专利名称：基于光谱整形自差频技术的光学频率梳的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞秒激光技术领域，特别涉及一种基于光谱整形自差频技术的光学频率梳。
背景技术：
飞秒光学频率梳技术是目前超短脉冲激光科学最前沿的研究内容之一，自从上世纪末的几年里人们提出并实现对飞秒激光载波包络相位漂移(Carrier-Envelope phaseOffset, CEO)频率的锁相控制以来，该技术的发展不仅导致了光频测量研究的革命性进展，而且前所未有地实现了光学频率与微波频率的直接连接，并推动了阿秒激光物理和超快科学的快速发展。需要指出的是，飞秒激光CEO的控制及光学频率梳的实现，最初主要得益于光子 晶体光纤(Photon Crystal Fiber，PCF)的问世和采用。目前国际上广泛采用的光学频率梳的核心正是以PCF为基础的，由于PCF可将飞秒激光光谱展宽到一个倍频程以上，因此使得人们第一次有可能通过所谓的自参考技术而实现对CEO频率的测量。但是PCF极小的芯径(I 2 μ m)和固有的高损耗(>70%),不仅入射激光微细的偏移都会导致输出光谱的显著变化，而且也限制了所能得到的输出功率，特别是PCF在高聚焦强度的激光入射下，表面极易损坏。由于这些因素，使得基于自参考技术的飞秒激光CEO锁定通常只能稳定工作半小时左右，输出功率也只有几十mW，而且结构复杂、体积庞大、维护成本高，从而大大限制了光学频率梳的实用性。2004年，德国马普量子光学研究所(MPQ)的科学家提出了一种通过差频(Difference Frequency Generation,DFG)超宽激光脉冲自身的不同光谱成分而测量并控制CEO的方法(参见Fuji T，et al. 2005 Opt. Lett. 30 (332))，该技术由于采用准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体(PPLN)中所产生的差频、自相位调制等非线性效应而实现对CEO频率的测量，因此可以不要求光谱展宽到一个倍频程，这样也就避免了必须采用PCF而带来的低功率和稳定性问题，但目前该技术存在的不足是所稳定的飞秒激光重复频率不到100MHz，而且输出可用功率只有几十毫瓦。由于光梳所需要的理想重复频率一般要求大于200MHz，但是重复频率过高时飞秒脉冲的峰值功率就会下降，导致自差频无法实现或者得到的自差频光谱能量过低，从而得不到足够信噪比的CEO信号，对CEO信号的控制也就无从谈起。因此，需要一种基于差频技术的高重频光学频率梳。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于光谱整形自差频技术产生高重复频率飞秒激光频率梳的装置。本发明通过以下技术方案来实现上述目的根据本发明，提供一种光学频率梳，包括泵浦源、周期量级飞秒钛宝石振荡器、自差频测量装置和反馈电路，其中，由泵浦源产生的泵浦光进入所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，该周期量级飞秒钛宝石振荡器用于产生形状呈两边高、中间低的大体M形的飞秒光谱脉冲；该飞秒光谱脉冲的一部分被输送至所述自差频测量装置以测量该光谱脉冲的载波包络相移频率(CEO频率)，另一部分形成重复频率信号经所述重复频率反馈电路被输送回周期量级飞秒钛宝石振荡器。在上述技术方案中，所述周期量级飞秒钛宝石振荡器中设置有镀膜的输出耦合镜，经该镀膜的输出耦合镜输出所述大体M形的飞秒光谱脉冲，所述镀膜设计为在750nnT850nm波段内透过率为10%的介质膜。
