【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光梳重复频率信号锁定，具体涉及一种重频自稳定激光器及其设计方法、全光纤光梳结构。
技术介绍
1、20世纪末，德国max-plank研究所的亨施小组实现了飞秒激光器的载波包络相移频率和重复频率的同时锁定，研制出第一台光学频率梳(以下简称光梳)，并对cs原子两超精细能级结构间跃迁谱线的绝对频率进行了准确测量。自此，光梳作为一种高精度、高分辨、高灵敏的测量工具，被广泛应用于天文探测、精密光谱测量、光钟、阿秒科学等众多前沿
，大力推动了人类对时间及频率等多个物理量的精确探索。
2、光梳的梳齿频率可表示为fn＝nfr+fceo，由光频表达式可以看出，光学频率的精密时频域控制精度依赖于其重复频率信号(fr)及载波包络相位偏移频率(fceo)这两个自由参量的锁定精度。这两个参量中，重复频率因其106的系数影响，对频率稳定性起主导作用。目前，对光梳重复频率信号的锁定主要从两个思路出发：一是通过控制激光器的几何腔长来直接实现fr信号的调谐；二是通过改变腔内介质折射率来调节激光器的有效腔长，从而实现fr信号的调谐。
3、针对第一种思路，现有技术中采用压电陶瓷致动器(pzt)拉伸谐振腔内的光纤，从而调谐激光器的几何腔长是实现激光器重频锁定的常用方式。pzt为电致驱动器件，其伸缩量与外部驱动电压大小成正比。将谐振腔内的光纤粘贴于柱状pzt表面或缠绕于环形pzt侧面，通过调控pzt的外部驱动电压实现谐振腔几何腔长的精确调谐，即可实现fr信号的锁定。此种方法元器件及技术成熟，但也存在诸多不足之处，包括：需要构建额
4、针对第二种思路，通过调谐谐振腔介质折射率，实现激光器重频锁定的方法则涌现出多种实施方式，例如：
5、(1)电光调制器；
6、在谐振腔内加入电光调制器(eom)，通过电光晶体的电致折射率变化来调谐激光器重频信号并实现其锁定。此种方法仅需低压驱动，且反馈带宽高达mhz量级，能补偿宽带内的噪声，弥补压电陶瓷制动器的部分不足，但其需要复杂的锁相环路且光纤耦合的eom会引入高达3db的插入损耗，产生锁模阈值升高及系统功耗增加的难题。
7、(2)抽运功率调制非线性折射率；
8、抽运功率调制非线性折射率是通过改变介质折射率实现激光器fr信号锁定的另一种可行方式。在谐振腔内插入另一段增益光纤和波分复用器，通过调控抽运功率的大小来改变增益光纤中的反转粒子数，进而调制光纤介质折射率，实现激光器fr信号的锁定。此种方法需要构建电子伺服反馈系统，且其反馈带宽受限于激活离子上能级寿命，通常反馈带宽在百hz量级，无法补偿高频噪声，影响其锁定精度。
9、综上，现有技术中对于重复频率信号锁定方面存在以下技术缺陷，即目前对激光器及光梳重复频率信号的锁定依赖于额外锁相环的被动锁定，不仅增加了装置的成本及复杂性，并且由于锁相环的限制，反馈带宽还受限于锁相元件，限制了重频信号锁定精度的提高，对激光器应用的准确性和便利性造成了困难。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种重频自稳定激光器的设计方法，以及利用重频自稳定激光器的设计方法制得的重频自稳定激光器，以及利用重频自稳定激光器配置的全光纤光梳结构，以解决现有技术中的激光器重复频率信号的锁定依赖于额外锁相环的被动锁定，不仅增加了装置的成本及复杂性，并且由于锁相环的限制，反馈带宽还受限于锁相元件，限制了重频信号锁定精度的提高，进而对激光器应用的准确性和便利性造成了困难的技术问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
3、第一方面，本专利技术公开了一种重频自稳定激光器的设计方法，基于nalm激光器，所述nalm激光器包括非线性光纤环，所述非线性光纤环内相反传输两束激光脉冲，两路所述激光脉冲能够产生干涉，通过改变两路激光脉冲之间的传播延时差，使两路激光脉冲进行错序列干涉，并使得两路激光脉冲的错序列脉冲峰值相互对齐，以实现重频自稳定激光器输出重复频率稳定的锁模脉冲。
