内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法与装置的制造方法
【专利摘要】内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法与装置属于超快激光技术领域。本方法利用一台稳频激光器提供源激光，通过两个串联配置的声光移频器与两个内部含有电光调制器的四镜环形腔生成双光学频率梳,利用腔内的色散补偿器件扩展所生成频率梳的光谱范围，由参考同一个频率基准的两台双通道信号发生器分别为声光移频器和电光调制器提供调制驱动信号，得到各梳齿外差干涉信号频率呈等差数列分布的外差双光学频率梳，本发明还提供了一种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置；本方法生成的外差双光学频率梳具有光谱范围大、频率一致性好的特点，所提出的外差双光学频率梳生成装置具有系统集成度高，结构简单，成本低廉等优点。
【专利说明】
内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法与装置
技术领域
[0001]本发明属于超快激光技术，主要涉及一种基于四镜环形腔腔内调制及色散补偿和串联式双声光移频的外差双光学频率梳生成方法与装置。
【背景技术】
[0002]由于光学频率梳具有在时域上表现为超短激光脉冲序列、在频域上表现为梳状等间隔多光谱的特性，使其在精密光谱分析、绝对距离测量、激光波长校准、时频信号传递等领域得到了广泛应用。
[0003]近年来，在精密光谱分析与绝对距离测量领域中，基于外差双光学频率梳的测量方法不断发展，已经成为其各自领域中的重要研究方向。频域方面，外差双光学频率梳之间各个梳齿的外差干涉信号呈等差数列分布，便于高精度的提取各个梳齿的干涉测量信息。时域方面，外差双光学频率梳之间各个脉冲的时间间隔周期性变化，其测量效果与脉冲扫描状态一致，可大幅节约测量时间。
[0004]现有的外差双光学频率梳生成方法主要基于两套飞秒频率梳系统的互锁定控制。但该方法中两套飞秒频率梳系统的频率一致性受互锁定控制精度限制，同时其实现装置结构复杂、成本高，制约了精密光谱分析和绝对距离测量领域中基于外差双光学频率梳测量方法的进一步发展。另外，光学频率梳的光谱范围对上述领域的测量范围与精度具有决定性作用。因此，亟需一种大光谱范围、高频率一致性、低成本的外差双光学频率梳生成方法与装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提出一种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法与装置，达到实现大光谱范围、高频率一致性、低成本的外差双光学频率梳生成的目的。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0007]—种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法，该方法步骤如下:
[0008](I)—个稳频激光器的出射光频率为VQ，所述出射光经过光学隔离器后输入初级声光调制移频器，所述初级声光调制移频器的调制频率值为，所述初级声光调制移频器输出的O级和+1级移频衍射光频率值分别为Vo和vo+fi，所述初级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光输入一个四镜环形腔，所述初级声光调制移频器输出的O级移频衍射光输入次级声光调制移频器，所述次级声光调制移频器的调制频率值为f2，所述次级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光频率值为vo+f2，所述次级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光输入另一个四镜环形腔，两个四镜环形腔内各自含有的一个电光调制器的调制频率分别为f3和f4，两个四镜环形腔内各自含有的一个色散补偿器件分别补偿激光在两个四镜环形腔内的色散，所述两个四镜环形腔分别输出一束光学频率梳，输出的两束光学频率梳构成外差双光学频率梳；
[0009](2)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳的中心梳齿频率分别为vo+fjPvo+f2，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率差值为I fl-f2 I，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率偏频锁定；