在上述技术方案中，所述重复频率反馈电路由PIN管、第一锁相电路及设置在周期量级飞秒钛宝石振荡器中的压电陶瓷构成，其中由周期量级飞秒钛宝石振荡器输出的所述一部分光谱脉冲被PIN管接收后经第一锁相电路反馈至周期量级飞秒钛宝石振荡器中，通过安装在周期量级飞秒钛宝石振荡器内的压电陶瓷的伸缩改变腔长以控制该重复频率。在上述技术方案中，光学频率梳还可包括设置在所述自差频测量装置光路后的CEO频率反馈电路，其中由所述自差频测量装置输出的光谱脉冲的红外光部分形成CEO频率信号，该信号经CEO频率反馈电路反馈至设置在泵浦源和周期量级飞秒钛宝石振荡器之间的声光调节器以控制该CEO频率。 在上述技术方案中，所述CEO频率反馈电路由红外雪崩光电二极管、第二锁相电路及声光调节器构成，其中所述红外光部分被红外雪崩光电二极管接收后经第二锁相电路反馈至声光调节器。在上述技术方案中，由所述自差频测量装置输出的光谱脉冲的可见光部分作为光梳的可用光脉冲输出。在上述技术方案中，所述自差频测量装置包括两块凹面银镜和一块非线性晶体，所述整形后的光谱脉冲的一部分通过其中一块凹面银镜聚焦耦合到非线性晶体中，然后再经过另一块凹面银镜准直输出。在上述技术方案中，所述非线性晶体选择准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体。在上述技术方案中，所述重复频率反馈电路和CEO频率反馈电路被同时锁定到外部微波参考源，该外部微波参考源例如为微波原子钟或光钟。与现有的技术相比，由于本发明采用了将光谱整形的周期量级飞秒钛宝石振荡器与差频测量CEO频率技术相结合的创新设计，因而导致具有如下的突出特点I.稳定度高，锁定时间长；因无需使用腔外光子晶体光纤，因而大大提高了频率梳的稳定性，相比自参考频率梳通常半小时的锁定时间，本发明的单块光梳锁定时间提闻到9小时以上。2.重复频率高；相比国际上同类技术的光梳,本发明将重复频率提高到400MHz以上，这是目前国际同类光梳的最高重复频率，有利于频率测量的应用。3.输出功率高；本发明典型的输出功率可达200mW以上，相比因光子晶体光纤的高损耗导致的只有几十毫瓦的自参考光梳系统，本发明在输出功率方面具有明显的优势。
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中图I为本发明实施例的总体结构原理框图2为本发明实施例的光路结构示意图；图3为本发明实施例中差频后所获得的中红外曲线图；图4为本发明实施例的差频测量CEO频率频谱图；图5为本发明实施例的重复频率锁定后的艾伦方差曲线；图6为本发明实施例的CEO频率锁定后的艾伦方差曲线。
具体实施例方式图I为根据本发明一个实施例的原理框图。如图I所示，采用532nm单频连续全 固化倍频钒酸钇激光器作为泵浦源，泵浦光经过声光调制器(AOM)后进入周期量级钛宝石振荡器，然后振荡器输出的飞秒脉冲分出一小部分，由PIN管接收重复频率信号，而大部分进入CEO自差频测量系统(差频晶体)测量CEO频率。经过差频测量系统后的光脉冲再分成两部分，其中红外光部分由红外雪崩光电二极管(APD)接收得到CEO频率信号，可见光部分作为光梳的可用光脉冲输出。为了得到绝对稳定的光梳输出，将PIN管接收到的重复频率信号及红外APD接收到的CEO频率电信号分别送入锁相电路I及锁相电路II，外部参考源输出的IOMHz信号经频率综合器后得到合适的参考信号也分别进入锁相电路I及锁相电路II，经过鉴相滤波后获得控制信号，进而通过控制AOM达到控制CEO频率的目的，以及通过控制安装在一个端镜上的压电陶瓷达到控制重复频率的目的。在本实施例中，用于光谱整形的周期量级飞秒钛宝石振荡器为一种能够直接输出飞秒脉冲的装置，其输出的飞秒脉冲的光谱宽度接近一个光学倍频程，能覆盖600nm-1000nm的范围，经整形的光谱形状呈M形，重复频率大于300MHz，经过腔外若干啁啾镜及一对尖劈进行色散补偿后，周期量级飞秒脉冲的脉宽在7fs以下。在本发明的实施例中，采用光谱整形的周期量级飞秒钛宝石振荡器，然后再通过自差频技术测量飞秒脉冲的CEO频率，在此基础上控制重复频率和CEO频率获得高重频光学频率梳。由于上述振荡器是在中国专利申请“产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的线性腔掺钛蓝宝石激光器”(200810115910. 