜的設備1已經描述為與耦合模雷射器3分開設計的自持設備。本領域技術人員理解，耦合模雷射器3 (特別是在光纖結構的情況下)可以整合在該設備中。特別是在這種實施方式中，雷射器3優選設計成使得載波包絡偏移頻率是或者可以在各耦合模雷射器的諧振器中經由一個或者數個為了簡化而稱為色散適配裝置3』的色散元件，粗略地適配針對載波包絡偏移頻率進行補償的聲光移頻器13的中段頻率。色散適配裝置3』例如可以包括稜鏡，特別是楔形稜鏡。作為替代，聲光移頻器13可以選擇地相應適配雷射器3的載波包絡偏移頻率。但是，由於載波包絡偏移頻率取決於影響耦合模雷射器的諧振器中的光學元件的多種環境影響因素，所以優選在各耦合模雷射器中進行粗略的載波包絡偏移頻率的適配。但是，這種適配並不是以受控的方式或連續控制的方式進行，而是僅需要進行一次，或者在較長的時間間隔中環境條件劇烈變化的情況下進行。載波包絡偏移頻率優選選擇地讓其對應於^^ · frep。這樣保證了載波包絡偏移
頻率作為差拍信號可以可靠地區別於同樣出現的鏡像頻率並區別於出現在差拍信號中的其他頻率，或者可以識別，並且利用簡單的高頻濾波器進行隔離。本發明的特別優勢包括，不需要引入影響諧振器機械部件或者雷射活性介質泵浦性能的控制器。相反，針對載波包絡偏移頻率的補償完全單獨地進行(除了將載波包絡偏移頻率粗略地適配聲光移頻器的頻率之外，如上所述)，而與耦合模雷射器的操作無關。 這樣使得提供自參照梳形頻譜的整個設備的結構更簡單、更節省成本。特別的優勢進一步包括載波包絡偏移頻率可以補償到零，這對於許多應用場合來說是必須的或者至少是具有優勢的。應該理解，光學結構的一些具體細節尚未提及，但是本領域技術人員一般都熟知這些具體細節。這些內容可能包括反射鏡、半波板、偏振濾波器等，從而允許在該設備的各個單元中進行優化光束控制。
權利要求
1.一種用於產生時間等距短雷射脈衝的的經補償序列(17)的方法，所述短雷射脈衝的梳形頻譜包括等距單線，所述單線的載波包絡偏移頻率(f·)被調節到預定的值，所述方法包括步驟接收時間等距短雷射脈衝的未補償序列(2)；確定CEO信號(9)，該CEO信號的頻率對應於所述等距短雷射脈衝的未補償序列(2)的梳形頻譜中的單線的載波包絡偏移頻率；利用從所述CEO信號(9)得到的控制信號(1 控制聲光移頻器(1 ；和將短雷射脈衝的未補償序列( 導向所述聲光移頻器(13)，從而以第一衍射級產生時間等距短雷射脈衝的經補償序列(17)，其中相關梳形頻譜的單線被偏移所述控制信號的頻率(fs)。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，被放大的所述CEO信號(9)用作所述控制信號(12)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，為了確定所述CEO信號(9)，所述短雷射脈衝的未補償序列O)的一部分被導入f-to-2f幹涉儀(5)。
4.如前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，所述CEO信號(9)從所述f-to-2f 幹涉儀(5)的差拍信號(6)得出。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，得出所述CEO信號(9)包括對所述差拍信號 (6)進行頻率濾波。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，以鎖相方式耦接到所述差拍信號(6)或者經濾波的差拍信號(6』)的振蕩器特別是電壓控制的振蕩器的信號用作所述CEO信號(9)。
7.如權利要求1至5任一項所述的方法，其特徵在於，通過包括偏移頻率的偏移頻率信號04)與所述CEO信號(9)進行頻率混合而產生所述控制信號(12)。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，從所述短雷射脈衝序列(2)的電子轉換信號得出所述偏移頻率信號(M)，特別在於，在光敏檢測器08)處產生的重複信號09)受到電子頻率切分。
9.如前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，所述短雷射脈衝的未補償序列 (2)和/或所述聲光移頻器的第一衍射級和/或第零衍射級經由一系列稜鏡(32、3；3)和/ 或光柵和/或線性調頻反射鏡傳輸，從而補償所述聲光移頻器(1 的群時延色散，所述一系列稜鏡(32、33)和/或光柵和/或線性調頻反射鏡疊加適於所述聲光移頻器(13)的群時延色散的負群時延色散。
10.如前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，以第一衍射級(14)從所述聲光移頻器(1 發出的至少所述短脈衝的經補償序列(17)經由一個或數個角度色散元件例如稜鏡OO)傳輸，從而補償因聲光移頻器(13)中取決于波長的衍射而發生的空間線性調頻脈衝。
11.如前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，進行聲光移頻器(1 的中段頻率與時間等距短雷射脈衝的未補償序列( 的梳形頻譜的單線的CEO頻率(f。TO)的粗略適配，特別是通過在產生時間等距短雷射脈衝的未補償序列( 的雷射器(3)的諧振器中進行色散適配。
