一种光谱仪定标谱线发生器的制作方法

本实用新型涉及锁模光纤激光器及光谱定标技术，具体涉及一种光谱仪定标谱线发生器。

背景技术：

飞秒激光频率梳在光谱学领域的应用逐渐扩大，可分辨的频率梳齿(定标谱线)在光谱仪中的定标功能正在被发掘。例如在天文光谱学中，常规的钍氩灯或碘吸收盒方式定标技术，受限于定标谱线的强度和间隔的不均匀性，不能提供视向速度1m/s以下的分辨率；另一方面，飞秒激光频率梳定标仪，因其等频率间隔(梳齿间隔)、均匀分布的谱线而被认为是新一代定标光源。然而应用于天文光谱仪的飞秒光频率梳定标系统，虽然已经有商品出售，却没有很好解决实用化中的定标谱线间隔均一、短波长光谱分量中的定标谱线难以分辨、光谱覆盖范围小、系统复杂操作难度大及长期稳定性差等问题。

发表在2007年的技术论文标题是“high-precisionwavelengthcalibrationofastronomicalspectrographswithlaserfrequencycombs”(m.t.murphy,t.udem,r.holzwarth,etal.mon.not.r.astron.soc.380,839–847(2007))。论文提出了一种将普通的激光频率梳通过主动法布里-珀罗腔滤波到光谱仪可以分辨的梳齿间隔方案。这篇论文提出的方法，是先经过三级滤波-放大、再扩谱。其中滤波腔为主动稳定，并用单频连续激光作为稳定源。存在梳齿间隔扩充不足、光谱范围过窄、系统操作复杂、长期稳定性差等致命问题。

发表在2007年的技术论文标题是“alaserfrequencycombthatenablesradialvelocitymeasurementswithaprecisionof1cms(-1)”(c.-h.li,a.j.benedick,p.fendel,a.g.glenday,f.x.d.f.phillips,d.sasselov,a.szentgyorgyi,andr.l.walsworth,nature452,610–612(2008))。论文提出了一种将钛宝石激光频率梳通过主动法布里-珀罗腔滤波到光谱仪可以分辨的梳齿间隔方案。这篇论文提出的方法，是先用光子晶体光纤扩谱，然后用法布里珀罗腔滤波，其中滤波腔为宽带、主动稳定，并用单频连续激光作为稳定源。主要缺点是高重复频率飞秒钛宝石激光器输出功率有限，钛宝石放大器效率低，光谱很难继续扩展。

发表在2007年的技术论文标题是“demonstrationofon-skycalibrationofastronomicalspectrausinga25ghznear-irlaserfrequencycomb,”(g.g.ycas,f.quinlan,s.a.diddams,etal.opt.express20,6631–6643(2012))。这篇论文提出了一种将250mhz重复频率掺铒光纤激光频率梳通过主动法布里-珀罗腔滤波到25ghz的方案。提出的方法，和文献1提出的方法类似，先将掺铒光纤激光频率梳用主动稳定的腔滤波-放大两级循环，再用高非线性光纤扩谱。

以上文献都基于光频梳基础上的放大和滤波。

技术实现要素：

为了解决如何给较低分辨率(r<40000)的光谱仪提供宽带、可分辨的多段定标谱线，及如何确保其长期稳定工作的问题，本实用新型提出了一种光谱仪定标谱线发生器；本实用新型的装置能产生覆盖可见光到近红外区域的多种频率间隔的定标谱线，并能长期稳定工作。

本实用新型的光谱仪定标谱线发生器包括：高重复频率飞秒光纤激光器、第一和第二光纤耦合器、扩谱非线性光纤、频偏锁定装置、第一至第n双色分光片、第一至第n隔离器、第一至第n超稳法布里-珀罗腔、真空腔以及第一至第n反射镜；其中，高重复频率飞秒光纤激光器发出功率高重复频率的激光脉冲，重复频率在1ghz以上；高重复频率的激光脉冲直接经第一光纤耦合器进入扩谱非线性光纤；扩谱非线性光纤将激光脉冲的光谱扩谱，使得光谱变宽；扩谱后的激光脉冲相继经过从短至长波长波段的第一至第n双色分光片，或者由长至短波长波段的第一至第n双色分光片，将不同波段的光反射经相应的第一至第n隔离器至第一至第n超稳法布里-珀罗腔；第一至第n隔离器至第一至第n超稳法布里-珀罗腔位于真空腔中；第一至第n超稳法布里-珀罗腔根据光谱仪分辨率设置不同的腔长，将激光脉冲光谱中的频率间隔进行不同倍增；满足超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量透射；不满足超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量被反射，经相应的隔离器后，偏振方向旋转90°，从隔离器中反射输出；经过第一至第n超稳法布里-珀罗腔后，不需要的光谱分量被去掉，实现了定标谱线频率间隔的倍增；波长越短的超稳法布里-珀罗腔的谐振频率间隔越大，透射光的频率间隔的倍增越大；从第一至第n超稳腔透射后的激光脉冲分别至第一至第n反射镜反射整形合束后入射至光谱仪，产生光谱仪定标谱线，n为≥2的整数。

