一种重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳的制作方法
【专利摘要】一种具有重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，包括基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器、基于压电陶瓷的参考激光锁定系统、基于泵浦电流的参考激光锁定系统、计算机控制系统以及温控系统；掺饵光纤激光器为环形腔结构，腔内加入电控光学延迟线，激光器的重复频率可以实现宽带连续调谐；为实现光频参考的飞秒脉冲输出，采用快速、慢速压电陶瓷、泵浦电流调制协同控制飞秒激光与两台参考激光的拍频，设计了易于使用的快速压电陶瓷固定结构，并设计温控箱以利于获得稳定拍频；本发明飞秒激光器具有光频参考输出、重复频率可宽带调谐、稳定性好、体积小巧等优势，具有在工业环境中应用的潜力。
【专利说明】
一种重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳
技术领域
[0001]本发明属于测量技术领域，特别涉及一种重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳。
【背景技术】
[0002]双光频梳测量系统以两台具有一定重复频率差异的飞秒激光器为主体，在时域内实现异步光学采样，同时在频域内完成多外差并行测量，具有测速快、测量结果可溯源等优势。然而，双光频梳系统的测量优势严重依赖激光器性能。首先，频率稳定性在双光频梳测量指标中起决定作用。目前，商用光频梳的输出激光频率大多直接参考于射频基准，此类激光系统可完成激光绝对频率测量，但难以保证双光频梳高精度测量。采用光频参考可有效抑制光学纵模的相位噪声，提高光频梳的相干性。2005年，Hudson等人在激光腔内加入电光调制晶体用于快速伺服反馈，使飞秒激光溯源至稳频激光。2006年，Swann等人利用快、慢压电陶瓷协同控制同样实现了光频参考的飞秒激光。以上两种方法中，电光调制晶体的插入损耗比较大，并且难以实现锁模，不利于实验室外应用。压电陶瓷成本更低，更易使用，但所用固定方式较为繁琐。其次，双光频梳系统需要两台重复频率接近的飞秒激光器。已报导的方案借助了光学频域反射计来指示激光腔长，而实际操作受光纤剪切长度限制会带来诸多不便。2004年,Washburn等和Hundertmark等人在激光腔内加入光学延迟线，使重复频率可连续调谐，但调谐范围依然有限。最后，飞秒光纤激光器锁模稳定性影响系统工作效率。常用锁模机制包括非线性偏振旋转和可饱和吸收;前者易锁模自启动，后者输出光谱宽。基于两者的混合锁模机制综合了各自优点，可提高光源输出稳定性。但有效结合需要优化栗浦功率并对光纤激光腔进行色散管理。
【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重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，首先，通过偏频锁定方式，使用压电陶瓷伺服环路将光纤飞秒激光器某一纵模锁定至第一参考激光器;在环路中，快速、慢速压电陶瓷粘附光纤，快速压电陶瓷用于抑制锁定拍频的高频噪声，慢速压电陶瓷用于补偿拍频漂移；同时使用栗浦电流伺服环路将光纤飞秒激光器另一纵模锁定至第二参考激光器，从而实现完全光频参考的光纤飞秒光频梳。设计了快速压电陶瓷的固定结构;为获得稳定待锁定信号，光纤激光腔放置于温控箱内；其次，激光腔内加入电控光学延迟线，一方面可以大范围调节激光腔长，另一方面可在上述慢速压电陶瓷基础上补偿拍频甚长期漂移;最后，对光纤腔长进行色散管理并调节栗浦功率，实现混合锁模有效结合，提高激光器输出稳定性。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]—种重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，包括基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器、基于压电陶瓷的参考激光锁定系统、基于栗浦电流的参考激光锁定系统、计算机控制系统以及温控系统，其中:
