一种自适应双光梳光谱系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光电探测技术，特别涉及一种自适应双光梳光谱系统。
【背景技术】
[0002]双光梳光谱技术作为近年来科研领域的前沿课题，能极大的提高光谱探测的精度。双光梳光谱探测技术相比传统技术有两个改进，一是采用光梳替代传统光源，作为标准的频率谱线位置更稳定，线宽更窄，精度更高；另一个是采用两个重复频率略有差异的光梳同时测量，一个作为参考光梳，一个作为激发光梳，类似于游标卡尺的主尺和副尺，通过频率错位和拍频探测，进一步提高频率测量的精度。
[0003]现阶段，双光梳光谱技术的具体实现方法大体可以分为传统的双光梳光谱和自适应双光梳光谱。其中，传统的双光梳光谱是通过精密控制光梳的精度，实现提高测量精度的目的。光梳控制具体分为重复频率和载波包络相位的控制，为达到多普勒极限的光谱测量精度，要求单个光梳的时间抖动和两台光梳的同步抖动在阿秒量级。实际操作中，由于测量载波包络信号时的超连续谱展宽过程中引入的光学相位噪声，以及快速反馈的锁相放大器引入的电子线路噪声，难以将光梳的控制精度做到阿秒量级，限制了其在高精度光谱测量中的应用。
[0004]自适应双光梳光谱是将光学探测和电学锁定的难度转移到了光谱信号处理阶段。简单来讲，自适应双光梳光谱不是采用两台精密锁定的光学频率梳，而是采用两台自由运转的脉冲激光器和一至两台连续激光器，通过脉冲激光器和连续激光器之间的拍频信号，得到表征载波包络相位和重复频率抖动的反馈信号，然后将这两个反馈信号作用到光谱探测的信号处理过程中，补偿自由运转激光器的载波相位抖动和重复频率抖动，得到清晰的、精确的光谱信号。然而，由于两台脉冲激光器完全是自由、随机、无关联运转的，这会导致随着系统运转时间的增加，脉冲激光器与连续激光器的拍频信号长期飘移量很大，甚至超出滤波器的带宽，导致信号处理时补偿信号的丢失，进而造成自适应双光梳光谱系统的失效。
[0005]综上所述，传统的双光梳光谱的光源是紧密、精确锁定的脉冲激光器，但受限于测量和控制过程中引入的光电噪声，无法获得满足多普勒极限的光谱测量精度;而现有的自适应双光梳光谱系统的光源是完全自由、随机、无关联的运转，该方法虽然避免了测量和控制过程中的噪声，但存在拍频信号丢失的重大隐患，影响系统长期运转的稳定性、可靠性。
【发明内容】
[0006]本发明是针对现在自适应双光梳光谱系统存在的问题，提出了一种自适应双光梳光谱系统，采用频率计数和慢反馈的方式，将自适应双光梳光谱测量中的脉冲光与连续光的拍频信号飘移控制在一定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在，进而提高自适应双光梳光谱测量系统的稳定性。。
[0007]本发明的技术方案为:一种自适应双光梳光谱系统，包括两个脉冲激光器、一或两个连续激光器、样品池、光学拍频模块、滤波器、频率计数和频率慢反馈模块、电路处理模块、干涉信号探测以及信号处理模块，光学拍频模块探测脉冲激光器和连续激光器任意组合的拍频信号，所得拍频信号分为两路，一路直接送到电路处理模块，另一路经过滤波器滤波送频率计数，测量出拍频信号的具体值，拍频信号值超出所设定上下限，输出控制信号到频率慢反馈模块，频率慢反馈模块输出信号调整连续激光器的工作参数，使所得拍频信号工作在限定范围内，电路处理模块对接收的拍频信号进行滤波、混频、倍频、放大之后，提取两个脉冲激光器的载波包络相位相对抖动的Afo补偿信号，两个脉冲激光输出两束光合束后，同时入射到样品池，然后进行干涉信号探测，得到两个脉冲激光器的干涉信号，将干涉信号和A fo补偿信号同时输入到信号处理模块处理，得到光谱测量结果。
[0008]所述系统包括两个连续激光器时，电路处理模块接收4个拍频信号，电路处理模块对4个拍频信号滤波、混频、倍频、放大之后，得到表征两个脉冲激光重复频率相对抖动的Δfr补偿信号和两者载波包络相位相对抖动的Afo补偿信号，两个补偿信号送信号处理模块处理。
[0009]所述系统仅仅包括一个连续激光器时，电路处理模块接收2个拍频信号，电路处理模块对2个拍频信号滤波、混频、倍频、放大之后，得到两个脉冲激光载波包络相位相对抖动的Afo补偿信号，两个脉冲激光自带独立的重复频率探测和重复频率锁定模块，锁定脉冲激光器的重复频率。
[0010]所述两个脉冲激光器的输出光谱和一至两个连续激光器的输出波长满足限定条件:两个脉冲激光器的光谱具有相互重叠的部分，一至两个连续激光器的输出波长在该重叠光谱区内，并且两个连续激光器的波长不相同。
[0011]所述光学拍频模块包括波分复用器或者合束镜，光电探测器。
[0012]本发明的有益效果在于:本发明自适应双光梳光谱系统，采用频率计数和慢反馈的方式，将拍频信号的飘移范围控制在一定的范围内，有利于实现长期稳定的自适应双光梳光谱测量;频率慢反馈的作用仅仅是限制拍频信号的范围，而不是将拍频信号锁定在一个很精确的特定值，这就降低了反馈线路的带宽和复杂度，引入的电子线路噪声更小，双光梳光谱的测量精度更高;频率慢反馈的形式多样，可以但不限于控制激光器的栗浦电流、偏振状态、工作温度、输出光频，实际应用更方便，控制量的选择方式更灵活;长期稳定的自适应双光梳光谱技术，适用于所有波段，可以提高紫外、中红外、太赫兹等波段自适应双光梳光谱测量系统的稳定性。
