具有载波包络偏移频率检测的光学频率梳发生器制造技术

本发明专利技术提供了用于利用锁模激光器中的自生成光学谐波进行光学频率梳生成的系统和方法，用于检测载波包络偏移频率。锁模激光器输出光学频率梳和谐波输出。谐波输出提供光外差，从而产生可检测的拍音。载波包络偏移频率检测器检测拍音并产生光学频率梳信号。该信号可用于稳定光学频率梳输出。

Optical Frequency Comb Generator with Carrier Envelope Offset Frequency Detection

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有载波包络偏移频率检测的光学频率梳发生器
本公开涉及一种具有载波包络偏移频率检测的新型光学频率梳发生器。更具体地，实施例可以同时提供锁模激光制式下的光学频率梳产生，并使用具有高非线性特性的多晶激光材料提供光学谐波。消除了非线性频率转换晶体，从而简化了载波包络偏移频率检测。
技术介绍
最近出现的光学频率梳已经彻底改变了光谱学、计量学、计时学领域，【参见例如T.W.的“Nobellecture：Passionforprecision”，Rev.Mod.Phys.78，1297(2006)以及J.L.Hall的“Nobellecture：Definingandmeasuringopticalfrequencies”，Rev.Mod.Phys.78，1279(2006)】。目前，绝大多数光学频率梳都是基于锁模飞秒激光器的。锁模飞秒激光器(以下称为“fs振荡器”)输出由周期性的短光脉冲串组成。出于本公开的目的，基础fs振荡器输出频率可以被称为f，倍频输出可以被称为2f，三倍频输出可以被称为3f等。如图1A所示，由锁模飞秒激光器发射的光脉冲串：载波光波(实线)由脉冲重复频率frep的周期性脉冲包络(虚线)调制。在该示例中还示出了的脉冲间载波包络相位迁移(phaseslip)。参考图1B，等效频域表示(图1A的信号的傅立叶变换)示出了具有共同的梳偏移的等间隔光谱分量的梳。fs振荡器的经时间平均的频域输出由简单公式fn＝n×frep+fCEO描述，其中n是积分模式指数。如果测量和控制参数frep和fCEO，则fs振荡器的光输出被分类为频率梳。测量和控制frep的技术现已得到很好的发展。另一方面，仅在1999年才提出了测量和控制fs振荡器的fCEO的可靠方法。通常，这些技术被称为非线性干涉法，因为它们基于基频梳(f)与其二阶谐波(2f)的外差(f-2f干涉法)或基于基频梳(f)与不同频率生成的外差(0-f干涉法)，或基于两个相邻光学谐波(例如，2f-3f干涉法)的外差。测量fCEO的关键先决条件是：(i)两个梳的光谱重叠，(ii)两个梳的空间重叠，以及(iii)两个梳的时间重叠。非线性干涉仪的通用方案满足了针对fCEO检测的这些先决条件。先决条件(i)通过使用具有较宽光谱基频梳的fs振荡器或通过使用用于基频梳的光谱展宽(SB)的附加器件(例如，专门设计的光纤)来实现。图2示出了f-2f干涉法中的光谱重叠。上方曲线示出了基频梳，包括光谱分量fn＝fCEO+nfrep及其倍频程f2n＝fCEO+2nfrep。下方曲线示出了倍频梳，包括光谱分量2fn＝2fCEO+2nfrep。可测量的fCEO被示出为倍频程频率和满足光谱重叠的先决条件(i)的倍频率之间的增量。对于非线性干涉法的其他情况可以进行类似的考虑。图3示出了非线性干涉仪，其中fs振荡器产生可以使用SB来加宽的基频梳。然后，用分束器BS将基频梳划分为两部分，并通过非线性干涉仪的两个支路进行发送。每个支路可以包含用于将基频梳f非线性转换为其n阶光学谐波的器件，一个支路中为nf且另一支路中为相邻谐波(n-1)f。在f-2f干涉法的最简单的情况下，一个针对二阶谐波的非线性转换器是足够的。然后，使用第二分束器BS重新组合干涉仪的两个支路，并且满足空间重叠的先决条件(ii)。通过使用光学延迟OD按要求将相对光程差调节为零来满足时间重叠的先决条件(iii)。在满足三个先决条件的情况下，两个梳被叠加，并且两个叠加的梳引起幅度调制，该幅度调制可用适当的光电探测器PD检测为拍音【参见H.R.Telle、G.Steinmeyer、A.E.Dunlop、J.Stenger、D.H.Sutter和U.Keller“Carrier-envelopeoffsetphasecontrol：Anovelconceptforabsoluteopticalfrequencymeasurementandultrashortpulsegeneration”，Appl.Phys.B69，327(1999)】。可以采用可选的光谱滤波器F来改善拍音的质量。通过非线性干涉法进行fCEO检测的技术现已得到很好地确认【参见B.Borchers的“PushingFrontiersinCarrier-EnvelopePhaseStabilizationofUltrashortLaserPulses”，Ph.DthesisHumboldt-zuBerlin(2014)URLhttp://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/borchers-bastian-2014-10-17/PDF/borchers.pdf；和S.A.Diddams的“Theevolvingopticalfrequencycomb[Invited]，J.Opt.Soc.Am.B，27(11)，B51(2010)】。