[0006]所述基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器置于温控箱内，包括由依次设置在栗浦源I输出光路上的波分复用器201、掺饵光纤202、可饱和吸收体203、光隔离器204、单模光纤205、慢速压电陶瓷206、快速压电陶瓷207以及电控光学延迟线连接起来组成的环形激光腔，在电控光学延迟线中，设置用于寻找最优偏振状态从而实现锁模的非线性偏振旋转器件，锁模激光以空间光输出，并设置光纤准直器215耦合至光纤用于基于压电陶瓷的参考激光锁定系统和应用；
[0007]所述基于压电陶瓷的参考激光锁定系统包括合并所述飞秒激光器和第一参考激光器301输出的光纤耦合器一 302，光纤耦合器一 302输出连接光电平衡探测器一 303将光信号转换为电信号，所述电信号经带通滤波器一 304、功率分配器一 305、功功率放大器一 306后作为待锁定信号输入至数字鉴相器一 307，数字鉴相器一 307的参考信号由参考于铷钟308的频率综合器一 309提供，数字鉴相器一 307的输出分为两路分别连接快速和慢速控制链路，其中，慢速控制链路包括第一比例积分器310和第一高压驱动器311，输出高压信号用于控制慢速压电陶瓷206;快速控制链路包括第二比例积分器312和第二高压驱动器313，输出高压信号用于控制快速压电陶瓷207，快速和慢速控制链路保证飞秒激光与第一参考激光器长时间相位锁定；
[0008]所述基于栗浦电流的参考激光锁定系统包括合并所述飞秒激光器和第二参考激光器401输出的光纤耦合器二402，光纤耦合器二402输出连接光电平衡探测器二403将光信号转换为电信号，所述电信号经带通滤波器二404、功率分配器二405、功率放大器二 406后作为待锁定信号输入至数字鉴相器二 407，数字鉴相器二 407的参考信号由参考于铷钟308的频率综合器二408提供，数字鉴相器二407的输出误差信号，经第三比例积分器409和栗浦源驱动器410，输出高压信号用于控制栗浦源I，保证飞秒激光与第二参考激光器相位锁定；
[0009]所述计算机控制系统包括数据采集卡501和计算机502，所述数据采集卡501将第一比例积分器310输出电压数字化，采集电压送至计算机502，通过判断电平控制光学延迟线中电控位移台210;
[0010]所述温控系统包括温控器6，用于保证温控箱内温度保持恒定。
[0011]所述波分复用器201将栗浦源I耦合到环形激光腔中，可饱和吸收体203利用对光强的非线性吸收效应实现自启动，光隔离器204保证腔内光束沿单方向传播。
[0012]所述非线性偏振旋转器件由依次设置在光路上的第一1/4波片211、1/2波片212、偏振分光棱镜213和第二 1/4波片214组成，通过旋转波片寻找最优偏振状态从而实现锁模，锁模激光通过偏振分光棱镜213以空间光输出。
[0013]所述单模光纤205在预拉伸状态下，粘附在快速压电陶瓷206和慢速压电陶瓷207。
[0014]所述光纤准直器215接收到飞秒脉冲与第一参考激光器301的输出光在光纤耦合器一 302中合并，光纤耦合器一 302输出端接入光电平衡探测器一 303，获得高信噪比待锁定拍频信号，减少共模噪声。
[0015]所述数字鉴相器一307将误差信号分为两路，一路直接输出，用于快速伺服控制；另一路内置20kHz低通滤波器，减小了信号带宽，用于慢速伺服控制。
[0016]所述快速控制链路中，第一比例积分器310根据误差信号输出反馈电压信号，第一高压驱动器311将反馈电压信号放大输出，驱动慢速压电陶瓷206，补偿拍频漂移，从而控制拍频信号长期稳定;所述慢速控制链路中，第二比例积分器312根据误差信号输出反馈电压信号，第二高压驱动器313将反馈电压信号放大输出，驱动快速压电陶瓷207，抑制拍频信号高频噪声，两链路共同保证飞秒激光与第一参考激光器长时间相位锁定。
[0017]所述光纤准直器215接收到飞秒脉冲与第二参考激光器401的输出光在光纤耦合器二402中合并，光纤耦合器二402输出端接入光电平衡探测器二403，获得高信噪比待锁定拍频信号，减少共模噪声。
[0018]所述数字鉴相器二407将误差信号直接输出，用于快速电流伺服控制。
[0019]所述快速电流伺服控制中，第三比例积分器409根据误差信号输出反馈电压信号，栗浦源驱动器410将反馈电压信号转换为栗浦电流调制信号，从而控制栗浦源输出功率保证飞秒激光与第二参考激光器相位锁定。
[0020]所述电控光学延迟线由光纤准直器一 208、光纤准直器二 209和电控位移台210组成，用于在光纤激光腔构建过程中实现大范围连续调节腔长，以便于获得设计脉冲重复频率。
