基于光谱整形自差频技术的光学频率梳制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光谱整形自差频技术的高稳定高重复频率光学频率梳，包括：泵浦源、周期量级飞秒钛宝石振荡器、自差频测量装置和反馈电路，其中，由泵浦源产生的泵浦光进入所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，该周期量级飞秒钛宝石振荡器用于产生形状呈两边高、中间低的大体M形的飞秒光谱脉冲；该飞秒光谱脉冲的一部分被输送至所述自差频测量装置以测量该光谱脉冲的载波包络相移频率（CEO频率），另一部分形成重复频率信号经所述重复频率反馈电路被输送回周期量级飞秒钛宝石振荡器。该光学频率梳具有结构紧凑；锁定时间长、重复频率高、输出可用功率高、相位噪声小等特点，可主要应用在光频绝对测量、构成光钟、阿秒产生等科学研究中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞秒激光
，特别涉及一种基于光谱整形自差频技术的光学频率梳。
技术介绍
飞秒光学频率梳技术是目前超短脉冲激光科学最前沿的研究内容之一，自从上世纪末的几年里人们提出并实现对飞秒激光载波包络相位漂移(Carrier-Envelope phaseOffset, CEO)频率的锁相控制以来，该技术的发展不仅导致了光频测量研究的革命性进展，而且前所未有地实现了光学频率与微波频率的直接连接，并推动了阿秒激光物理和超快科学的快速发展。需要指出的是，飞秒激光CEO的控制及光学频率梳的实现，最初主要得益于光子 晶体光纤(Photon Crystal Fiber，PCF)的问世和采用。目前国际上广泛采用的光学频率梳的核心正是以PCF为基础的，由于PCF可将飞秒激光光谱展宽到一个倍频程以上，因此使得人们第一次有可能通过所谓的自参考技术而实现对CEO频率的测量。但是PCF极小的芯径(I 2 μ m)和固有的高损耗(>70%),不仅入射激光微细的偏移都会导致输出光谱的显著变化，而且也限制了所能得到的输出功率，特别是PCF在高聚焦强度的激光入射下，表面极易损坏。由于这些因素，使得基于自参考技术的飞秒激光CEO锁定通常只能稳定工作半小时左右，输出功率也只有几十mW，而且结构复杂、体积庞大、维护成本高，从而大大限制了光学频率梳的实用性。2004年，德国马普量子光学研究所(MPQ)的科学家提出了一种通过差频(Difference Frequency Generation,DFG)超宽激光脉冲自身的不同光谱成分而测量并控制CEO的方法(参见Fuji T，et al. 2005 Opt. Lett. 30 (332))，该技术由于采用准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体(PPLN)中所产生的差频、自相位调制等非线性效应而实现对CEO频率的测量，因此可以不要求光谱展宽到一个倍频程，这样也就避免了必须采用PCF而带来的低功率和稳定性问题，但目前该技术存在的不足是所稳定的飞秒激光重复频率不到100MHz，而且输出可用功率只有几十毫瓦。由于光梳所需要的理想重复频率一般要求大于200MHz，但是重复频率过高时飞秒脉冲的峰值功率就会下降，导致自差频无法实现或者得到的自差频光谱能量过低，从而得不到足够信噪比的CEO信号，对CEO信号的控制也就无从谈起。因此，需要一种基于差频技术的高重频光学频率梳。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于光谱整形自差频技术产生高重复频率飞秒激光频率梳的装置。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的根据本专利技术，提供一种光学频率梳，包括泵浦源、周期量级飞秒钛宝石振荡器、自差频测量装置和反馈电路，其中，由泵浦源产生的泵浦光进入所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，该周期量级飞秒钛宝石振荡器用于产生形状呈两边高、中间低的大体M形的飞秒光谱脉冲；该飞秒光谱脉冲的一部分被输送至所述自差频测量装置以测量该光谱脉冲的载波包络相移频率(CEO频率)，另一部分形成重复频率信号经所述重复频率反馈电路被输送回周期量级飞秒钛宝石振荡器。在上述技术方案中，所述周期量级飞秒钛宝石振荡器中设置有镀膜的输出耦合镜，经该镀膜的输出耦合镜输出所述大体M形的飞秒光谱脉冲，所述镀膜设计为在750nnT850nm波段内透过率为10%的介质膜。 在上述技术方案中，所述重复频率反馈电路由PIN管、第一锁相电路及设置在周期量级飞秒钛宝石振荡器中的压电陶瓷构成，其中由周期量级飞秒钛宝石振荡器输出的所述一部分光谱脉冲被PIN管接收后经第一锁相电路反馈至周期量级飞秒钛宝石振荡器中，通过安装在周期量级飞秒钛宝石振荡器内的压电陶瓷的伸缩改变腔长以控制该重复频率。