[0010](3)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳的重复频率分别SfdPf4，所述两束光学频率梳的重复频率差值为I f3-f4 I，所述两束光学频率梳的重复频率异频锁定；
[0011 ] (4)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳第i阶梳齿的频率分别表示为vo+f#i Xf3和VQ+f2+i Xf4，所述两束光学频率梳第i阶梳齿的外差干涉信号频率为|f1-f2 |+i Xf3-f41，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率差值I f1-f21与重复频率差值I f3-f41满足I负-f2|>|i|x f 3-f 41，所述两束光学频率梳第i阶梳齿的外差干涉信号频率呈等差数列；
[0012](5)串联配置的初级声光调制移频器和次级声光调制移频器的调制信号由同一台双通道信号发生器提供，上述两个电光调制器的调制信号由另一台双通道信号发生器提供，两台双通道信号发生器的参考频率信号由同一个参考频率振荡器提供。
[0013]—种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，在稳频激光器的出射光路上依次配置光学隔离器和声光调制移频器A;在所述声光调制移频器A的+1级移频衍射光路上配置反射镜A，在反射镜A的反射光路上配置四镜环形腔A，所述四镜环形腔A由第一腔镜a、第二腔镜a、第三腔镜a、第四腔镜a和电光调制器A组成，反射镜A的反射光依次通过第一腔镜a、第二腔镜a，第三腔镜a配置在第二腔镜a的反射光路上，第四腔镜a配置在第三腔镜a的反射光路上，第一腔镜a配置在第四腔镜a的反射光路上，第一腔镜a使来自反射镜A的反射光与来自第四腔镜a的反射光光路重合，所述电光调制器A配置在第一腔镜a、第二腔镜
a、第三腔镜a、第四腔镜a中任意两腔镜之间光路上;在四镜环形腔A内部配置色散补偿器件A，所述色散补偿器件A配置在第一腔镜a、第二腔镜a、第三腔镜a、第四腔镜a中任意两腔镜之间光路上；在所述声光调制移频器A的透射光路上配置声光调制移频器B，在所述声光调制移频器B的+ 1级移频衍射光路上配置反射镜B，在反射镜B的反射光路上配置四镜环形腔B，所述四镜环形腔B由第一腔镜b、第二腔镜b、第三腔镜b、第四腔镜b和电光调制器B组成，反射镜B的反射光依次通过第一腔镜b、第二腔镜b，第三腔镜b配置在第二腔镜b的反射光路上，第四腔镜a配置在第三腔镜a的反射光路上，第一腔镜b配置在第四腔镜b的反射光路上，第一腔镜b使来自反射镜B的反射光与来自第四腔镜b的反射光光路重合，所述电光调制器B配置在第一腔镜b、第二腔镜b、第三腔镜b、第四腔镜b中任意两腔镜之间光路上;在四镜环形腔B内配置色散补偿器件B，所述色散补偿器件B配置在第一腔镜b、第二腔镜b、第三腔镜
b、第四腔镜b中任意两腔镜之间光路上;参考频率振荡器与双通道信号发生器A、双通道信号发生器B分别连接，所述双通道信号发生器A与声光调制移频器A、声光调制移频器B分别连接，所述双通道信号发生器B与电光调制器A、电光调制器B分别连接。
[0014]本发明具有以下特点及良好效果:
[0015](I)与现有的外差双光学频率梳生成方法相比，本发明利用一台稳频激光器为外差双光学频率梳的生成过程提供源激光，所生成的外差双光学频率梳频率一致性好。
[0016](2)利用四镜环形腔腔内调制式光学频率梳生成方法与装置简化了外差双光学频率梳生成装置的系统结构，降低了实现成本。
[0017](3)串联式双声光移频方法与装置配合同步异频驱动技术实现了外差双光学频率梳中心梳齿频率的偏频锁定。
[0018](4)双环形腔腔内相位调制方法与装置配合同步异频驱动技术实现了外差双光学频率梳重复频率的异频相互锁定。
[0019](5)串联式双声光移频方法与装置大幅提升了源激光的利用率。
[0020](6)四镜环形腔结构使得谐振腔内的激光单向通过腔内的电光调制器，有效防止电光调制器的灼伤，允许输出大功率的外差双光学频率梳。
[0021](7)在谐振腔腔内配置色散补偿器件，理论上可完全消除外差双光学频率梳在生成腔内的色散，实现最大的光谱范围输出。
【附图说明】
[0022]图1为内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置结构示意图。
