基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器。本发明专利技术提出通过经声光调制器进行调制发生移频的1级衍射光与未经调制的0级衍射光进行外差干涉，利用不同波长的干涉信号混频后得到的直流电平锁定脉冲包络对准，并利用干涉信号相位锁定光频梳载波包络偏移频率，本发明专利技术无非线性过程，不需使用高非线性光纤和倍频晶体等器件，系统结构简单，对激光能量要求不高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，涉及激光测量

技术介绍
飞秒激光是一种超短脉冲激光，其时域脉冲宽度在飞秒(10-15s)数量级。飞秒激光诞生以来，由于其脉冲宽度短、峰值功率高、并可靠地提供了光频域与射频域的联系途径，因此得到了广泛的研究和应用，所涉及的领域包括精密距离测量、光谱测量、频率基准、天文光谱校准、超快过程观测、飞秒激光加工等。飞秒激光频率梳在频域上由等距分布的梳齿状谱线组成，各谱线对应的频率可表示为fn＝nfrep+fceo，其中，n为梳齿序数(正整数)，frep为飞秒脉冲的重复频率(简称“重频”)，fceo为载波包络偏移频率(简称“偏频”)。在很多应用场合，要求飞秒激光频率梳的每根谱线的频率保持恒定，即要锁定频率梳各谱线的绝对频率，则此时需同时锁定重频frep和偏频fceo。传统锁定偏频的方法为f-2f法，该方法通过非线性晶体对飞秒激光进行倍频，倍频前后的位于同一频率处的谱线发生干涉，可以从干涉信号中检测偏频并进行锁定。f-2f需要飞秒激光频谱宽度超过一个倍频程，往往需要使用高非线性光纤等对激光进行扩谱展宽的预处理，提高了系统的复杂程度和光路搭建难度；此外该方法使用非线性晶体进行倍频，要求激光脉冲有足够大的能量，因此该方法也难以应用于低能量的飞秒激光器，或必须预先对飞秒激光脉冲能量进行放大，进一步提高了系统的复杂程度。因此，传统的f-2f偏频锁定方法具有一定的局限性。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种对激光能量和频谱宽度要求不高，可达到较高锁定精度的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器；飞秒激光光源系统锁定重复频率后将激光发射到声光调制器；未经声光调制器调制的0级衍射光经一半波片进入可控光程延迟装置，可控光程延迟装置对0级衍射光产生可控的光程延迟，并将光程延迟后的0级衍射光发射到分光棱镜；经声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一四分之一波片发射到分光棱镜；0级衍射光与1级衍射光在分光棱镜处合光发生外差干涉；经分光棱镜分光后的一路光束分成
两束光，两束光分别经一探测光路发送到相位差电压转换装置，相位差电压转换装置将输出的电压信号发送到PID控制器用于反馈控制可控光程延迟装置以锁定光程差；经分光棱镜分光后的另一路光束发射到第一光电探测器，第一光电探测器将探测的信号发送到锁相放大器，探测其相位，该相位信号在0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程已锁定的基础上反馈控制飞秒激光光源系统以锁定偏频。优选地，可控光程延迟装置包括一长光纤及一光纤移相器或一压电陶瓷；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，经长光纤出射的0级衍射光发射到分光棱镜，其中，光纤移相器或压电陶瓷经PID控制器微调长光纤的总光程。优选地，可控光程延迟装置还包括一法拉第镜；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，并经设置在长光纤出射端的法拉第镜反射后原光路返回反射到分光棱镜。优选地，还包括一用于放置可控光程延迟装置的温控箱，温控箱通过PID控制器进行温度调节，以补偿环境因素导致的长程漂移。优选地，可控光程延迟装置采用一个通过压电陶瓷调节的平面镜将未经声光调制器调制的0级衍射光发射到分光棱镜。优选地，每一探测光路均包括一带通滤波片、一光电探测器和一低通滤波器，经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别带通滤波片、光电探测器和低通滤波器发送到相位差电压转换装置将两探测光路输出的正弦交流信号的相位差转换为电压信号。优选地，相位差电压转换装置采用一混频器和一低通滤波器、锁相放大器或模拟鉴相器。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术提出通过经声光调制器进行调制发生移频的1级衍射光与未经调制的0级衍射光进行外差干涉，利用不同波长的干涉信号混频后得到的直流电平锁定脉冲包络对准，并利用干涉信号相位锁定光频梳载波包络偏移频率，本专利技术无非线性过程，不需使用高非线性光纤和倍频晶体等器件，结构简单，且对激光能量要求不高。2、本专利技术不需要飞秒激光有超过一个倍频程的光谱宽度，适用于各种频谱宽度的飞秒激光器，系统中采用外差干涉方法获得交流干涉信号，对信号强度即激光强度的波动变化不敏感，可达到较高的锁定精度。本专利技术可以广泛应用于飞秒激光频率梳偏移频率锁定。