一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测量技术领域，特别涉及一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器。
【背景技术】
[0002]利用两台具有一定重复频率差异的飞秒激光器组成异步时域采样系统，可以实现高精度的绝对距离测量和精密光谱测量。该方法因其具有测量速度快和准确度高等优势，已经成为当前激光精密测量领域的热点。飞秒激光器的性能是整个测量系统的瓶颈。尽管目前所使用的光纤飞秒激光器，相比于固体飞秒激光器，具有体积小巧、价格低廉和稳定性好的优势，但是为了在工业应用中利用飞秒激光进行精密测量，光纤飞秒激光器的性能还需要被提升。一方面，需要增大飞秒激光重复频率的调谐范围。2004年，Washburn等人在掺饵光纤环形腔中加入光纤延时线，得到了 49.3MHz-50.1MHz的重复频率调节范围。同年，Hundertmark等人在掺饵光纤腔中利用可移动反射镜得到了 55.3MHz—56.4MHz的重复频率调节范围。上述激光器虽然实现了重复频率的调谐，但是调谐范围非常有限。增大重复频率的调谐范围可以使得飞秒激光器的重复频率调节范围足以抑制长期的温度漂移，而且这也可以使制作两台重复频率接近的飞秒激光器变得更容易。另一方面，需要提高飞秒光纤激光器锁模状态的稳定性。非线性偏振和可饱和吸收是两种常见的光纤飞秒激光器锁模机制，但是各自都互有优劣，基于可饱和吸收和非线性偏振旋转混合锁模机制的掺饵光纤激光器可以产生自启动并且锁模稳定的飞秒激光脉冲，这种混合锁模机制对于制作环境适应性强的光频梳非常有效。但是，如何有效的实现两种锁模机制的有效结合，需要针对飞秒激光谐振腔的色散特性进行优化。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，在环形激光腔内加入自动控制的光学延迟线，并且在掺饵光纤上粘附压电陶瓷，通过压电陶瓷改变腔长来抑制重复频率的短期波动，实现了光纤飞秒激光器重复频率的大范围调谐，优化了光纤飞秒激光器的腔内色散，实现了非线性偏振和可饱和吸收的有效结合，最终利用这种混合锁模方式提高了激光器的稳定性。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，包括基于混合锁模机制的重复频率可调掺饵光纤激光器、重复频率锁定系统以及计算机控制系统，其中:
[0006]所述基于混合锁模机制的重复频率可调掺饵光纤激光器包括依次设置在泵浦源I出射光路上的通过单模光纤210连接起来组成环形激光腔的波分复用器200、粘有压电陶瓷202的掺饵光纤201、光隔离器203、半导体可饱和吸收体204、光学延迟线205以及设置在光学延迟线205的左右准直透镜之间的非线性偏振旋转器件，通过非线性偏振旋转器件寻找最优的偏振状态从而实现锁模，锁模激光以空间光输出；
[0007]所述重复频率锁定系统包括接所述空间光将其分为两束的耦合器300，以及依次设置于其中一束光路上的光电探测器301、1:2的分光器302、滤波器303、放大器304、相位探测器305、比例积分器306和高压放大器307 ;所述相位探测器305由一个混频器和一个低通滤波器组成，该混频器连接锁定在铷钟308上的本地振荡器309输出的本地振荡信号，放大器304输出的电信号与该本地振荡信号进行混频再由低通滤波器取出差频信号，该差频信号即误差信号，误差信号再通过比例积分器306变为电压信号，最终通过高压放大器307得到高压信号，该高压信号用于控制压电陶瓷202改变所述掺饵光纤激光器的腔长，从而抑制重复频率的短期波动，使输出激光的重复频率稳定；
[0008]所述计算机控制系统包括计算机400和频率计401，频率计401接1:2的分光器302输出信号的一路以及铷钟308将其频率输入至计算机400，计算机400还通过数据采集卡402接收比例积分器306的输出，计算机400通过判断比例积分器306的的输出来对光学延迟线205进行控制，实现所述掺饵光纤激光器腔长的增大或减小，补偿输出激光重复频率的长期大范围波动。
[0009]所述波分复用器200将泵浦源I发出的激光耦合到环形激光腔中，掺饵光纤201和光隔离器203保证光线沿单一方向运动，半导体可饱和吸收体204利用对光强的非线性滤波效应实现自启动。
[0010]所述非线性偏振旋转器件由依次设置在光路上的1/4波片206、第一 1/2波片207、偏振分光棱镜208和第二 1/2波片209，通过旋转波片寻找最优的偏振状态从而实现锁模，锁模激光通过偏振分光棱镜208以空间光输出。
[0011]所述掺饵光纤201缠绕成环。
[0012]所述频率计401接1:2的分光器302输出信号的一路进行重复频率锁定，1:2的分光器302输出信号的另一路连接至带通滤波器303，带通滤波器303将待锁定重复频率之外的频率信号滤掉，减少噪声和干扰。
[0013]所述本地振荡器309的频率设定和铷钟308的频率设定均与待锁定重复频率一致。
[0014]所述高压信号作为反馈信号控制压电陶瓷202改变掺饵光纤激光器的腔长，直到输出的误差信号为O。