[0023]图中件号说明:I稳频激光器、2光学隔离器、3声光调制移频器A、4声光调制移频器B、5反射镜A、6反射镜B、7四镜环形腔A、8第一腔镜a、9第二腔镜a、10第三腔镜a、ll第四腔镜
a、12四镜环形腔B、13第一腔镜b、14第二腔镜b、15第三腔镜b、16第四腔镜b、17电光调制器八、18电光调制器8、19色散补偿器件4、20色散补偿器件8、21参考频率振荡器、22双通道信号发生器A、23双通道信号发生器B。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
[0025]—种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，在稳频激光器I的出射光路上依次配置光学隔离器2和声光调制移频器A3;在所述声光调制移频器A3的+ 1级移频衍射光路上配置反射镜A5，在反射镜A5的反射光路上配置四镜环形腔A7，所述四镜环形腔A7由第一腔镜a8、第二腔镜a9、第三腔镜alO、第四腔镜all和电光调制器A17组成，反射镜A5的反射光依次通过第一腔镜a8、第二腔镜a9，第三腔镜alO配置在第二腔镜a9的反射光路上，第四腔镜all配置在第三腔镜alO的反射光路上，第一腔镜a8配置在第四腔镜all的反射光路上，第一腔镜a8使来自反射镜A5的反射光与来自第四腔镜a 11的反射光光路重合，所述电光调制器A17配置在第一腔镜a8、第二腔镜a9、第三腔镜alO、第四腔镜all中任意两腔镜之间光路上;在四镜环形腔A7内部配置色散补偿器件A19，所述色散补偿器件A19配置在第一腔镜a8、第二腔镜a9、第三腔镜alO、第四腔镜all中任意两腔镜之间光路上;在所述声光调制移频器A3的透射光路上配置声光调制移频器B4，在所述声光调制移频器B4的+1级移频衍射光路上配置反射镜B6，在反射镜B6的反射光路上配置四镜环形腔B12，所述四镜环形腔B12由第一腔镜bl3、第二腔镜bl4、第三腔镜bl5、第四腔镜bl6和电光调制器B18组成，反射镜B6的反射光依次通过第一腔镜bl3、第二腔镜bl4，第三腔镜bl5配置在第二腔镜bl4的反射光路上，第四腔镜al6配置在第三腔镜al5的反射光路上，第一腔镜bl3配置在第四腔镜bl6的反射光路上，第一腔镜bl3使来自反射镜B6的反射光与来自第四腔镜bl6的反射光光路重合，所述电光调制器B18配置在第一腔镜bl3、第二腔镜bl4、第三腔镜bl5、第四腔镜bl6中任意两腔镜之间光路上;在四镜环形腔B12内配置色散补偿器件B20，所述色散补偿器件B20配置在第一腔镜bl3、第二腔镜bl4、第三腔镜bl5、第四腔镜bl6中任意两腔镜之间光路上;参考频率振荡器21与双通道信号发生器A22、双通道信号发生器B23分别连接，所述双通道信号发生器A22与声光调制移频器A3、声光调制移频器B4分别连接，所述双通道信号发生器B23与电光调制器A17、电光调制器B18分别连接。
[0026]所述的四镜环形腔A7的第一腔镜a8、第二腔镜a9、第三腔镜alO、第四腔镜all和四镜环形腔B12的第一腔镜bl3、第二腔镜bl4、第三腔镜bl5、第四腔镜bl6包括平面镜、凹面镜和凸面镜腔镜类型。
[0027]所述的色散补偿器件A19和色散补偿器件B20包括光栅对、棱镜对和色散补偿光纤。
[0028]所述的电光调制器A17和电光调制器B18包括电光强度调制器和电光相位调制器。
[0029]所述的参考频率振荡器21包括原子钟、晶体振荡器、陶瓷振荡器、电子振荡器。
[0030]—种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法，该方法步骤如下:
[0031](I)—个稳频激光器的出射光频率为vq，所述出射光经过光学隔离器后输入初级声光调制移频器，所述初级声光调制移频器的调制频率值为h，所述初级声光调制移频器输出的O级和+1级移频衍射光频率值分别为VO和vo+fi，所述初级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光输入一个四镜环形腔，所述初级声光调制移频器输出的O级移频衍射光输入次级声光调制移频器，所述次级声光调制移频器的调制频率值为f2，所述次级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光频率值为vo+f2，所述次级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光输入另一个四镜环形腔，两个四镜环形腔内各自含有的一个电光调制器的调制频率分别为f3和f4，两个四镜环形腔内各自含有的一个色散补偿器件分别补偿激光在两个四镜环形腔内的色散，所述两个四镜环形腔分别输出一束光学频率梳，输出的两束光学频率梳构成外差双光学频率梳；