[0021]所述数据采集卡501将第一比例积分器310输出电压数字化，计算机502通过判断电平是否超过设定阈值来控制光学延迟线中电控位移台210，补偿光纤腔长的长期波动，使第一比例积分器310的输出电压回到设定阈值内。
[0022]所述温控箱内设置温度传感器216和加热制冷片217用于箱内温度监测和控制，温度传感器216将温控箱内当前温度信号输入至温控器6，温控器6输出信号控制加热制冷片217。
[0023]本发明具有重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，使用快速、慢速压电陶瓷协同控制，可将光纤飞秒激光器锁定至第一参考激光器，锁定带宽为40kHz，锁定后的拍频相位噪声积分值为1.03rad，平均时间为I s的Al Ian标准差为31.5mHz，Al Ian相对标准差分别为1.6 X 10一9;
[0024]本发明具有重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，使用快速电流调制可将光纤飞秒激光器锁定至第二参考激光器，锁定带宽为15kHz，平均时间为Is的Allan标准差为I.8mHz ,Allan相对标准差分别为9.2 X 10—11 ；
[0025]本发明具有重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，放置于温控箱内，保证光纤飞秒激光器工作温度恒定，温控精度为±0.02K。
[0026]本发明具有重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳中，可电控光学延时线，最大可以改变激光腔长约5.5cm，从而实现重复频率在97.1-98.9MHz之间连续调节。
【附图说明】
[0027]图1是本发明的结构示意图。
[0028]图2给出了2天内飞秒激光器所处环境的温度变化，前24小时飞秒激光器放置于温控箱内，后24小时飞秒激光器静置在外界环境中。
[0029]图3是飞秒激光器与第一参考激光器的锁定拍频频谱和相位噪声谱。
[0030]图4是飞秒激光器与第一参考激光器的锁定拍频的频率误差。
[0031]图5是飞秒激光器与第一参考激光器的锁定拍频的不同平均时间下相对Allan标准差。
[0032]图6是飞秒激光器与第二参考激光器的锁定误差信号噪声功率谱。
[0033]图7是飞秒激光器与第二参考激光器的锁定拍频的频率误差。
[0034]图8是飞秒激光器与第二参考激光器的锁定拍频的不同平均时间下相对Allan标准差。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0036]本发明的系统结构如图1所示。该系统包括五个部分:基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器、基于压电陶瓷的参考激光锁定系统、温控系统以及计算机控制系统。
[0037]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栗浦源I输出光路上的通过波分复用器201、掺饵光纤202、可饱和吸收体203、光隔离器204、单模光纤205、慢速压电陶瓷206、快速压电陶瓷207，光纤准直器一 208、第一 1/4波片211、1/2波片212、偏振分光棱镜213和第二 1/4波片214、光纤准直器二 209和电控位移台210的组成环形激光腔。波分复用器201将栗浦源I耦合到环形激光腔中，可饱和吸收体203利用对光强的非线性吸收效应实现自启动，光隔离器204保证腔内光束沿单方向传播，避免形成逆向传播光束。第一 1/4波片211、1/2波片212、偏振分光棱镜213和第二 1/4波片214构成非线性偏振旋转器，通过旋转波片寻找最优偏振状态实现锁模。快速压电陶瓷206和慢速压电陶瓷207粘附预拉伸状态光纤，通过控制快速压电陶瓷206和慢速压电陶瓷207都可以改变环形激光腔的腔长，电控位移台210也可用于环形腔长调节。飞秒激光器放置于温控箱内，温度传感器216和加热制冷片217用于箱内温度监测和控制。锁模激光通过偏振分光棱镜213以空间光输出。
