C/APC，可自动控制的光学延迟线205采用OZ公司的光学延迟线-300-MC/RS232，压电陶瓷202采用Throlabs公司的AE0505D16F。在重复频率锁定系统中，光电探测器301采用Newport公司的3dB带宽高达IGHz的1611，组成相位探测器305的混频器采用Min1-Circuits公司的ZAD-2+，低通滤波器采用Min1-Circuits公司的BLP-1.9+，但是要根据锁定的重复频率大小决定低通滤波器的截止频率，比例积分器采306用Newport公司的LB1005，本地振荡器309采用Aglient公司的E8663D，铷钟308采用SRS公司的PRS10，它在平均时间为Is时的阿兰方差小于2X 10_n。计算机控制系统中的频率计401采用Aglient公司的53230A。
[0030]2、具有宽重复频率调谐范围的光纤飞秒激光器搭建好之后，将从光电探测器301输出的电信号接入到频谱仪86142B，Agilent和示波器上，边调节波片1/4波片206、第一1/2波片207、第二 1/2波片209边观察频谱仪和示波器上的信号，直到获得稳定的锁模状态，之后调节泵浦源I的泵浦功率直到在频谱仪上观察到足够宽的光谱范围并且在示波器上显示的脉冲时序没有其它级次的谐波峰。
[0031]3、光纤飞秒激光器成功锁模后，用计算机400控制光学延迟线205改变激光器的腔长，直到重复频率达到希望值，为了之后的重复频率锁定过程描述方便，在此以102.0MHz为例。
[0032]4、对重复频率进行锁定时，用光电探测器301将从掺饵光纤激光器输出的锁模信号变为电信号，再通过1:2的分束器302，取一部分进行重复频率锁定，之后通过带通滤波器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，经过滤波后的信号通过放大器304放大后进入相位探测器305，相位探测器305由一个混频器和一个低通滤波器组成，混频器是将经滤波、放大后的电信号与本地振荡信号进行叠加，这里本地振荡器309的频率设定为102.0MHz，本地振荡器309要锁定在铷钟308上，铷钟308的频率也要设定为102.0MHzo从混频器输出的信号再通过低通滤波器取出差频信号，此差频信号就是所需的误差信号，得到的误差信号通过比例积分器306转折频率和增益分别设置为3kHz和5dB后变为一定范围内的电压信号这里为O — 10V，再进入高压放大器307后得到高压信号这里为O — 150V，高压信号作为反馈信号控制压电陶瓷202改变腔长，直到输出的误差信号为0，从而抑制了重复频率的短期波动，实现输出激光重复频率的稳定。
[0033]5、上述重复频率锁定过程中的反馈电压从O — 150V变化，可以控制重复频率的变化范围约为488Hz，当重复频率改变超过了 488Hz比如随着温度等环境因素的长期大范围波动，计算机控制系统就会发挥作用。数据采集卡402会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步骤4中的控制范围，若超过，计算机就会控制光学延迟线205，使其一步一步地移动，每移动一步大约可以使腔长改变2 μπι，对应重复频率改变约50Hz，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。
[0034]6、至此光纤飞秒激光器就可以实时在重复频率稳定的情况下运行，若整个系统关机后重启时，由于环境因素或其它外界因素的影响使得锁模状态发生改变或者模式失锁，只要通过旋转波片1/4波片206、第一 1/2波片207、第二 1/2波片209便可以恢复原来的锁模状态。
[0035]为了检测整个系统的性能，利用光谱仪、频谱仪、示波器、自相关仪和信号分析仪对光梳系统的输出信号进行了测试。当利用光学延迟线改变腔长时，得到了重复频率分别为101.3MHz、102.0MHz和103.0MHz的光脉冲，三种重复频率下的光谱形状相似，3dB带宽分别为53.0nm, 50.8nm和50.7nm。利用自相关仪PulseCheck，APE测量了脉冲的持续时间，如果脉冲具有sech函数的形状，理论上的脉冲持续时间可以达到50fs左右，但是由于输出的脉冲信号通过20cm的单模光纤送入自相关仪，脉冲在一定程度上产生啁啾，导致脉冲持续时间增大。光谱和脉冲持续时间测试结果如图2所示。
[0036]当基频102.0MHz被锁定后，用示波器和频谱仪N9020A，Agilent对输出信号进行测量，测试结果如图3所示。从示波器上可以看出输出脉冲的时域信号没有其它级次谐波和杂散射频噪声峰。由于光电探测器的带宽高达1GHz，所以在输出信号的射频谱上可以看到10次谐波信号的能量基本没有衰减。
[0037]为了测试整个系统的长期稳定性，对基频102.0MHz进行锁定，在压电陶瓷和光学延迟线的控制下，在没有温控的情况下测试了 14小时的重复频率稳定性。图4给出重复频率的变化和在不同平均时间下的阿兰方差。从中可以计算出重复频率的标准方差为0.16mHz，在平均时间为Is和1024s时，重复频率的阿兰方差分别为1.71X10_12和
3.91X10'
[0038]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的型号、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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: 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； 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； 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。
2.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，所述掺饵光纤(201)缠绕成环。
5.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，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。
【专利摘要】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，掺饵光纤激光器带有环形腔，腔内加入了自动控制的光学延迟线，激光器的重复频率可以实现大范围的调谐，为了实现重复频率的稳定，一方面，使用压电陶瓷来控制增益光纤的长度从而抑制重复频率的短期波动；另一方面，调节光学延迟线可以补偿重复频率的大范围长期波动；本发明飞秒激光振荡器具有体积小巧、稳定性好、重复频率可调谐、重复频率可控制等优势，具有在工业环境中工作的潜力。
【IPC分类】H01S3-067, H01S3-098
【公开号】CN104638501
【申请号】CN201510044346
【发明人】杨丽君, 吴学健, 张弘元, 李岩, 尉昊赟
【申请人】清华大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月28日