基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳，涉及频率梳测量技术领域，包括增益介质、泵浦源、可饱和吸收体、内谐振腔、输出测试端口，它们通过光纤或空间光路连接，共同组成光学频率梳的外谐振腔。其中内谐振腔由两个光纤耦合器相互连接构成。将内谐振腔嵌套于外谐振腔之内，通过精确控制内、外谐振腔的长度进而使得它们的自由光谱范围严格满足整数倍关系，实现对原始外腔光学频梳重复频率的倍增。具有结构稳定、易于耦合、成本低等优点，此类高重复频率的光学频率梳可以应用于气体吸收谱探测、精密光学频梳测距、天文光谱仪校准领域。谱仪校准领域。谱仪校准领域。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳


[0001]本专利技术涉及光学频率梳
，具体是一种基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳。

技术介绍

[0002]基于超快激光的光学频率梳技术作为链接光波与微波之间的桥梁，近些年一直被广泛关注。光学频率梳在频域上表现为一系列等间距的光学频率梳齿，梳齿间隔为激光器的重复频率，由于梳齿频率精确度极高且可溯源，被应用于直接精密光谱测量、时频传递、基本物理常数测量。目前产生光学频率梳的主要技术手段包含：电光调制(EOM)、被动锁模和非线性克尔微腔。它们有着各自的优缺点，基于EOM技术的频率梳重复频率可以大范围灵活调谐，但是梳齿噪声较大，与被动锁模激光器还有一定差距；被动锁模通常利用可饱和吸收体介入的光学谐振腔产生，其具有噪声低、输出能量大的优势，但是重复频率受制于光学谐振腔的物理尺寸，往往小于数百MHz；非线性克尔微腔具有极小的物理尺寸且部分可以芯片集成，但是其产生的光学频率梳梳齿间隔受制于微腔尺寸往往达到数十GHz，这对高分辨率光谱测量是不利的，且输出能量和电光转换效率较低，不适用于需要大能量且高效能的应用场景。综上所述，现有的主流方法一般都难以实现重复频率在1GHz范围附近的低噪声、高性能频率梳。
[0003]重复频率是许多光学频率梳应用中的关键参数。诸如高精度测距、天文观测与激光雷达等应用领域都要求频率梳的重频达到GHz量级水平。在高精度测距应用中，相较低重复频率的光频梳系统，GHz频率梳能够增大相邻梳齿间的间隔，防止频谱混叠影响，有利于提升飞秒光梳测距精度。在天文应用中，多普勒速度漂移的高精确测量是研究宇宙膨胀过程和寻找太阳系外行星的重要课题，重频范围在GHz量级的光学频率梳是天文光谱仪的优秀校准器。另外，频率梳可以给现有的激光雷达技术进一步赋能，实现多组分物质光谱的同步检测。然而激光雷达通常采用纳秒宽度的脉冲调制，为了保证频率梳脉冲与激光雷达调制脉冲在时域上的交叠，就必须使用重频为GHz以上的光频率梳。。
[0004]目前，基于锁模光纤激光器的光学频率梳系统，是最为成熟的光学频率梳产生方式，也是最早和最广泛应用的商业化光学频率系统。但是此类光学频率梳的重复频率通常在数百MHz以内，这极大限制了它们的应用空间与赋能水平。为了进一步提升基于锁模光纤激光器的光学频率梳的重复频率，通常需要尽可能减小光纤谐振腔的物理尺寸，例如利用超短腔和封装的可饱和吸收体SESAM制成锁模光纤激光器(参见D.Song,K.Yin,R.Miao,C.Zhang,Z.Xu,and T.Jiang,Theoretical and experimental investigations of dispersion
‑
managed,polarization
‑
maintaining 1
‑
GHz mode
‑
locked fiber lasers,Opt.Express 31,1916(2023))，或利用小尺寸积木式光学封装的NPR锁模光纤激光器(参见R.Yang,M.Zhao,X.Jin,Q.Li,Z.Chen,A.Wang,and Z.Zhang,Attosecond timing jitter from high repetition rate femtosecond“solid
‑
state fiber lasers”,Optica 9,874(2022))。前者有SESAM的使用寿命限制，后者基于NPR锁模光纤激光器的装置采用大量空间
结构，使其长期稳定性有一定损失。