[0038]基于压电陶瓷的参考激光锁定系统包括第一参考激光器301、光纤親合器一302，光电平衡探测器一 303、带通滤波器一 304、功率分配器一 305、功功率放大器一 306、数字鉴相器一 307、铷钟308、频率综合器一 309、第一比例积分器310、第一高压驱动器311、第二比例积分器312和第二高压驱动器313。掺t耳光纤激光器输出的飞秒激光和第一参考激光器301输出激光，通过光纤耦合器一 302连接至光电平衡探测器一 303将光信号转换为电信号，再经带通滤波器一 304、功率分配器一 305、功功率放大器一 306输入至数字鉴相器一 307。数字鉴相器一 307的参考信号由参考于铷钟308的频率综合器一 309提供。数字鉴相器一 307的输出分为两路分别连接快速和慢速控制链路。其中，快速控制链路包括第一比例积分器310和第一高压驱动器311，输出高压信号用于控制快速压电陶瓷206;慢速控制链路包括第二比例积分器312和第二高压驱动器313，输出高压信号用于控制慢速压电陶瓷207。快速和慢速控制链路保证飞秒激光与第一参考激光器长时间相位锁定。
[0039]基于栗浦电流的参考激光锁定系统包括合并第二参考激光器401、光纤耦合器二402、光电平衡探测器二 403、带通滤波器二404、功率分配器二 405、功率放大器二 406、数字鉴相器二 407、频率综合器二408提供、第三比例积分器409和栗浦源驱动器410。掺饵光纤激光器输出的飞秒激光和第二参考激光器401输出激光，通过光纤耦合器二402连接至光电平衡探测器二 403将光信号转换为电信号，所述电信号经带通滤波器二 404、功率分配器二405、功率放大器二 406后作为待锁定信号输入至数字鉴相器二 407，数字鉴相器二 407的参考信号由参考于铷钟308的频率综合器二408提供，数字鉴相器二407的输出误差信号，经第三比例积分器409和栗浦源驱动器410，输出高压信号用于控制栗浦源1，保证飞秒激光与第二参考激光器相位锁定。
[0040]计算机控制系统包括数据采集卡501和计算机502。数据采集卡501将第一比例积分器310输出电压数字化，计算机502通过判断电平是否超过设定阈值来控制光学延迟线中电控位移台210，使第一比例积分器310的输出电压回到设定阈值内，S卩补偿光纤腔长的长期波动。
[0041 ] 温控系统包括温控器6。温度传感器216将温控箱内当前温度信号输入至温控器6，温控器6输出信号控制加热制冷片217，保证温控箱内温度保恒定。
[0042 ]本发明光纤飞秒激光器系统的制作和运行包括以下步骤:
[0043]1、分别按照图1所示的五部分:基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器、基于压电陶瓷的参考激光锁定系统、温控系统以及计算机控制系统搭建具有重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳。其中在掺铒光纤激光器中，
[0044]栗浦源I采用Oclaro，LC96AA74P-20R，其温控模块采用Throlabs，TED8020;掺饵光纤202采用ER110-4/125 ,Liekki，长度约为0.6m;单模光纤210总长度约为1.4m;可饱和吸收体204采用BAT0P，SA-1550-25-FC/APC;电控光学延迟线由光纤准直器一208、光纤准直器二209 和电控位移台 210 组成，整体采用 0Z，0DL-300-ll-1550-9/125-S-60-XX-l-l-MC/RS232;快速压电陶瓷206采用Throlabs，PA3CEW;慢速压电陶瓷207采用Throlabs，AE0505D16F;加热制冷片 217 采用FerroTec，72001/127/060B;
[0045]在基于压电陶瓷的参考激光锁定系统中，第一参考激光器301采用RedfernIntegrated Optics,R10195-3-16-4;光电平衡探测器一303采用Newport，1817；带通滤波器一 304采用Min1-Circuits，SIF-21.4+;功率分配器一 305采用Min1-Circuits，ZSC_2_1+ ；功功率放大器一306采用豺11卜(:化(311忖8，2?1^-5001^+;数字鉴相器一307采用MenloSystems，DXD200;铷钟308采用SRS，PRS10，其平均时间为Is时Allan方差小于2 X 10-n;频率综合器一309采用MenloSystems，DDS120;第一比例积分器310和第二比例积分器312均采用Newport，LB1005 ；第一高压驱动器311采用Throlabs，HVA200 ；第二高压驱动器313 采用Throlabs，MDT693B;