fCEO检测的干涉设置通常或多或少地共享共同的缺点：对外部噪声敏感(干涉仪必须被免于空气条纹、声学噪声、机械振动、热漂移等)、对光学对准敏感(干涉仪可能需要维护)、光功耗(干涉仪消耗fs振荡器的宝贵输出的很大一部分)、干涉设置的高复杂性、高成本和庞大性。改进多支路干涉仪的尝试包括：使用非线性晶体进行内联频率转换从而产生同轴谐波分量、差频产生和内联差频产生，所有这些都是在非线性晶体的情况下。所有这些配置(包括多支路和内联配置)使用至少一个腔外非线性转换光学元件，并且在需要时，在频率转换之前对基频梳进行光谱展宽。因此，光学频率梳的许多重要变体仍然局限于实验室中，因此在现实生活中的应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有锁模激光器和载波包络偏移频率检测器的光学频率梳产生。锁模激光器在基频谱内振荡，并同时产生光学频率梳输出和外差输出，外差输出包括来自辅助光学频率梳的光谱分量。辅助梳包括基础光学频率梳的谐波。载波包络偏移频率检测器检测光学外差并产生与载波包络偏移频率对应的信号。在至少一个实施例中，载波包络偏移频率检测器检测与载波包络偏移频率相对应的拍音频率，并提供用于稳定光学频率梳输出的信号。辅助光学频率梳的光谱重叠可以设置有光谱展宽元件，并且光谱滤波可以设置有滤波元件。在至少一个实施例中，锁模激光器利用泵浦源和飞秒(fs)振荡器，并且激光介质是非线性激光介质，该非线性激光介质产生光学频率梳输出并同时自生成至少一个光学谐波。fs振荡器可以是中红外克尔透镜锁模fs振荡器，其利用TM：II-VI型激光材料，该TM：II-VI型激光材料具有较高的二阶和三阶非线性和多晶结构。TM：II-VI型激光材料可以通过随机准相位匹配过程提供三波混频。fs振荡器可以包括谐振腔，该谐振腔适于增大在一个或多个光学谐波处的输出。本专利技术还提供一种锁模激光器中的光学频率梳方法，该锁模激光器具有光学频率梳输出和外差输出，该方法包括：利用锁模激光器同时产生光学频率梳输出和外差输出；检测外差输出中的辅助光学频率梳的光谱分量之间的拍音；以及基于检测到的拍音，产生与载波包络偏移频率对应的信号。本专利技术还提供了一种在具有自生谐波输出的基于克尔透镜锁模中红外多晶Cr：ZnS振荡器的激光系统中检测载波包络偏移频率的方法，该方法包括：直接在Cr：ZnS材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学频率梳发生器系统，包括：锁模激光器，所述锁模激光器在基本光学频率梳光谱内振荡并同时产生光学频率梳输出和外差输出，所述外差输出包括来自第一辅助光学频率梳的第一光谱分量和来自第二辅助光学频率梳的第二光谱分量，所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳中的至少一个包括基础光学频率梳的光学谐波，所述光学频率梳输出的特征在于载波包络偏移频率，其中，所述锁模激光器包括激光泵浦源和飞秒fs振荡器；以及载波包络偏移频率检测器，被配置为接收和检测所述第一光谱分量和所述第二光谱分量，其中，所述载波包络偏移频率检测器还被配置为产生与所述载波包络偏移频率对应的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.05 US 62/442,6291.一种光学频率梳发生器系统，包括：锁模激光器，所述锁模激光器在基本光学频率梳光谱内振荡并同时产生光学频率梳输出和外差输出，所述外差输出包括来自第一辅助光学频率梳的第一光谱分量和来自第二辅助光学频率梳的第二光谱分量，所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳中的至少一个包括基础光学频率梳的光学谐波，所述光学频率梳输出的特征在于载波包络偏移频率，其中，所述锁模激光器包括激光泵浦源和飞秒fs振荡器；以及载波包络偏移频率检测器，被配置为接收和检测所述第一光谱分量和所述第二光谱分量，其中，所述载波包络偏移频率检测器还被配置为产生与所述载波包络偏移频率对应的信号。2.根据上述权利要求之一所述的系统，所述fs振荡器被配置有非线性激光介质，其中，所述锁模激光器产生所述光学频率梳输出，并在所述非线性激光介质中自生成至少一个光学谐波。3.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，所述锁模激光器操作使得所述激光输出还包括光外差，所述光外差具有与所述载波包络偏移频率相对应的拍音频率，其中，所述载波包络偏移频率检测器检测所述载波包络偏移频率。4.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳部分地光谱重叠。5.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳包括基波光学频率梳和任何其他谐波光学频率梳。6.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳包括任何两个不同的谐波光学频率梳。7.根据上述权利要求之一所述的系统，还包括：至少一个光谱展宽元件，操作为展宽所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳中的至少一个，使得所述第一辅助光学频率梳和所述第二辅助光学频率梳重叠，其中，所述光谱展宽元件位于所述fs振荡器与所述载波包络偏移频...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢尔盖·瓦西里夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US