技术实现思路

[0005]为了解决当前基于被动锁模光纤激光器的光学频率梳重复频率提升，带来的寿命、长期稳定性等方面的限制，同时突破光纤激光器的重复频率提升受到的谐振腔物理尺寸限制。本专利技术提供一种基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳，目的在于简易、低成本、稳定的实现基于各类光纤激光器直接产生的光学频率梳重复频率倍增。
[0006]本专利技术的解决方案如下：
[0007]一种基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳，包括通过光纤或空间光路连接的泵浦源、增益介质、可饱和吸收体和输出测试端口，所述增益介质、可饱和吸收体、和输出测试端口连接构成外谐振腔，在合适的泵浦源参数下频率梳可以工作在未倍增的低重复频率状态；其特点在于，还包括由两个B1端口与B2端口分别两两相连的光纤耦合器构成的内谐振腔，两光纤耦合器的A1端口连接外谐振腔。
[0008]所述的外谐振腔激光器以稀土掺杂离子光纤为增益介质，可以独立锁模工作。光纤激光器外谐振腔FSR1与内谐振腔FSR2满足关系为：FSR2＝n
×
FSR1，其中n为频率倍增倍数，n为正整数。，为了保证光学频率梳的模式单一，抑制超模产生，内谐振腔自由光谱范围满足关系其中α为内谐振腔的损耗因子，A:B与C:D分别为两个光纤耦合器的分光比。将内谐振腔嵌套进外谐振腔，通过调整合适的泵浦源参数，可以实现对原外腔光纤激光器输出光频梳的重复频率倍增。
[0009]具体的，当所述光学频率梳的光纤激光器外谐振腔FSR1＝82.5MHz，需求907.5MHz，则需要控制内谐振腔FSR2＝907.5MHz，放大倍率n为11倍。设置两个光纤耦合器分光比均为85:15。
[0010]所述的增益光纤掺杂离子包括Er
3+
、Yb
3+
、Tm
3+
、Gd
3+
、Ho
3+
、Dy
3+
、Tb
3+
和Lu
3+
中的一种或多种的组合体。
[0011]所述的外谐振腔独立锁模机制可以是人工可饱和吸收体(例如非线性偏振旋转、非线性放大环形镜)或材料类可饱和吸收体(例如石墨烯、SESAM、拓扑绝缘体)。
[0012]所述的外谐振腔在移除内谐振腔并补偿同等长度光纤，调整泵浦源功率，频率梳可以工作在未倍增的低重复频率状态。
[0013]具体的，光纤以及光纤器件均为保偏。
[0014]优化的，还包括光学频率梳参考源和CEO频率获取模块，以及微波电路处理和PID锁定环路，使得光学频率梳可以锁定在特定的参考频率源，达到稳定可溯源的光频率梳输出。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的技术效果是：
[0016]1)利用两个光纤耦合器相互连接组成内谐振腔的频谱滤波效果，通过内、外谐振腔参数的匹配设计，突破原有光纤激光器的光学谐振腔物理尺寸限制，实现对激光器输出光学频率梳的重复频率的倍增。
[0017]2)对比传统的减小光纤激光器谐振腔尺寸从而提升重复频率的方案，本专利技术具有结构简单、成本低廉、可靠稳定等优势，适应于各种基于锁模激光器的光学频率梳的重复频
率倍增。
附图说明
[0018]图1是本专利技术一种基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳框架示意图。
[0019]图2是本专利技术一种基于光纤耦合器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳，包括通过光纤或空间光路连接的泵浦源(
Ⅴ
)、增益介质(Ⅱ)、可饱和吸收体(Ⅲ)和输出测试端口(Ⅳ)，所述增益介质、可饱和吸收体、和输出测试端口连接构成外谐振腔，在合适的泵浦源参数下频率梳可以工作在未倍增的低重复频率状态；其特征在于，还包括由两个B1端口与B2端口分别两两相连的光纤耦合器(110、120)构成的内谐振腔(Ⅰ)，两光纤耦合器的A1端口连接外谐振腔。2.根据权利要求1所述的基于光纤耦合器的腔内频率倍增光学频率梳，其特征在于，所述的内谐振腔放置于外谐振腔内任意位置使得内外谐振腔有部分共用光路。3.根据权利要求1或2所述的基于光纤耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：周佳琦，曹新如，冯衍，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：