[0046]在基于栗浦电流的参考激光锁定系统中，第二参考激光器401采用RedfernIntegrated Optics,R10195-3-54-4;光电平衡探测器二403采用Newport，1817；带通滤波器二404采用Min1-Circuits，SIF-21.4+;功率分配器二 405采用Min1-Circuits，ZSC_2_1+ ；功率放大器二406 采用Min1-Circui ts，ZFL-500LN+ ；数字鉴相器二 407 采用MenloSystems，DXD200 ；频率综合器二408采用MenloSystems，DDS120 ；第三比例积分器采用Newport，LB1005 ；栗浦源驱动器 410 采用Throlabs，LDC8010;
[0047]温控系统中的温控器6采用TCM-M207 ；
[0048]计算机控制系统中的数据采集卡采用Nat1nal Instruments，USB6366。
[0049]2、将单模光纤(205)拉伸，粘附在慢速压电陶瓷(206)和快速压电陶瓷(207)上，用于控制光频锁定中的拍频信号。将快速压电陶瓷(207)固定在如图2所示安装座。
[0050]3、具有重复频率可宽带调谐掺饵光纤激光器搭建好之后，组装图3所示温控箱各部件，按图1依次连接温度传感器216、温控器6和加热制冷片217，然后将光纤激光器放置于温控箱内。[0051 ] 4将光纤准直器215—路输出接到光谱仪Agi lent，86142B和示波器Agi lent，DS09254A，调节第一 1/4波片211、1/2波片212和第二 1/4波片214的同时，观察光谱仪和示波器上的信号，直到获得稳定的锁模状态，之后调节栗浦源I的栗浦功率直到光谱仪呈现足够宽的光谱并且在示波器上显示的脉冲时序没有其它级次的谐波峰。
[0052]5、光纤飞秒激光器成功锁模后，用计算机502控制光学延迟线中电控位移台210改变激光器的腔长，直到设计重复频率。电控位移台210最终可移动范围是5.5厘米，设计重复频率为98MHz，预计可实现97.1-98.9MHz内连续调节。
[0053]6、将光纤飞秒激光器锁定至第一参考激光器301时，光电平衡探测器一 303将光拍频转换为电信号，经带通滤波器一304、功率分配器一305取一部分进行偏频锁定，另一部分用于监视，连接频谱仪Agilent，N9010A;此电信号经功功率放大器一 306作为输入至数字鉴相器一 307;频率综合器一 309溯源至铷钟308，并输出20MHz正弦信号至数字鉴相器一 307的参考信号输入端;数字鉴相器一 307输出的误差信号分为两路分别连接快速和慢速控制链路，另外数字鉴相器一307的监视端口连接至示波器Agilent，DS09254A;其中，快速控制链路包括第一比例积分器310和第一高压驱动器311，输出高压信号用于控制快速压电陶瓷206;慢速控制链路包括第二比例积分器312和第二高压驱动器313，输出高压信号用于控制慢速压电陶瓷207;调节第二高压驱动器313偏置电压的同时，观察频谱仪上的监视信号，使拍频信号接近20MHz，然后打开第二比例积分器312，调节其截止频率和增益，使数字鉴相器一307监视端口的锯齿形误差信号稳定;之后，打开第一比例积分器310，调节其截止频率和增益，使数字鉴相器一307监视端口的锯齿形误差信号变为均值为O的直流信号，此时飞秒激光与参考激光实现相位锁定。
[0054]7、将光纤飞秒激光器锁定至第二参考激光器401时，光电平衡探测器二 403将光拍频转换为电信号，经带通滤波器二404、功率分配器二405取一部分进行偏频锁定，另一部分用于监视，连接频谱仪Agilent，N9010A;此电信号经功率放大器二406作为输入至数字鉴相器二407;频率综合器二 408溯源至铷钟308，并输出20MHz正弦信号至数字鉴相器二 407的参考信号输入端;数字鉴相器一307输出的误差信号连接至第三比例积分器409，另外数字鉴相器二407的监视端口连接至示波器Agilent，DS09254A;调节栗浦驱动器410的偏置电压的同时，观察频谱仪上的监视信号，使拍频信号接近20MHz，然后打开第三比例积分器409，调节其截止频率和增益，使数字鉴相器二 407监视端口的锯齿形误差信号变为均值为O的直流信号，此时飞秒激光与第二参考激光器实现相位锁定。