4、本专利技术公开的重频自稳定激光器的设计方法，在应用于nalm激光器时，能够消除对额外锁相环的依赖，使得nalm激光器能够在内部利用非线性吸收光纤环形镜的锁模效应来实现重复频率的锁定，不需要引入额外的复杂硬件元件，能够有效降低设备成本和复杂性。另外，由于nalm激光器内部实现了重复频率的锁定，对反馈带宽的要求较低，因此提高了锁定的精度，有助于提高激光器应用的准确性和便利性，克服了传统方法中存在的技术问题。
5、第二方面，本专利技术公开了一种重频自稳定激光器的一个实施例，利用上述重频自稳定激光器的设计方法，包括谐振腔，所述非线性光纤环设置于所述谐振腔内，用于对光信号进行锁模和调制，所述非线性光纤环包括光纤，所述光纤包括第一光纤耦合端和第二光纤耦合端，所述第一光纤耦合端和第二光纤耦合端之间设置有可调延时模块，所述可调延时模块用于改变两路激光脉冲之间的传播延时差；所述重频自稳定激光器还包括线性臂，所述非线性光纤环和线性臂之间通过中央光学分束器连接；
6、所述非线性光纤环自中央光学分束器沿逆时针方向依次连接有波分复用器、增益光纤以及非互易线性相移器，所述波分复用器上还连接有泵浦激光二极管；
7、所述泵浦激光二极管用于提供泵浦光信号并经过所述波分复用器传递给增益光纤；
8、所述增益光纤用于放大光信号，经过增益光纤放大的光信号为锁模光信号；
9、所述波分复用器用于将所述泵浦光信号和锁模光信号耦合到同一根光纤中；
10、所述非互易线性相移器用于引入线性相移量；
11、所述线性臂包括光纤集成器件，所述光纤集成器件通过保偏单模光纤与所述中央光学分束器连接，所述保偏单模光纤用于保持光纤中的偏振状态，所述光纤集成器件用于信号光的反射及引入谐振腔的输出光信号。
12、本专利技术公开的重频自稳定激光器的工作原理是：由泵浦激光二极管提供泵浦能量，波分复用器将泵浦光信号和锁模光信号进行复用，增益光纤放大锁模光信号，非互易线性相移器引入线性相移量，可调延时模块能够调节信号在非线性光纤环中的传播延迟，通过调整延时模块，可以控制激光器的工作状态和输出特性，线性臂通过保偏单模光纤和光纤反射镜与光纤分束器集成器件实现反馈和干涉效应，这些组件共同作用，使得重频自稳定激光器能够实现对光脉冲频率和相位的锁定，能够产生稳定的光脉冲。
13、作为优选，本方案给出了可调延时模块的其中一种实施例结构，所述可调延时模块包括第一光纤耦合准直镜，所述第一光纤耦合准直镜的输入端用于输入光信号，所述第一光纤耦合准直镜的输入端与所述第一光纤耦合端耦合，所述第一光纤耦合准直镜的输出端连接有光分束镜的输入端，所述光分束镜包括透射端和反射端，所述透射端连接有光环形器的第一端，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种重频自稳定激光器的设计方法，基于NALM激光器，其特征在于，所述NALM激光器包括非线性光纤环，所述非线性光纤环内相反传输两束激光脉冲，两路所述激光脉冲能够产生干涉，通过改变两路激光脉冲之间的传播延时差，使两路激光脉冲进行错序列干涉，并使得两路激光脉冲的错序列脉冲峰值相互对齐，以实现重频自稳定激光器输出重复频率稳定的锁模脉冲。
2.一种重频自稳定激光器，利用如权利要求1所述的重频自稳定激光器的设计方法，其特征在于，包括谐振腔，所述非线性光纤环设置于所述谐振腔内，用于对光信号进行锁模和调制，所述非线性光纤环包括光纤，所述光纤包括第一光纤耦合端和第二光纤耦合端，所述第一光纤耦合端和第二光纤耦合端之间设置有可调延时模块，所述可调延时模块用于改变两路激光脉冲之间的传播延时差；所述重频自稳定激光器还包括线性臂，所述非线性光纤环和线性臂之间通过中央光学分束器连接；
3.根据权利要求2所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述可调延时模块包括第一光纤耦合准直镜，所述第一光纤耦合准直镜的输入端用于输入光信号，所述第一光纤耦合准直镜的输入端与所述第一光纤耦合端耦合，所
