高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及激光技术以及光电控制技术领域，公开了高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法，该系统包括：单腔多梳脉冲振荡器、频率探测模块和频率反馈控制模块，所述单腔多梳脉冲振荡器用于输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串；所述频率探测模块用于对锁模脉冲串的频率分别同时进行探测，并输出电信号；所述频率反馈控制模块用于将频率探测模块的电信号进行规范处理，然后输送至单腔多梳脉冲振荡器中的频率响应点，控制频率响应点应变，实现对锁模脉冲串的频率(重复频率、重复频率差、载波包络偏移频率)进行反馈控制。本发明专利技术的方法及系统，能够解决多光梳激光器频率漂移的问题，实现对多种频率的精确控制与稳定。与稳定。与稳定。

【技术实现步骤摘要】
高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及激光技术以及光电控制
，具体涉及高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法。

技术介绍

[0002]光频梳技术的出现为精确的光学测量提供了新的解决方案，是2005年诺贝尔物理学奖获得者的重要成果。光频梳通常基于锁模脉冲激光器实现，其在频域中显示为等频率间隔(激光器重复频率)的一系列频率分量，在时域上为等时间隔的脉冲串。光频梳技术已经被广泛应用在光谱技术中，其中，基于多光梳的相干光谱技术具有采集时间快、灵敏度高、分辨率精度高等优点，已经展现出巨大的应用潜力。
[0003]对于多光梳光谱技术而言，传统的做法是依赖多台独立且具有一定重频差的锁模脉冲激光器，通过复杂且专业的光电转化及探测技术将它们的频率信息锁定，从而实现多光梳光源。整个系统庞大且复杂，专业且脆弱，不利于多光梳光谱技术的发展推广。
[0004]近年来，研究人员专利技术了一种多波长激光器，可以极大简化多光梳光源的实现。以双波长激光器为例，顾名思义，双波长锁模脉冲激光器即一台激光器可以同时输出两个不同波长(λ1和λ2)的锁模脉冲，且不同波长的锁模脉冲具有不同的重复频率(f1和f2,f1≠f2，f1
‑
f2＝Δf)。双波长激光器通常基于一个公共的谐振腔实现，其共模噪声被有效抑制，两个波长脉冲之间的相干性极大提高，f1和f2的变化趋势一致，Δf(重频差)在一个很小范围抖动(Hz量级)；不同波长脉冲串对应的载波包络偏移频率(carrier envelope offset frequency,fceo)fceo1和fceo2的变化也相对跟随，位置不固定，两者的差值Δfceo存在一定的抖动。因此，对于这种多光梳激光器，如何实现其所有频率的精确控制与稳定，是实现高精度多光梳光源的关键因素。