在上述技术方案中，光学频率梳还可包括设置在所述自差频测量装置光路后的CEO频率反馈电路，其中由所述自差频测量装置输出的光谱脉冲的红外光部分形成CEO频率信号，该信号经CEO频率反馈电路反馈至设置在泵浦源和周期量级飞秒钛宝石振荡器之间的声光调节器以控制该CEO频率。 在上述技术方案中，所述CEO频率反馈电路由红外雪崩光电二极管、第二锁相电路及声光调节器构成，其中所述红外光部分被红外雪崩光电二极管接收后经第二锁相电路反馈至声光调节器。在上述技术方案中，由所述自差频测量装置输出的光谱脉冲的可见光部分作为光梳的可用光脉冲输出。在上述技术方案中，所述自差频测量装置包括两块凹面银镜和一块非线性晶体，所述整形后的光谱脉冲的一部分通过其中一块凹面银镜聚焦耦合到非线性晶体中，然后再经过另一块凹面银镜准直输出。在上述技术方案中，所述非线性晶体选择准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体。在上述技术方案中，所述重复频率反馈电路和CEO频率反馈电路被同时锁定到外部微波参考源，该外部微波参考源例如为微波原子钟或光钟。与现有的技术相比，由于本专利技术采用了将光谱整形的周期量级飞秒钛宝石振荡器与差频测量CEO频率技术相结合的创新设计，因而导致具有如下的突出特点I.稳定度高，锁定时间长；因无需使用腔外光子晶体光纤，因而大大提高了频率梳的稳定性，相比自参考频率梳通常半小时的锁定时间，本专利技术的单块光梳锁定时间提闻到9小时以上。2.重复频率高；相比国际上同类技术的光梳,本专利技术将重复频率提高到400MHz以上，这是目前国际同类光梳的最高重复频率，有利于频率测量的应用。3.输出功率高；本专利技术典型的输出功率可达200mW以上，相比因光子晶体光纤的高损耗导致的只有几十毫瓦的自参考光梳系统，本专利技术在输出功率方面具有明显的优势。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中图I为本专利技术实施例的总体结构原理框图2为本专利技术实施例的光路结构示意图；图3为本专利技术实施例中差频后所获得的中红外曲线图；图4为本专利技术实施例的差频测量CEO频率频谱图；图5为本专利技术实施例的重复频率锁定后的艾伦方差曲线；图6为本专利技术实施例的CEO频率锁定后的艾伦方差曲线。具体实施例方式图I为根据本专利技术一个实施例的原理框图。如图I所示，采用532nm单频连续全 固化倍频钒酸钇激光器作为泵浦源，泵浦光经过声光调制器(AOM)后进入周期量级钛宝石振荡器，然后振荡器输出的飞秒脉冲分出一小部分，由PIN管接收重复频率信号，而大部分进入CEO自差频测量系统(差频晶体)测量CEO频率。经过差频测量系统后的光脉冲再分成两部分，其中红外光部分由红外雪崩光电二极管(APD)接收得到CEO频率信号，可见光部分作为光梳的可用光脉冲输出。为了得到绝对稳定的光梳输出，将PIN管接收到的重复频率信号及红外APD接收到的CEO频率电信号分别送入锁相电路I及锁相电路II，外部参考源输出的IOMHz信号经频率综合器后得到合适的参考信号也分别进入锁相电路I及锁相电路II，经过鉴相滤波后获得控制信号，进而通过控制AOM达到控制CEO频率的目的，以及通过控制安装在一个端镜上的压电陶瓷达到控制重复频率的目的。在本实施例中，用于光谱整形的周期量级飞秒钛宝石振荡器为一种能够直接输出飞秒脉冲的装置，其输出的飞秒脉冲的光谱宽度接近一个光学倍频程，能覆盖600nm-1000nm的范围，经整形的光谱形状呈M形，重复频率大于300MHz，经过腔外若干啁啾镜及一对尖劈进行色散补偿后，周期量级飞秒脉冲的脉宽在7fs以下。在本专利技术的实施例中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学频率梳，包括：泵浦源、周期量级飞秒钛宝石振荡器、自差频测量装置和反馈电路，其中，由泵浦源产生的泵浦光进入所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，该周期量级飞秒钛宝石振荡器用于产生形状呈两边高、中间低的大体M形的飞秒光谱脉冲；该飞秒光谱脉冲的一部分被输送至所述自差频测量装置以测量该光谱脉冲的载波包络相移频率（CEO频率），另一部分形成重复频率信号经所述重复频率反馈电路被输送回周期量级飞秒钛宝石振荡器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏志义，韩海年，张炜，赵研英，杜强，滕浩，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：