9和电动抽气阀10。
[0031] 要使飞秒脉冲激光器输出的多个纵模在无源光学谐振腔内同时共振，无源光学谐 振腔的自由光谱区(FSR)必须是飞秒脉冲激光器重复频率(f rep)的整数倍。实例中所用飞秒 脉冲激光器的重复频率为75MHz，对应无源腔的长度大约为4m。
[0032] 通过给腔镜上的压电陶瓷3加周期性的驱动信号4,使得无源光学谐振腔的自由光 谱区（FSR)随之周期性变化。无源光学谐振腔的透射光信号经光电探测器5转换为电压信 号，通过示波器6可以实时地监视光电探测器5的输出。
[0033] 在腔共振状态下，无源光学谐振腔的自由光谱区（FSR)与飞秒脉冲激光器的重复 频率(fre3p)相等，假设此时无源光学谐振腔的长度为L。但是由于无源光学谐振腔内色散的 影响，在飞秒脉冲激光器中心频率附近的频率没有都在腔长L处共振，而是在相邻的自由光 谱区（主峰左右两边的透射峰对应的腔长为L1和L2)共振，如图2(a)所示。由于腔长的偏移 (大约一个中心波长)导致腔内循环的飞秒脉冲重合不好，主峰两边的透射峰高度低，半高 宽较宽，同时色散的存在也导致透射峰具有不对称性。
[0034] 此时开启机械栗11和抽气阀门10,机械栗11向外抽气，低真空腔室内气压减小。同 时信号采集和处理模块7接收光电探测器5的输出信号，如果此时透射主峰对应的电压值比 抽气之前高，则继续抽气;如果透射主峰对应的电压值比抽气之前低，信号采集和处理模块 7向阀门控制器8发送指令，关掉阀门10,开启进气阀门9。这样空气进入低真空腔室，腔内气 压升高。如此往复，直至透射光强达到最大。
[0035]当色散补偿达到最佳时，透射信号如图2(b)所示。飞秒脉冲的大部分频率在腔长 L处共振，所以透射主峰会变高，同时主峰左右两侧的透射峰的高度会变低而且等高。
[0036]本发明所采用的工作原理如下所述：
[0037] 飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲进入无源光学谐振腔后，在腔内循环一周所积累 的相移函数
：可以表示为：
[0038]
[0039]其中ω为飞秒脉冲的频率，L为无源光学谐振腔的长度，c为光速。上式等号右边第 一项为线性项，是由传输距离引入的相移;第二项谷参(级> 则是附加相移，该项与频率ω是 非线性的关系，主要来源是无源光学谐振腔内的色散。为了便于理解色散对无源光学谐振 腔共振条件的影响，我们可以对
在飞秒脉冲中心频率ω〇处进行泰勒展开到二阶项：
[0040]
[0041]
为相速度色散，
为群速度色散(GDD)，以下主要讨论群速度色散 的影响。当无源光学谐振腔内存在群速度色散时，也就是(&%) #紙同时假设飞秒脉冲 在中心频率ω〇处共振，那么由（2)式很容易得到飞秒脉冲在腔内循环一周的相移：
[0042]
[0043] 其中η = 0，1，2,3，···。由于群速度色散
的存在，当飞秒脉冲的频率偏离中 心频率ω〇时，相移函数
也偏离共振条件。对于无源光学谐振腔而言，其光谱透射率函 数Τ( ω )与无源光学谐振腔的精细度F和相移函f
的关系可以表示为：
[0044]
[0045] 定义无源光学谐振腔透射光谱的半高全宽为△ ω，即：
[0046]
[0047] 将（2)式代入(5)式中可得无源光学谐振腔内群速度色散
与无源光学谐 振腔透射光谱的半高全宽Α ω以及精细度F的关系如下所示，
[0048]
[0049] 无源光学谐振腔内的群速度色散主要来源于两部分，腔镜镀膜带入的色散以及空 气的色散。为了尽量减小色散，一般选用低色散镀膜的镜片。图4为典型低色散镀膜镜片的 色散曲线。从图中可以看出低色散镀膜镜片的色散值在飞秒脉冲激光器中心波长815nm处 是负值(GDD<0)。空气作为一种常见的介质，其群速度色散值与气压值的大小是相关的，大 约是21fs2/bar.m，因此可以通过调节腔内气压值来改变腔内空气的正色散值，用以补偿低 色散镜片的负色散值，最终使得二者共同作用的群速度色散僧最小化。当色散补 偿到最佳时，透射光谱最宽。