4.根据权利要求3所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述移动反射镜组与所述第三端之间还设置有第一反射镜，所述第三端的出射方向与所述第一反射镜的入射方向相对；
5.根据权利要求3或4所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述激光脉冲的重复周期为T，所述可调延时模块能够改变两路激光脉冲之间传播延时差的延时量为Δt＝T，且两路激光脉冲之间的相位差为2nπ，其中n为自然数且n∈{1,2,3,...}。
6.根据权利要求3或4所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述增益光纤的两端距离中央光学分束器的光程距离不相等，在所述非线性光纤环内为非对称设置。
7.一种重频自稳定激光器，利用如权利要求1所述的重频自稳定激光器的设计方法，其特征在于，包括谐振腔，所述非线性光纤环设置于所述谐振腔内，用于对光信号进行锁模和调制，所述非线性光纤环包括光纤，所述非线性光纤环包括光纤，所述光纤上设置有可调延时相移模块，所述可调延时相移模块用于改变两路激光脉冲之间的传播延时差和相位差；
8.根据权利要求7所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述可调延时相移模块包括输入端口、输出端口、双折射晶体、法拉第旋转器、电光调制晶体、偏振分束器以及步进电机；所述法拉第旋转器位于所述双折射晶体与所述电光调制晶体之间，所述偏振分束器位于所述电光调制晶体与步进电机之间，所述步进电机能够在外接电源的作用下发生平移；
9.根据权利要求8所述的重频自稳定激光器，其特征在于，可调延时相移模块能够为两路传播方向相反的相同频率和波长的激光脉冲提供的总延时差Δt如下式所示：
10.一种全光纤光梳结构，利用如权利要求3或权利要求8所述重频自稳定激光器，其特征在于，包括重频自稳定激光器、光功率放大器、超连续谱展宽器、f-2f自参考探测器和锁相环；
...【技术特征摘要】
1.一种重频自稳定激光器的设计方法，基于nalm激光器，其特征在于，所述nalm激光器包括非线性光纤环，所述非线性光纤环内相反传输两束激光脉冲，两路所述激光脉冲能够产生干涉，通过改变两路激光脉冲之间的传播延时差，使两路激光脉冲进行错序列干涉，并使得两路激光脉冲的错序列脉冲峰值相互对齐，以实现重频自稳定激光器输出重复频率稳定的锁模脉冲。
2.一种重频自稳定激光器，利用如权利要求1所述的重频自稳定激光器的设计方法，其特征在于，包括谐振腔，所述非线性光纤环设置于所述谐振腔内，用于对光信号进行锁模和调制，所述非线性光纤环包括光纤，所述光纤包括第一光纤耦合端和第二光纤耦合端，所述第一光纤耦合端和第二光纤耦合端之间设置有可调延时模块，所述可调延时模块用于改变两路激光脉冲之间的传播延时差；所述重频自稳定激光器还包括线性臂，所述非线性光纤环和线性臂之间通过中央光学分束器连接；
3.根据权利要求2所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述可调延时模块包括第一光纤耦合准直镜，所述第一光纤耦合准直镜的输入端用于输入光信号，所述第一光纤耦合准直镜的输入端与所述第一光纤耦合端耦合，所述第一光纤耦合准直镜的输出端连接有光分束镜的输入端，所述光分束镜包括透射端和反射端，所述透射端连接有光环形器的第一端，所述第一端用于输入光信号；
4.根据权利要求3所述的重频自稳定激光器，其特征在于，所述移动反射镜组与所述第三端之间还设置有第一反射镜，所述第三端的出射方向与所述第一反射镜的入射方向相对；
5.根据权利要求3或4所述的重频自稳定...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，刘婷婷，闻齐，郭政儒，邢帅，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：
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