[0055]8、上述光纤飞秒激光器锁定至第一参考激光器301过程中，数据采集卡501持续采集第一比例积分器310的输出电压，电压值为O-1OV之间，但在0-3 V和7-1OV对锁定链路中元件产生不利影响。因此计算机502根据采集电压是否在3-7V之间来使能控制光学延迟线中电控位移台210运动，从而补偿随着温度等环境因素的甚长期大范围漂移，使第二比例积分器312的输出电压回到3-7V之间，保证飞秒激光与参考激光实现长期相位锁定。
[0056]9、光纤飞秒激光器在工作过程中，温控器6实时获得温度传感器216的输出信号，并通过软件实时处理将反馈电流送至加热制冷片217，使得光纤激光器工作温度恒定。
[0057]10、至此光纤飞秒激光器实现了光频参考输出，若整个光源系统关机后重启，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，只需通过旋转第一1/4波片211、1/2波片212和第二 1/4波片214便可恢复锁模状态。
[0058]为了检测整个系统的性能，对光纤飞秒光频梳进行测试:
[0059]图2给出了2天内飞秒激光器所处环境的温度变化。前24小时飞秒激光器放置于温控箱内，后24小时飞秒激光器静置在外界环境中。数据看出，温控精度在± 0.02K;
[0060]图3给出光纤飞秒激光器锁定至第一参考激光器的锁定拍频频谱和相位噪声谱，锁定带宽为40kHz，相位噪声谱测量带宽内相位噪声积分值为1.03rad，表明拍频载波功率占带宽内信号功率的35%;
[0061]图4和图5给出光纤飞秒激光器锁定至第一参考激光器的锁定拍频的频率误差和不同平均时间下的AlIan标准差，计算出平均时间为Is的AlIan标准差为31.5mHz，平均时间为Is和1024s的Allan相对标准差分别为I.6 X 10—9和I.9 X 10—n;
[0062]图6给出光纤飞秒激光器锁定至第二参考激光器的锁定误差信号噪声功率谱，锁定带宽为15kHz;
[0063]图7和图8给出光纤飞秒激光器锁定至第二参考激光器的锁定拍频的频率误差和不同平均时间下的AlIan标准差，计算出平均时间为Is的AlIan标准差为1.8mHz，Al Ian相对标准差分别为9.2 X 10—11。
[0064]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】
1.一种重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，包括基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器、基于压电陶瓷的参考激光锁定系统、基于栗浦电流的参考激光锁定系统、计算机控制系统以及温控系统，其中: 所述基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器置于温控箱内，包括由依次设置在栗浦源(I)输出光路上的波分复用器(201)、掺饵光纤(202)、可饱和吸收体(203)、光隔离器(204)、单模光纤(205)、慢速压电陶瓷(206)、快速压电陶瓷(207)以及电控光学延迟线连接起来组成的环形激光腔，在电控光学延迟线中，设置用于寻找最优偏振状态从而实现锁模的非线性偏振旋转器件，锁模激光以空间光输出，并设置光纤准直器(215)耦合至光纤用于激光锁定和应用； 所述基于压电陶瓷的参考激光锁定系统包括合并所述飞秒激光器和第一参考激光器(301)输出的光纤耦合器一(302)，光纤耦合器一 (302)输出连接光电平衡探测器一 (303)将光信号转换为电信号，所述电信号经带通滤波器一(304)、功率分配器一(305)、功功率放大器一 (306)后作为待锁定信号输入至数字鉴相器一 (307)，数字鉴相器一 (307)的参考信号由参考于铷钟(308)的频率综合器一 (309)提供，数字鉴相器一(307)的输出分为两路分别连接快速和慢速控制链路，其中，慢速控制链路包括第一比例积分器(310)和第一高压驱动器(311)，输出高压信号用于控制慢速压电陶瓷(206);快速控制链路包括第二比例积分器(312)和第二高压驱动器(313)，输出高压信号用于控制快速压电陶瓷(207)，快速和慢速控制链路保证飞秒激光与第一参考激光器长时间相位锁定； 所述基于栗浦电流的参考激光锁定系统包括合并所述飞秒激光器和第二参考激光器(401)输出的光纤耦合器二 (402)，光纤耦合器二 (402)输出连接光电平衡探测器二 (403)将光信号转换为电信号，所述电信号经带通滤波器二(404)、功率分配器二(405)、功率放大器二 (406)后作为待锁定信号输入至数字鉴相器二 (407)，数字鉴相器二 (407)的参考信号由参考于铷钟(308)的频率综合器二 (408)提供，数字鉴相器二 (407)的输出误差信号，经第三比例积分器(409)和栗浦源驱动器(410)，输出高压信号用于控制栗浦源(I)，保证飞秒激光与第二参考激光器(401)相位锁定； 所述温控系统包括温控器(6 )，用于保证温控箱内温度保持恒定； 所述计算机控制系统包括数据采集卡(501)和计算机(502)，所述数据采集卡(501)将第一比例积分器(310)输出电压数字化，采集电压送至计算机(502)，通过判断电平控制光学延迟线中电控位移台(210)。2.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述单模光纤(205)在预拉伸状态下，粘附在慢速压电陶瓷(206)和快速压电陶瓷(207)。3.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述光纤准直器(215)接收到飞秒脉冲与第一参考激光器(301)的输出光在光纤耦合器一(302)中合并，光纤耦合器一(302)输出端接入光电平衡探测器一 (303)，获得高信噪比待锁定拍频信号，减少共模噪声。4.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述数字鉴相器一(307)将误差信号分为两路，一路直接输出，用于快速压电陶瓷伺服控制；另一路内置20kHz低通滤波器，减小了信号带宽，用于慢速压电陶瓷伺服控制。5.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述快速压电陶瓷控制链路中，第一比例积分器(310)根据误差信号输出反馈电压信号，第一高压驱动器(311)将反馈电压信号放大输出，驱动慢速压电陶瓷(206)，补偿拍频漂移，从而控制拍频信号长期稳定;所述慢速压电陶瓷控制链路中，第二比例积分器(312)根据误差信号输出反馈电压信号，第二高压驱动器(313)将反馈电压信号放大输出，驱动快速压电陶瓷(207)，抑制拍频信号高频噪声，两链路共同保证飞秒激光与第一参考激光器长时间相位锁定。6.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述光纤准直器(215)接收到飞秒脉冲与第二参考激光器(401)的输出光在光纤耦合器二(402)中合并，光纤耦合器二 (402)输出端接入光电平衡探测器二 (403)，获得高信噪比待锁定拍频信号，减少共模噪声。7.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述快速电流伺服控制中，第三比例积分器(409)根据误差信号输出反馈电压信号，栗浦源驱动器(410)将反馈电压信号转换为栗浦电流调制信号，从而控制栗浦源输出功率保证飞秒激光与第二参考激光器相位锁定。8.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述电控光学延迟线由光纤准直器一(208)、光纤准直器二(209)和电控位移台(210)组成，用于在光纤激光腔构建过程中实现大范围连续调节腔长，以便于获得设计脉冲重复频率。9.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，其特征在于，所述数据采集卡(501)将第一比例积分器(310)输出电压数字化，计算机(502)通过判断电平是否超过设定阈值来控制光学延迟线中电控位移台(210)，补偿光纤腔长的长期波动，使第一比例积分器(310)的输出电压回到设定阈值内。10.根据权利要求1所述重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳，所述温控箱内设置温度传感器(216)和加热制冷片(217)用于箱内温度监测和控制，温度传感器(216)将温控箱内当前温度信号输入至温控器(6)，温控器(6)输出信号控制加热制冷片(217)。
【文档编号】H01S3/098GK105826804SQ201610366387
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】杨宏雷, 杨丽君, 李岩, 尉昊赟
【申请人】清华大学