附图说明图1是本专利技术飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的结构示意图；图2是本专利技术飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的第二种结构示意图；图3是本专利技术飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的第三种结构示意图；图4是本专利技术飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统的第四种结构示意图；图5是本专利技术直流电压U归一化后与光程差Δ的关系示意图。具体实施方式以下结合附图来对本专利技术进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，它们不应该理解成对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。如图1所示，本实施例提供的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，包括一个飞秒激光光源系统L、一个偏振片P、三个半波片、一个声光调制器AOM、两个偏振分光棱镜、一个PID控制器、四个低通滤波器、三个光电探测器、一个混频器Mixer、两个带通滤波片、一个锁相放大器SX、一个四分之一波片QWP、一个分光棱镜BS、一个平面镜M、一个长光纤F、一光纤移相器YX和一个法拉第镜FM。飞秒激光光源系统L采用飞秒激光频率梳并锁定重频，本实施例中的飞秒激光频率梳的中心波长为1560nm，重复频率为56MHz，通过原子钟锁定，光谱宽度为60nm，以此为例，但是不限于此。飞秒激光频率梳发出的激光通过一光纤导出后并经一准直透镜发射到偏振片P成为线偏振光，线偏振光发射到第一半波片HWP1旋转偏振方向发射到声光调制器AOM，采用第一半波片HWP1的目的是为了使声光调制器AOM的衍射效率达到最大。未经声光调制器AOM调制的0级衍射光保持原光路方向传播，0级衍射光的频率与飞秒激光频率梳的光频率相同；0级衍射光经第二半波片HWP2调节偏振方向发射到第一偏振分光棱镜PBS1，经第一偏振分光棱镜PBS1全部透射的0级衍射光可以经一准直透镜Z耦合进入长光纤F，并经设置在长光纤F出射端的法拉第镜FM反射后原光路返回，法拉第镜FM的作用是使光偏振方向旋转90°后沿长光纤F原路返回，以抵消光在单模光纤中传播产生的偏振状态不稳定的情况，0级衍射光经第一偏振分光棱镜PBS1全部反射到分光棱镜BS，其中，光纤移相器YX经PID控制器通过电压微调长光纤F的总光程(一般在几微米到几十微米量级)。经声光调制器AOM调制的1级衍射光以某个调制角度发射到四分之一波片QWP调整为圆偏振光，圆偏振光经平面反射镜M反射到分光棱镜BS；1级衍射光的频率相对于飞秒激光频率梳发生改变，改变量与声光调制器AOM所加的射频信号频率fAOM相等，本实施例中fAOM＝65MHz，以此为例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器；飞秒激光光源系统锁定重复频率后将激光发射到声光调制器；未经声光调制器调制的0级衍射光经一半波片进入可控光程延迟装置，可控光程延迟装置对0级衍射光产生可控的光程延迟，并将光程延迟后的0级衍射光发射到分光棱镜；经声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一四分之一波片发射到分光棱镜；0级衍射光与1级衍射光在分光棱镜处合光发生外差干涉；经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别经一探测光路发送到相位差电压转换装置，相位差电压转换装置将输出的电压信号发送到PID控制器用于反馈控制可控光程延迟装置以锁定光程差；经分光棱镜分光后的另一路光束发射到第一光电探测器，第一光电探测器将探测的信号发送到锁相放大器，探测其相位，该相位信号在0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程已锁定的基础上反馈控制飞秒激光光源系统以锁定偏频。

【技术特征摘要】
1.一种基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、声光调制器、可控光程延迟装置、分光棱镜、第一光电探测器、锁相放大器、相位差电压转换装置和PID控制器；飞秒激光光源系统锁定重复频率后将激光发射到声光调制器；未经声光调制器调制的0级衍射光经一半波片进入可控光程延迟装置，可控光程延迟装置对0级衍射光产生可控的光程延迟，并将光程延迟后的0级衍射光发射到分光棱镜；经声光调制器调制的1级衍射光以某个调制角度经一四分之一波片发射到分光棱镜；0级衍射光与1级衍射光在分光棱镜处合光发生外差干涉；经分光棱镜分光后的一路光束分成两束光，两束光分别经一探测光路发送到相位差电压转换装置，相位差电压转换装置将输出的电压信号发送到PID控制器用于反馈控制可控光程延迟装置以锁定光程差；经分光棱镜分光后的另一路光束发射到第一光电探测器，第一光电探测器将探测的信号发送到锁相放大器，探测其相位，该相位信号在0级衍射光相对1级衍射光的延迟光程已锁定的基础上反馈控制飞秒激光光源系统以锁定偏频。2.如权利要求1所述的基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统，其特征在于，可控光程延迟装置包括一长光纤及一光纤移相器或一压电陶瓷；未经声光调制器调制的0级衍射光耦合进入长光纤，经长光纤出射的0级衍射光发射到分光棱镜，其中，光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓声，胡明皓，吴冠豪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11