[0032](2)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳的中心梳齿频率分别为vo+fjPvo+f2，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率差值为I fl-f2 I，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率偏频锁定；
[0033](3)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳的重复频率分别为f3和f4，所述两束光学频率梳的重复频率差值为I f3-f4 I，所述两束光学频率梳的重复频率异频锁定；
[0034](4)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳第i阶梳齿的频率分别表示为vo+f!+i Xf3和VQ+f2+i Xf4，所述两束光学频率梳第i阶梳齿的外差干涉信号频率为|f1-f2 |+i Xf3-f41，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率差值I f1-f21与重复频率差值I f3-f41满足I负-f2|>|i|x f 3-f 41，所述两束光学频率梳第i阶梳齿的外差干涉信号频率呈等差数列；
[0035](5)串联配置的初级声光调制移频器和次级声光调制移频器的调制信号由同一台双通道信号发生器提供，上述两个电光调制器的调制信号由另一台双通道信号发生器提供，两台双通道信号发生器的参考频率信号由同一个参考频率振荡器提供。
[0036]所述初级声光调制移频器和次级声光调制移频器的其他级次移频衍射光同样可以实现上述步骤。
【主权项】
1.一种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法，其特征在于:所述方法步骤如下: (1)一个稳频激光器的出射光频率为V0，所述出射光经过光学隔离器后输入初级声光调制移频器，所述初级声光调制移频器的调制频率值为A，所述初级声光调制移频器输出的O级和+1级移频衍射光频率值分别为Vo和vo+f i，所述初级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光输入一个四镜环形腔，所述初级声光调制移频器输出的O级移频衍射光输入次级声光调制移频器，所述次级声光调制移频器的调制频率值为f2，所述次级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光频率值为VQ+f2，所述次级声光调制移频器输出的+1级移频衍射光输入另一个四镜环形腔，两个四镜环形腔内各自含有的一个电光调制器的调制频率分别为f3和f4，两个四镜环形腔内各自含有的一个色散补偿器件分别补偿激光在两个四镜环形腔内的色散，所述两个四镜环形腔分别输出一束光学频率梳，输出的两束光学频率梳构成外差双光学频率梳； (2)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳的中心梳齿频率分别为VQ+fdPV()+f2，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率差值为I f1-f21，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率偏频锁定； (3)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳的重复频率分别为f3和f4，所述两束光学频率梳的重复频率差值为I f3-f41，所述两束光学频率梳的重复频率异频锁定； (4)上述外差双光学频率梳中两束光学频率梳第i阶梳齿的频率分别表示为vo+h+iXf3和V0+f2+i Xf4，所述两束光学频率梳第i阶梳齿的外差干涉信号频率为I f1-f2 I +i X I f3-f4，所述两束光学频率梳的中心梳齿频率差值I fl-f2 I与重复频率差值I f 3-f 4 I满足I fl-f2 I >i| X f 3-f 4 I，所述两束光学频率梳第i阶梳齿的外差干涉信号频率呈等差数列； (5)串联配置的初级声光调制移频器和次级声光调制移频器的调制信号由同一台双通道信号发生器提供，上述两个电光调制器的调制信号由另一台双通道信号发生器提供，两台双通道信号发生器的参考频率信号由同一个参考频率振荡器提供。