[0015]当重复频率改变超过了变化范围，数据采集卡402持续采集误差信号送给计算机，计算机400通过误差信号判断重复频率改变是否超过控制范围，若超过，则控制光学延迟线205，使其逐步移动，每移动一步后对误差信号进行判断，直到误差信号为0，使光学延迟线205停止运动，即达到对重复频率长期大范围波动的抑制。
[0016]将具有宽重复频率调谐范围的小型光纤飞秒激光器的输出激光基频持续锁定至铷钟的14小时内，基频的标准方差为0.16mHzo
[0017]在本发明具有宽重复频率调谐范围的小型光纤飞秒激光器中，可自动控制的光学延时线最大可以改变激光腔长约5.5cm，从而可以得到101.29MHz—103.02MHz的宽重复频率调谐范围。
[0018]本发明具有宽重复频率调谐范围的小型光纤飞秒激光器，不仅可以对输出激光的基频进行锁定，而且还可以对10次谐波(1.02GHz)进行锁定，在10次谐波锁定时，反馈带宽可以达到?400Hz。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结构示意图。
[0020]图2是不同重复频率时的脉冲特征图，其中，注:(a)和(d)是101.3MHz，(b)和(e)是 102.0MHz, (c)和(f)是 103.0MHz，光谱仪(86142Β, Agilent)的分辨率带宽为 2nm，自相关仪(PulseCheck，APE)的扫描范围是1500fs。
[0021]图3是重复频率为102.0MHz时的时序图和频谱图，其中频谱仪的(N9020A, Agilent)的分辨率带宽为1MHz，衰减为10dB。
[0022]图4是长时间的重复频率控制示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0024]本发明的系统结构如图1所示。该系统包括三个部分:基于混合锁模机制的重复频率可调掺饵光纤激光器、重复频率锁定系统和计算机控制系统。
[0025]其中基于混合锁模机制的重复频率可调掺饵光纤激光器包括依次设置在泵浦源I出射光路上的通过单模光纤210连接起来组成环形激光腔的波分复用器200、粘有压电陶瓷202的掺饵光纤201、光隔离器203、半导体可饱和吸收体204、光学延迟线205、1/4波片206、第一 1/2波片207、偏振分光棱镜208和第二 1/2波片209，波分复用器200将泵浦源I发出的激光耦合到环形激光腔中，掺饵光纤201和光隔离器203保证光线沿单一方向运动，避免反射光对泵浦源I造成影响，引起泵浦激光模式混乱，半导体可饱和吸收体204利用对光强的非线性滤波效应实现自启动。而1/4波片206、第一 1/2波片207、偏振分光棱镜208和第二 1/2波片209放置于光学延迟线205的左右准直透镜之间，构成非线性偏振旋转器件，通过旋转波片可以寻找最优的偏振状态实现锁模，锁模激光通过偏振分光棱镜208以空间光输出；掺饵光纤201缠绕成环并粘有压电陶瓷202，通过控制压电陶瓷202和光学延迟线205都可以改变环形激光腔的腔长。
[0026]重复频率锁定系统包括设置在所述掺饵光纤锁模激光器空间光输出之后的耦合器300、光电探测器301、1:2的分光器302、滤波器303、放大器304、相位探测器305、比例积分器306、高压放大器307、铷钟308以及本地振荡器309。从掺惧光纤锁模激光器输出的空间光通过准直器211耦合到单模光纤后通过耦合器300分成两束，一束用于重复频率锁定，一束用于放大后测量使用，用于重复频率锁定的光通过光电探测器301后变为电信号，再通过1:2分光器302、滤波器303和放大器304后进入相位探测器305。相位探测器305由一个混频器和一个低通滤波器组成，经滤波、放大后的电信号与本地振荡信号进行混频形成误差信号，本地振荡信号由本地振荡器309生成，本地振荡器309锁定在铷钟308上并且需要根据待锁定的重复频率值设定振荡频率，得到的误差信号通过比例积分器306后变为一定范围内的电压信号，再进入高压放大器307后得到高压信号，用于控制压电陶瓷202进而改变环形激光腔的腔长，从而可以抑制重复频率的短期波动，使输出激光的重复频率稳定。
[0027]计算机控制系统包括计算机400、频率计401和数据采集卡402。频率计401通过自身的GPIB接口电连接至计算机，频率计401接1:2的分光器302输出信号的一路以及铷钟308对其频率进行检测，检测结果输入至计算机400，计算机400通过数据采集卡402接收比例积分器306的输出，计算机程序通过判断比例积分器306的输出来对光学延迟线205进行自动控制，实现腔长的增大或减小，补偿输出激光重复频率的长期大范围波动。
[0028]本发明光梳系统的制作和运行包括以下步骤:
[0029]1、分别按照图1所示三部分:基于混合锁模机制的重复频率可调掺饵光纤激光器、重复频率锁定系统和计算机控制系统搭建具有宽重复频率调谐范围的光纤飞秒激光器。其中在掺铒光纤激光器中，掺饵光纤201采用ER110-4/125，Liekki,长度约为0.7m，单模光纤210总长度约为lm，半导体可饱和吸收体204采用BATOP公司生产的SA-1550-25-F