9)(该申请通过引用全文包括在本申请中)的基础上，对输出耦合镜进行独特的镀膜设计，使经过周期量级飞秒钛宝石振荡器后的透射光谱呈两边高、中间低的曲线，从而直接将7fs钛宝石振荡器输出的宽光谱整形为M形。这种创造性地对飞秒脉冲的光谱进行整形，使参与自差频的光谱成分得到增强，保证了自差频产生高信噪比CEO信号的获得，从而能将基于差频的光学频率梳重复频率提高到大于400MHz以上。根据本发明的一个实施例，CEO自差频测量系统包括单块非线性晶体，如掺氧化镁的PPLN晶体，该晶体通过以下方法来测量CEO频率(f_):将宽谱周期量级飞秒激光脉冲聚焦到一块非线性晶体中，飞秒脉冲的长波部分和短波部分在晶体中发生自差频效应，产生新的为O的红外波谱区，与飞秒脉冲基波在该区重叠的红外波谱成分相互拍频，就可得到稳定的高信噪比的信号。在一个实施例中，该CEO自差频测量系统包括两块凹面银镜，一块非线性晶体和一块红外滤光片。其中，非线性晶体例如为电极化周期的准相位匹配掺氧化镁的铌酸锂PP-MgO-LN，其尺寸为3X2Xlmm，极化周期为17. 84 μ m或者
11.21 μ m ;所述红外滤光片例如为IOOOnm或2000nm以上波长透过的长波通红外滤光片；两凹面银镜的焦距相同，且分别以小角度放置，使激光均以小角度入射到两凹面银镜上，并且两凹面银镜的间距为第一凹面银镜的两倍焦距，非线性晶体设置在第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦点处，红外滤光片设置在非线性晶体至第二凹面银镜输出光路的反射输出光路上。红外Aro放置在红外滤光片的透射光路中。在一个实施例中，第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦距为25mm或30mm或35mm。在上述光路中，采用基于锁相原理制成控制fMp及的电路反馈系统，对重复频率信号(f_)和CEO频率信号(f。J分别实现反馈。具体地，重复频率信号的反馈电路由PIN管、锁相电路及压电陶瓷构成，由周期量级飞秒钛宝石振荡器输出的一部分光谱脉冲被PIN管接收后经锁相电路I反馈至周期量级飞秒钛宝石振荡器，这样能通过安装在振荡器一个腔镜上的压电陶瓷PZT的伸缩改变腔长来控制；CE0频率信号的反馈电路由红外APD、锁相电路II及AOM构成，经过差频测量系统后的一部分光脉冲被红外APD接收后经锁相电路II反馈回Α0Μ，这样能使用安装在泵浦光路中的声光调制器AOM改变泵光功率来控制f·。在另一个实施例中，所述光学频率梳还包括一个稳定的外部参考源，使所述重复频率反馈电路和CEO频率反馈电路同时锁定到该外部参考源上，这个参考源可以为铯钟、氢钟或铷钟等微波原子钟，也可以是稳定的光钟。图2为根据本发明上述实施例的光路结构不意图。如图2所不，闻稳定闻重复频 率的单块光学频率梳包括周期量级飞秒钛宝石振荡器，自差频测量装置。泵浦光经过AOM 01，再经爬高镜02将光路抬高，然后再经一个转折银镜03入射到周期量级飞秒钛宝石振荡器中，其中AOM的电调制频率为80MHz，放置时使激光垂直入射晶体表面，微调AOM改变入射角度在一级衍射光最强的位置固定Α0Μ。周期量级飞秒钛宝石振荡器由泵浦镜04、两个平凹啁啾镜05，06、一块钛宝石晶体07、两个平面啁啾镜08，09、一对尖劈10，11及一个平面输出耦合镜12构成，其中泵浦镜04的焦距为50mm，口径为25. 4mm ;晶体07为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为3*2. 8*1. 85mm ;平凹啁啾镜05，06为曲率半径为50mm，口径为12. 7mm，厚度为6. 35mm的熔石英玻璃材料，镀膜参数为凹面镀有对503_535nm波段增透及700-950nm波段高反(所谓“高反”为反射率>99%)的双色介质膜，且提供680_940nm波段二阶色散(GVD)-50fs2，背面镀有503-535nm波段的增透膜；平面啁啾镜08、09的镀膜参数相同，均对650-980nm波段高反，650-980nm波段提供二阶色散_40fs2，啁啾镜08为厚度6. 