2.根据权利要求1所述的内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成方法，其特征在于:所述初级声光调制移频器和次级声光调制移频器的其他级次移频衍射光同样可以实现上述步骤。3.—种内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，在稳频激光器(I)的出射光路上依次配置光学隔离器(2)和声光调制移频器A(3);其特征在于:在所述声光调制移频器A(3)的+1级移频衍射光路上配置反射镜A(5)，在反射镜A(5)的反射光路上配置四镜环形腔A(7)，所述四镜环形腔A(7)由第一腔镜a(8)、第二腔镜a(9)、第三腔镜a(10)、第四腔镜a(11)和电光调制器A(17)组成，反射镜A(5)的反射光依次通过第一腔镜a(8)、第二腔镜a(9)，第三腔镜a(10)配置在第二腔镜a(9)的反射光路上，第四腔镜a(ll)配置在第三腔镜a(10)的反射光路上，第一腔镜a(8)配置在第四腔镜a(ll)的反射光路上，第一腔镜a(8)使来自反射镜A(5)的反射光与来自第四腔镜a(ll)的反射光光路重合，所述电光调制器A(17)配置在第一腔镜a(8)、第二腔镜a(9)、第三腔镜a(10)、第四腔镜a(ll)中任意两腔镜之间光路上;在四镜环形腔A(7)内部配置色散补偿器件A(19)，所述色散补偿器件A(19)配置在第一腔镜a(8)、第二腔镜a(9)、第三腔镜a(10)、第四腔镜a(ll)中任意两腔镜之间光路上;在所述声光调制移频器A(3)的透射光路上配置声光调制移频器B(4)，在所述声光调制移频器B(4)的+1级移频衍射光路上配置反射镜B(6)，在反射镜B(6)的反射光路上配置四镜环形腔B(12)，所述四镜环形腔B(12)由第一腔镜b(13)、第二腔镜b(14)、第三腔镜b(15)、第四腔镜b(16)和电光调制器B(IS)组成，反射镜B(6)的反射光依次通过第一腔镜b(13)、第二腔镜b(14)，第三腔镜b(15)配置在第二腔镜b(14)的反射光路上，第四腔镜a(16)配置在第三腔镜a(15)的反射光路上，第一腔镜b(13)配置在第四腔镜b(16)的反射光路上，第一腔镜b(13)使来自反射镜B (6)的反射光与来自第四腔镜b (16)的反射光光路重合，所述电光调制器B(18)配置在第一腔镜b(13)、第二腔镜b(14)、第三腔镜b(15)、第四腔镜b(16)中任意两腔镜之间光路上;在四镜环形腔B(12)内配置色散补偿器件B(20)，所述色散补偿器件B(20)配置在第一腔镜b( 13)、第二腔镜b(14)、第三腔镜b( 15)、第四腔镜b( 16)中任意两腔镜之间光路上;参考频率振荡器(21)与双通道信号发生器A(22)、双通道信号发生器B(23)分别连接，所述双通道信号发生器A(22)与声光调制移频器A(3)、声光调制移频器B(4)分别连接，所述双通道信号发生器B(23)与电光调制器A(17)、电光调制器B(IS)分别连接。4.根据权利要求3所述的内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，其特征在于:所述的四镜环形腔A(7)的第一腔镜a(8)、第二腔镜a(9)、第三腔镜a(10)、第四腔镜a(11)和四镜环形腔B( 12)的第一腔镜b (13)、第二腔镜b (14)、第三腔镜b (15)、第四腔镜b(16)包括平面镜、凹面镜和凸面镜腔镜类型。5.根据权利要求3所述的内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，其特征在于:所述的色散补偿器件A(19)和色散补偿器件B(20)包括光栅对、棱镜对和色散补偿光纤。6.根据权利要求3所述的内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，其特征在于:所述的电光调制器A(17)和电光调制器B(IS)包括电光强度调制器和电光相位调制器。7.根据权利要求3所述的内色散补偿串联移频和四镜环形腔双频梳生成装置，其特征在于:所述的参考频率振荡器(21)包括原子钟、晶体振荡器、陶瓷振荡器、电子振荡器。
【文档编号】H01S3/139GK105914573SQ201610307877
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】杨睿韬, 胡鹏程, 谭久彬, 郭佳豪
【申请人】哈尔滨工业大学