[0050] 透射光強
，其中Ιο(ω)为进入无源光学谐振 腔之前的光强。在无源光学谐振腔的精细度一定的情况下，减小腔内的群速度色散能够获 得更宽的透射光谱带宽。从透射光强的角度来看，当色散补偿达到最佳时，透射光强会最 大。
[0051] 由上面的分析可知，色散补偿达到最佳时，无源光学谐振腔的透射峰的光强会达 到最大值，基于这一判据标准的控制部分逻辑框图如图3所示。开启动机械栗11和电动抽气 阀10，机械栗11向外抽气，腔内气压减小。如果此时透射主峰对应的电压值比抽气之前高， 则继续抽气;如果透射主峰对应的电压值比抽气之前低，则关掉电动抽气阀10，开启电动进 气阀门9,让空气进入低真空腔室，使腔内气压升高。如此往复，直至透射光强达到最大。
【主权项】
1. 一种基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，包括飞秒脉冲激光器、低 真空腔室、压电陶瓷、光电探测器、信号采集和处理模块、进气阀、抽气阀和机械栗，其特征 在于:所述的低真空腔室为密闭腔体，内部固定有无源光学谐振腔，低真空腔室上安装有进 气阀和抽气阀，且抽气阀连通机械栗;所述的无源光学谐振腔为环形腔结构，无源光学谐振 腔内固定有两个平面半透镜和两个凹面反射镜，其中一个凹面反射镜的背面装有压电陶 瓷;所述的压电陶瓷在驱动信号的驱动下作动，线性地改变无源光学谐振腔的长度;所述飞 秒脉冲激光器产生的飞秒脉冲激光经过无源光学谐振腔中的平面半透镜和凹面反射镜，由 光电探测器采集得到透射信号，透射信号通过示波器显示，并输入信号采集和处理模块，信 号采集和处理模块根据透射信号驱动阀门控制器，进而控制进气阀、抽气阀开闭和机械栗 工作。2. 根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征 在于:所述的信号采集和处理模块控制开启动机械栗和抽气阀，减小低真空腔室内气压，若 透射信号的透射主峰对应的电压值提高，则继续抽气;如果透射主峰对应的电压值降低，则 关闭机械栗和抽气阀，开启进气阀门，提高低真空腔室内气压;重复本步骤，直至透射光强 达到最大。3. 根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征 在于:所述的飞秒脉冲激光器采用钛宝石锁模激光器，中心波长815nm，带宽6nm，重复频率 75MHz〇4. 根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征 在于:所述压电陶瓷的驱动信号为三角波信号，频率5Hz，幅度变化范围0-500V。5. 根据权利要求1所述的基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，其特征 在于:所述光电探测器的响应波长为400nm-1000nm，增益可调为0dB-70dB〇
【专利摘要】本发明提供了一种基于气压调节的无源光学谐振腔色散自动补偿系统，低真空腔室内固定有无源光学谐振腔，且安装有进气阀和抽气阀，抽气阀连通机械泵；无源光学谐振腔内固定有两个平面半透镜和两个凹面反射镜，其中一个凹面反射镜的背面装有压电陶瓷；压电陶瓷在驱动信号的驱动下改变无源光学谐振腔的长度；飞秒脉冲激光经过无源光学谐振腔，由光电探测器采集得到透射信号，透射信号通过示波器显示，并输入信号采集和处理模块，驱动阀门控制器，进而控制进气阀、抽气阀开闭和机械泵工作。本发明能够通过动态调节气压来自动控制无源光学谐振腔的腔内色散。
【IPC分类】G02B26/00
【公开号】CN105487222
【申请号】CN201510823821
【发明人】项晓, 董瑞芳, 刘涛, 张首刚
【申请人】中国科学院国家授时中心
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月24日