35mm, 口径25. 4mm的熔石英基片，但是啁啾镜09厚度2mm，口径为6mm，安装在一个柱状长约5cm的PZT上，用于改变腔长控制重复频率；一对尖劈10，11为30*20mm，顶尖角度为2° 48’，最薄处为200 μ m的熔石英基片。上述周期量级飞秒钛宝石振荡器从结构，元件参数到安装方法和调节方法都与已申请专利的“产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器”(申请号为200810115910.9)相同，但是为了得到M形的整形光谱，对输出耦合镜作了特殊设计。输出耦合镜12为口径12. 7mm、厚度Imm的熔石英基片，镀膜设计为750nnT850nm波段内透过率为10%的介质膜。安装在PZT上的啁啾镜09，为了配合PZT的承载负荷采用了尺寸和厚度都较小的镜片以减轻重量，同时将一个尖劈安装在平移台上，可以帮助粗调锁定前CEO频率的位置，在啁啾镜08后放置一个PIN接收少量透射光得到重复频率信号。从输出耦合镜12透射出的激光脉冲再经过一个转折银镜13，被反射到一对腔外啁啾镜对14、15上并进行三次小角度反射，以得到足够的色散补偿量，啁啾镜对14、15镀有580-1020nm波段高反膜，620-1000nm波段提供二阶色散-50fs2。接着激光被反射到一对腔外尖劈16、17上，尖劈参数与腔内尖劈10、11相同，尖劈16、17以布儒斯特角插入激光光路中，并且两个尖劈平行放置，顶尖相对，其中一个尖劈16固定，另外一个尖劈17装在一个一维平移台上，平移台移动方向与光路垂直，通过移动平移台可以改变尖劈17的插入量，进而调节色散量。透过尖劈后的激光经转折银镜18入射到第一个凹面银镜19上，凹面银镜19焦距为25mm，保证从尖劈射出的激光以小角度入射到第一凹面银镜19，并且其凹面在尖劈17输出光路上，第二凹面银镜20的焦距也为25mm，其凹面与第一凹面银镜19的凹面相对放置，两个镜面之间的距离大约为50mm，一块长方 体掺氧化镁的PPLN晶体21放置在第一凹面银镜19和第二凹面银镜20之间的焦点处，晶体21的极化周期为17. 84 μ m，通光厚度为2mm，通光面大小为3*lmm，从第一凹面银镜19以小角度反射出的激光聚焦在晶体21上，为了细调晶体的位置，可以将晶体安装在一个一维平移台上，平移台移动方向与光路平行，第二凹面银镜20的反射输出光路上设置一啁啾镜22，其镀有580-1020nm波段高反膜，垂直反射光作为光学频率梳的可用输出光，在透射光路上放置一个镀有700nm-800nm高反膜的平面镜23，反射光路上放置一 PIN24管，用于监测重复频率信号，透过平面镜23的透射光入射到一对平行放置的银镜25，26上转折光路，红外滤光片27、聚焦透镜28及红外APD29依次放在转折上，所述红外滤光片的参数为IlOOnm以上通过，以下截止，聚焦透镜28焦距为30mm,材料采用红外光透过性好的氟化钙。最后将PIN24及APD29接收到的重复频率及CEO频率信号分别采用两套锁相环电路系统锁定到同一台外部微波参考源上，本实施例使用的参考源是IOOs稳定度为10_12的铷原子钟，锁定后的重复频率为350MHz，CEO频率为20MHz。图3为本实施例中周期量级钛宝石激光振荡器直接输出的M形光谱曲线，其中红色虚线为特殊设计的输出耦合镜的镀膜曲线。图4为本实施例中APD接收后由频谱仪记录到的CEO频率信号，信噪比高达45dB。图5为本实施例中锁定后重复频率的艾伦方差曲线，锁定时间9小时。图6为本实施例中锁定后CEO频率的艾伦方差曲线，锁定时间9小时。综上所述，本发明的光学频率梳主要由光谱整形的周期量级钛宝石振荡器、单块非线性晶体自差频测量载波包络相移频率装置和基于锁相原理控制的反馈电路装置组成。其中，使用光谱整形的周期量级飞秒钛宝石振荡器输出高重复频率、宽谱、7fs以下脉宽飞秒脉冲；使用单块非线性晶体自差频测量飞秒脉冲载波包络相移频率；使用电路反馈技术将重复频率和载波包络相移频率同时锁定到稳定的外部微波参考源或光学频标上。本发明具有设备结构紧凑；锁定时间长、重复频率高、输出可用功率高、相位噪声小等特点，可主要应用在光频绝对测量、构成光钟、阿秒产生等科学研究中。尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