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供高精度单腔多梳频率测量控制系统及方法，能够解决多光梳激光器频率漂移的问题，实现对多种频率的精确控制与稳定。
[0006]本专利技术提供的技术方案为：高精度单腔多梳频率测量控制系统，包括：单腔多梳脉冲振荡器、频率探测模块和频率反馈控制模块，所述单腔多梳脉冲振荡器包括激光器、输出端口和频率响应点，所述激光器用于输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串，所述输出端口用于将锁模脉冲串按激光波长分束后传送至频率探测模块，所述频率响应点用于对频率反馈控制模块处理的电信号进行响应，实现对各频率信号的分别锁定；所述频率探测模块用于对锁模脉冲串的频率分别同时进行探测，并输出电信号；所述频率反馈控制模块用于将频率探测模块的电信号进行规范处理，然后输送至单腔多梳脉冲振荡器中的频率响应点，控制频率响应点应变，实现对锁模脉冲串的频率进行反馈控制。
[0007]本专利技术的工作原理及优点在于：对于单腔多梳脉冲振荡器输出的若干重复频率并具有一定差值的锁模脉冲串(不同波长对应不同的重复频率及载波包络偏移频率)，通过频
率探测模块实现对其输出各个锁模脉冲串的同时探测，并输出电信号。通过频率反馈控制模块进行反馈和控制脉冲振荡器内设置的频率响应点，以实现对其输出双波长脉冲串的各频率信号的稳定控制，解决了多光梳激光器频率漂移的问题，实现对多种频率的精确控制与稳定。频率稳定的单腔多梳光源可以作为高稳定性、高互相干性以及户外可用的超快光梳光源，用于高精度距离探测，高精度光谱测量，高速光纤通讯，高精度频率度量学等应用领域。
[0008]进一步，所述单腔多梳脉冲振荡器为双波长脉冲振荡器，所述频率响应点包括重复频率响应点、重频差响应点和载波包络偏移频率差响应点，各频率响应点不互相串扰。
[0009]对于任意的锁模脉冲激光器而言，重复频率可以由如下公式表征：
[0010][0011]其中c为光速，n为介质折射率，L为腔长。因此，影响重复频率的因素包括总体腔长以及折射率。
[0012]同时由于激光腔内部色散介质中相速度和群速度之间的差异，脉冲包络相对于载波相位在脉冲之间漂移，从而导致频率梳的整体偏移，名为载波包络偏移频率(fceo)，相应地，光学模式的频率为：
[0013]f
n
＝fceo+N*f
[0014]其中n是光频、射频之间的转换系数。可见，实现f和fceo的精确控制和锁定就可以直接实现一台高精度的光学频率梳。
[0015]对于双波长激光器而言，由于腔内存在两个波长的脉冲串振荡，重复频率f1不等于f2，存在重复频率差(重频差)：
[0016][0017]其中，D为腔内的平均色散，Δλ为波长差，L为腔长，为两路光梳的平均重复周期。其中，D、L和Δλ是影响重频差Δf的三个关键因素。此外，L同时又是影响激光器重复频率(f1或f2)的关键因素。因此，简单地对激光器腔长L进行控制的话，只能实现对其中某一路脉冲重复频率的精确控制，难以同时锁定双波长激光器的所有重频信息。此外，如果在对重复频率和重频差锁定是都对L进行反馈控制，无疑会对两个锁定信号产生串扰，导致二者都不能锁定。因此，如果采用控制L的方法来锁定双波长激光器的某一路重复频率，对重频差的锁定只能对D或者Δλ进行反馈控制，才能实现一种所有重复频率信息稳定的双波长光梳源。
[0018]此外，由于两路脉冲存在一定微小的重复频率差，两路脉冲所经过腔内的路径并不完全相同，因此载波包络偏移频率也有一定的抖动。两个波长的脉冲串的载波包络偏移频率分别记为fceo1以及fceo2，他们的差值记为Δfceo。对fceo1以及fceo2分别进行控制，会形成相互串扰，从而影响整体的稳定性。因此，为了频率响应点之间互相不串扰，本专利技术采用对载波包络偏移频率差Δfceo进行控制。结合上述对所有重复频率信息控制，双波长光梳源的所有频率信息可以控制稳定。
[0019]进一步，所述频率响应点的响应参量为激光器腔长、介质折射率、腔内色散系数、
双波长脉冲中心波长间距、泵浦功率和腔内非线性系数中的一种或多种。
[0020]根据上述公式可知，通过对激光器内谐振腔的腔长、介质折射率、腔内色散系数、双波长脉冲中心波长间距、泵浦功率和腔内非线性系数等频率响应点的响应参量进行调节，能够实现对重复频率、重频差和载波包络偏移频率差的精确控制。
[0021]进一步，所述双波长脉冲振荡器的增益介质为增益光纤或增益晶体，所述增益光纤包括铒、镱和铥中的一种或多种，所述增益晶体为Yb：YAG、Yb：CaF2和Yb：KYW中的一种或多种。
[0022]采用增益光纤或增益晶体，可以缓解激光器的热效应，提高输出激光束的质量和激光系统的稳定性。
[0023]进一步，所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过电机拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于，包括：单腔多梳脉冲振荡器、频率探测模块和频率反馈控制模块，所述单腔多梳脉冲振荡器包括激光器、输出端口和频率响应点，所述激光器用于输出至少两个中心波长和重复频率均具有一定差值的锁模脉冲串，所述输出端口用于将锁模脉冲串按激光波长分束后传送至频率探测模块，所述频率响应点用于对频率反馈控制模块处理的电信号进行响应，实现对各频率信号的分别锁定；所述频率探测模块用于对锁模脉冲串的频率分别同时进行探测，并输出电信号；所述频率反馈控制模块用于将频率探测模块的电信号进行规范处理，然后输送至单腔多梳脉冲振荡器中的频率响应点，控制频率响应点应变，实现对锁模脉冲串的频率进行反馈控制。2.根据权利要求1所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述单腔多梳脉冲振荡器为双波长脉冲振荡器，所述频率响应点包括重复频率响应点、重频差响应点和载波包络偏移频率差响应点，各频率响应点不互相串扰。3.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述频率响应点的响应参量为激光器腔长、介质折射率、腔内色散系数、双波长脉冲中心波长间距、泵浦功率和腔内非线性系数中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器的增益介质为增益光纤或增益晶体，所述增益光纤包括铒、镱和铥中的一种或多种，所述增益晶体为Yb：YAG、Yb：CaF2和Yb：KYW中的一种或多种。5.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过电机拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。6.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器为双波长固体脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据激光器腔长进行响应，控制重复频率，所述激光器腔长通过压电陶瓷伸缩调节；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系数通过压电陶瓷位移拉伸腔内啁啾光纤光栅控制；所述载波包络偏移频率差响应点根据泵浦功率进行响应，控制载波包络偏移频率差。7.根据权利要求2所述的高精度单腔多梳频率测量控制系统，其特征在于：所述双波长脉冲振荡器为双波长光纤脉冲振荡器，所述重复频率响应点根据光纤折射率进行响应，控制重复频率，所述光纤折射率通过全光方法控制；所述重频差响应点根据腔内色散系数进行响应，控制重频差，所述腔内色散系...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，郭政儒，刘婷婷，
申请(专利权)人：上海朗研光电科技有限公司云南华谱量子材料有限公司广东朗研科技有限公司华东师范大学重庆华谱智能装备有限公司重庆华谱量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：