12.如前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，所述雷射器(3)的CEO頻率 (2η + \λ被調節為大約一7 _/@，其中11 = 0、1、2-，並且『是雷射脈衝的重複頻率。
13.如權利要求1至10任一項所述的方法，其特徵在於，所述載波包絡偏移頻率被調節為零值。
14.一種從時間等距短雷射脈衝的未補償序列( 產生時間等距短雷射脈衝的經補償序列(17)的設備(1)，所述短雷射脈衝的梳形頻譜包括等距單線，所述單線的載波包絡偏移頻率被調節為預定值，所述設備包括載波包絡偏移頻率確定單元(8)，用於產生電子CEO信號(9)，該CEO信號的頻率對應於所述短雷射脈衝的未補償序列( 的梳形頻譜中的單線的載波包絡偏移頻率(f。ro)；控制單元(10)，所述控制單元耦接到所述載波包絡偏移頻率確定單元(8)並從所述 CEO信號(9)得到控制信號(12)；和聲光移頻器(13)，所述聲光移頻器布置在所述短雷射脈衝的未補償序列O)的光路中並受到所述控制信號(12)的控制並且布置成作為線性移頻器操作，以使以第一衍射級 (14)發出所述時間等距短雷射脈衝的經補償序列(17)，其中相關梳形頻譜的單線偏移所述控制信號(12)的頻率(fs)。
15.如權利要求14所述的設備(1)，其特徵在於，所述控制單元(10)包括放大器(11)， 所述放大器的輸出信號用作控制信號(12)。
16.如權利要求14或15所述的設備(1)，其特徵在於，所述載波包絡偏移頻率確定單元(8)包括f-to-2f幹涉儀( 和光敏檢測器(5』)，所述光敏檢測器接收差拍信號(6)，從所述差拍信號(6)得出所述CEO信號(9)。
17.如權利要求16所述的設備(1)，其特徵在於，所述載波包絡偏移頻率確定單元(8) 包括高頻濾波器(7)，以便對所述差拍信號(6)濾波，並且產生經濾波差拍信號(6』)，從所述經濾波差拍信號(6』 )得出所述CEO信號(9)。
18.如權利要求16或17所述的設備(1)，其特徵在於，所述載波包絡偏移頻率確定單元(8)包括振蕩器(21)，特別是電壓控制的振蕩器，所述振蕩器的輸出信號用作所述CEO信號(9)，其中所述振蕩器經由耦接電路以鎖相方式耦接到所述差拍信號(6)或者所述經濾波差拍信號(6，)。
19.如權利要求14至18任一項所述的設備(1)，其特徵在於，所述控制單元(10)設計成接收偏移頻率信號(M)，並包括頻率混合單元(25)，以通過所述偏移頻率信號04)與所述CEO信號(9)進行頻率混合而產生所述控制信號(12)。
20.如權利要求19所述的設備(1)，其特徵在於，提供另一光敏檢測器( )，用於從所述短雷射脈衝序列( 產生表示所述短雷射脈衝的重複頻率(f_)的電子重複信號09)； 並提供切分單元(30)，用於通過切分所述電子重複信號09)來得出所述偏移頻率信號 04)。
21.如權利要求14至20任一項所述的設備(1)，其特徵在於，一個或數個系列稜鏡 (32,33)和/或光柵和/或線性調頻脈衝反射鏡布置在所述短雷射脈衝的未補償序列(2) 的光路和/或所述聲光移頻器(1 的第一衍射級和/或第零衍射級中以使適配於所述聲光移頻器(1 的群時延色散的負群時延色散疊加在所述短雷射脈衝的未補償序列(2)和/或所述聲光移頻器的第一衍射級和/或第零衍射級上，從而補償所述聲光移頻器(13)的群時延色散。
22.如權利要求14至21任一項所述的設備(1)，其特徵在於，至少一個角度色散元件， 例如補償稜鏡(20)，相對於所述聲光移頻器(1 布置，以使以第一衍射級(14)發出的至少所述時間等距短雷射脈衝的經補償序列(17)經由所述角度色散元件傳輸，從而補償因聲光移頻器(13)中取決于波長的衍射而導致的空間線性調頻脈衝。
23.如權利要求14至22任一項所述的設備(1)，其特徵在於，耦合模雷射器C3)產生所述時間等距短雷射脈衝的未補償序列O)，其中所述雷射器C3)包括至少一個色散適配設備(3』)，從而將所述時間等距短雷射脈衝的所述未補償序列O)的梳形頻譜的單線的CEO 頻率(f·)以非受控方式粗略地適配所述聲光移頻器(1 的中段頻率。
24.如權利要求14至23任一項所述的設備(1)，其特徵在於，所述時間等距短雷射脈衝的所述未補償序列(2)的梳形頻譜的單線的CEO頻率(f。TO)從所述中段頻率偏離量小於所述聲光移頻器(1 的帶寬的50%，在所述偏離量範圍內可以進行聲光移頻器的中段頻率(14)的頻率偏移。
25.如權利要求14至M任一項所述的設備(1)，其特徵在於，可以得出所述控制信號 (12)，使得所述時間等距短雷射脈衝的經補償序列(17)的梳形頻譜的等距單線的載波包絡偏移頻率設置為零值。
全文摘要
本發明涉及一種方法和設備(1)，藉此相對於相關梳形頻譜中所包含的單線的載波包絡偏移頻率補償耦合模雷射器(3)的短雷射脈衝序列(2、2)。本發明的目的是確定載波包絡偏移頻率並利用所述頻率來操作聲光移頻器(13)。在所述移頻器中，時間等距短雷射脈衝的未補償序列以第一級發生衍射，以使梳形頻譜的單線偏移載波包絡偏移頻率。產生的短雷射脈衝的經補償序列具有梳形頻譜，其單線是短雷射脈衝序列的單個光脈衝的重複頻率的整數倍。
文檔編號G02F1/33GK102265214SQ200980148560
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者克裡斯蒂安·格雷賓, 塞巴斯蒂安·科克, 金特·施泰因邁爾 申請人:費姆託雷射產品股份有限公司