权利要求
1.一种光学频率梳，包括泵浦源、周期量级飞秒钛宝石振荡器、自差频测量装置和反馈电路，其中，由泵浦源产生的泵浦光进入所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，该周期量级飞秒钛宝石振荡器用于产生形状呈两边高、中间低的大体M形的飞秒光谱脉冲；该飞秒光谱脉冲的一部分被输送至所述自差频测量装置以测量该光谱脉冲的载波包络相移频率(CEO频率)，另一部分形成重复频率信号经所述重复频率反馈电路被输送回周期量级飞秒钛宝石振荡器。
2.根据权利要求I所述的光学频率梳，其特征在于，所述周期量级飞秒钛宝石振荡器中设置有镀膜的输出耦合镜，经该镀膜的输出耦合镜输出所述大体M形的飞秒光谱脉冲，所述镀膜设计为在750nnT850nm波段内透过率为10%的介质膜。
3.根据权利要求I所述的光学频率梳，其特征在于，所述重复频率反馈电路由PIN管、第一锁相电路及设置在周期量级飞秒钛宝石振荡器中的压电陶瓷构成，其中由周期量级飞秒钛宝石振荡器输出的所述一部分光谱脉冲被PIN管接收后经第一锁相电路反馈至周期量级飞秒钛宝石振荡器中，通过安装在周期量级飞秒钛宝石振荡器内的压电陶瓷的伸缩改变腔长以控制该重复频率。
4.根据权利要求I所述的光学频率梳，还包括设置在所述自差频测量装置光路后的CEO频率反馈电路，其中由所述自差频测量装置输出的光谱脉冲的红外光部分形成CEO频率信号，该信号经CEO频率反馈电路反馈至设置在泵浦源和周期量级飞秒钛宝石振荡器之间的声光调节器以控制该CEO频率。
5.根据权利要求4所述的光学频率梳，其特征在于，所述CEO频率反馈电路由红外雪崩光电二极管、第二锁相电路及声光调节器构成，其中所述红外光部分被红外雪崩光电二极管接收后经第二锁相电路反馈至声光调节器。
6.根据权利要求4所述的光学频率梳，其特征在于，由所述自差频测量装置输出的光谱脉冲的可见光部分作为光梳的可用光脉冲输出。
7.根据权利要求I所述的光学频率梳，其特征在于，所述自差频测量装置包括两块凹面银镜和一块非线性晶体，所述整形后的光谱脉冲的一部分通过其中一块凹面银镜聚焦耦合到非线性晶体中，然后再经过另一块凹面银镜准直输出。
8.根据权利要求7所述的光学频率梳，其特征在于，所述非线性晶体选择准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体。
9.根据权利要求4所述的光学频率梳，其特征在于，所述重复频率反馈电路和CEO频率反馈电路被同时锁定到外部微波参考源，
10.根据权利要求9所述的光学频率梳，其特征在于，所述外部微波参考源为微波原子钟或光钟。
全文摘要
本发明公开了一种基于光谱整形自差频技术的高稳定高重复频率光学频率梳，包括泵浦源、周期量级飞秒钛宝石振荡器、自差频测量装置和反馈电路，其中，由泵浦源产生的泵浦光进入所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，该周期量级飞秒钛宝石振荡器用于产生形状呈两边高、中间低的大体M形的飞秒光谱脉冲；该飞秒光谱脉冲的一部分被输送至所述自差频测量装置以测量该光谱脉冲的载波包络相移频率(CEO频率)，另一部分形成重复频率信号经所述重复频率反馈电路被输送回周期量级飞秒钛宝石振荡器。该光学频率梳具有结构紧凑；锁定时间长、重复频率高、输出可用功率高、相位噪声小等特点，可主要应用在光频绝对测量、构成光钟、阿秒产生等科学研究中。
文档编号G02F1/35GK102879969SQ20121036964
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者魏志义, 韩海年, 张炜, 赵研英, 杜强, 滕浩 申请人:中国科学院物理研究所