【附图说明】
[0013]图1为本发明自适应双光梳光谱系统原理图；
图2为本发明长期稳定的两脉冲两连续光自适应双光梳光谱结构示意图；
图3为本发明长期稳定的两脉冲一连续光自适应双光梳光谱结构示意图；
图4为本发明长期稳定的掺铒光纤激光自适应双光梳光谱结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示自适应双光梳光谱系统原理图，包括脉冲激光1、脉冲激光2、连续激光
1、连续激光2，以及三个拍频探测模块、三个频率计数模块和三个频率慢反馈模块。
[0015]第一拍频探测模块探测到的脉冲激光I和连续激光I的拍频信号为，通过第一频率计数模块，测量出拍频信号的具体值，然后根据所选滤波器的带宽，对该频率的飘移值设定上限和下限，当该拍频信号的自由飘移范围超出所设定的频率上限或者下限时，第一频率慢反馈模块开始工作，通过控制连续激光I的栗浦电流、工作温度、输出光频，把拍频信号限制在设定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在。
[0016]第二拍频探测模块探测到的脉冲激光I和连续激光2的拍频信号为，通过第二频率计数模块，测量出拍频信号的具体值，然后根据所选滤波器的带宽，对该频率的飘移值设定上限和下限，当该拍频信号的自由飘移范围超出所设定的频率上限或者下限时，第二频率慢反馈模块开始工作，通过控制连续激光2的栗浦电流、工作温度、输出光频，把拍频信号限制在设定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在。
[0017]第三拍频探测模块探测到的脉冲激光2和连续激光I的拍频信号为fu，通过第三频率计数模块，测量出拍频信号的具体值，然后根据所选滤波器的带宽，对该频率的飘移值设定上限和下限，当该拍频信号的自由飘移范围超出所设定的频率上限或者下限时，第三频率慢反馈模块开始工作，通过控制脉冲激光2的栗浦电流、偏振状态、工作温度、输出光频，把拍频信号限制在设定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在。
[0018]通过上述频率计数和频率慢反馈，可以保证脉冲激光与连续激光之间三个拍频信号均长期存在，从图中可以看出，当前三个拍频信号的范围确定后，脉冲激光2与连续激光2的拍频信号范围也会确定。将这四个拍频信号经过电学滤波、混频、倍频、放大之后，得到表征脉冲激光I与脉冲激光2重复频率和载波包络相位抖动的补偿信号，最终在双光梳光谱数据分析中，加入补偿信号，获得高精度的自适应双光梳光谱测量结果。
[0019]如图2所示长期稳定的两脉冲两连续光自适应双光梳光谱结构示意图，长期稳定的自适应双光梳光谱系统包括脉冲激光1、脉冲激光2、连续激光1、连续激光2、4个光学拍频模块、3个滤波、3个频率计数和频率慢反馈模块，以及样品池、干涉信号探测、电路处理模块、信号处理模块。
[0020]脉冲激光I和连续激光I通过光学拍频I获得拍频信号，拍频信号分为两路，一路直接送到电路处理模块，另一路经过滤波1、频率计数I，测量出拍频信号的具体值，然后根据所选滤波器的带宽，对该频率的飘移值设定上限和下限，当该拍频信号的自由飘移范围超出所设定的频率上限或者下限时，频率慢反馈模块I开始工作，通过控制连续激光I的栗浦电流、工作温度、输出光频，把拍频信号限制在设定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在。
[0021]脉冲激光I和连续激光2通过光学拍频2获得拍频信号，拍频信号分为两路，一路直接送到电路处理模块，另一路经过滤波2、频率计数2，测量出拍频信号的具体值，然后根据所选滤波器的带宽，对该频率的飘移值设定上限和下限，当该拍频信号的自由飘移范围超出所设定的频率上限或者下限时，频率慢反馈模块2开始工作，通过控制连续激光2的栗浦电流、工作温度、输出光频，把拍频信号限制在设定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在。
[0022]脉冲激光2和连续激光2通过光学拍频3获得拍频信号，拍频信号分为两路，一路直接送到电路处理模块，另一路经过滤波3、频率计数3，测量出拍频信号的具体值，然后根据所选滤波器的带宽，对该频率的飘移值设定上限和下限，当该拍频信号的自由飘移范围超出所设定的频率上限或者下限时，频率慢反馈模块3开始工作，通过控制脉冲激光2的栗浦电流、偏振状态、工作温度、输出光频，把拍频信号限制在设定的频率范围，保证拍频信号长期稳定存在。
[0023]通过上述频率计数和频率慢反馈，可以保证脉冲激光与连续激光之间三个拍频信号均长期存在，当前三个拍频信