为了分离出不同的光谱分量，给予不同的频率间隔倍增，扩谱后的激光脉冲相继经过从短至长波长波段的第一至第n双色分光片，或者由长至短波长波段的第一至第n双色分光片；将不同波段的光反射经相应的第一至第n隔离器至第一至第n超稳法布里-珀罗腔；第一至第n超稳法布里-珀罗腔根据光谱仪分辨率设置不同的腔长，从而实现不同的消光谱区间即谐振频率间隔，将激光脉冲光谱中的频率间隔进行不同倍增，以适应光谱仪中不同波长的分辨率；不满足超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量被反射，经相应的隔离器后，偏振方向旋转90°，从隔离器中反射输出；选择被不同超稳法布里-珀罗腔反射光中的基频和跨倍频程的光谱成分，输送至频偏锁定装置，作为频偏锁定装置的基频和倍频信号；经过第一至第n超稳法布里-珀罗腔后，不需要的光谱分量被去掉，实现了定标谱线频率间隔的倍增；波长越短的超稳法布里-珀罗腔的谐振频率间隔越大，透射光的频率间隔的倍增越大，从而实现既能保证长波长光谱分量中梳齿的个数，又能满足对短波长光谱分量梳齿的可分辨。

对于n＝2且第一和第二双色分光片采用对长波长光谱分量反射对短波长光谱分量透射的情况，本实用新型的光谱仪定标谱线发生器包括：高重复频率飞秒光纤激光器、第一和第二光纤耦合器、扩谱非线性光纤、频偏锁定装置、第一和第二双色分光片、第一和第二隔离器、第一和第二超稳法布里-珀罗腔、真空腔以及第一和第二反射镜；其中，高重复频率飞秒光纤激光器发出功率高重复频率的激光脉冲，重复频率在1ghz以上；高重复频率的激光脉冲直接经第一光纤耦合器进入扩谱非线性光纤；扩谱非线性光纤将激光脉冲的光谱向短波长扩谱，使得光谱变宽；扩谱后的激光脉冲经第二光纤耦合器传输至第一双色分光片，长波长光谱分由第一双色分光片反射至频偏锁定装置，短波长光谱分量由第一双色分光片透射至第二双色分光片；第二双色分光片将这部分激光脉冲中的长波长光谱分量反射经第一隔离器至第一超稳法布里-珀罗腔，并将这部分激光脉冲中的短波长光谱分量透射经第二隔离器至第二超稳法布里-珀罗腔；至第一隔离器的长波长光谱分量中满足第一超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量透射出第一超稳法布里-珀罗腔，不满足第一超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量被反射，经第一隔离器偏振方向旋转90°，被反射至第一双色分光片，再经第一双色分光片透射至频偏锁定装置，作为频偏锁定装置的基频信号；至第二隔离器的短波长光谱分量中满足第二超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量透射出第二超稳法布里-珀罗腔；第一和第二超稳法布里-珀罗腔均位于真空腔内；经过第一和第二超稳法布里-珀罗腔后，不满足谐振频率的光谱分量被反射掉，实现了定标谱线频率间隔的倍增；第二超稳法布里-珀罗腔的谐振频率间隔大于第一超稳法布里-珀罗腔的谐振频率间隔，使得从第二超稳法布里-珀罗腔透射的频率间隔的倍增大于从第一超稳法布里-珀罗腔透射的频率间隔的倍增，从而实现既能保证长波长光谱分量中梳齿的个数，又能满足对短波长光谱分量梳齿的可分辨；从第一和第二超稳法布里-珀罗腔透射后的激光脉冲分别至第一和第二反射镜反射整形合束后入射至光谱仪，产生光谱仪定标谱线。

高重复频率光纤激光器输出高平均功率飞秒脉冲序列；在光电二极管上获得重复频率信号。高重复频率飞秒光纤激光器的输出功率在600mw以上，脉冲宽度在60fs以下，重复频率在1ghz以上；能产生覆盖可见光到近红外区域的多种频率间隔的定标谱线，并能长期稳定工作。

扩谱非线性光纤采用与光纤准直器集成的拉锥的光子晶体光纤，直径和长度根据激光器参数模拟确定；从高重复频率飞秒光纤激光器的输出光，经第一光纤耦合器耦合入拉锥的光子晶体光纤，产生可见光至近红外的超连续光谱。

获得初始频偏信号可通过常规的基频-倍频-拍频法获得；例如：第一个超稳法布里-珀罗腔反射光中含波长λ，第三个超稳法布里-珀罗腔反射光中含波长λ/2，将这两个波长的光输送到频偏锁定装置，即“f-to-2f”检测装置，f为激光的光学频率，2f为前述光学频率的倍频，二者的拍即为“频偏”。检测出频偏信号，输入到比例积分器中；比例积分器输出反馈信号控制激光器的泵浦电流，以稳定频偏信号。

频偏锁定装置作为稳定重复频率和初始频率的电子控制系统，包括微波原子钟(铷原子钟或氢原子钟)、第一信号发生器、第二信号发生器、数字鉴相器、分频器、混频器、雪崩光电二极管、比例-积分-微分电路、比例-积分电路、压电陶瓷高压驱动器。电子控制系统对高重复频率飞秒光纤激光器中的光电二极管和雪崩光电二极管产生的重复频率信号和初始频率信号进行同时稳定。

隔离器包括：法拉第旋转器、半波片和偏振分束器(pbs)；从第一超稳法布里-珀罗腔反射至第一隔离器的光，来回两次经过法拉第旋转器改变偏振方向，偏振方向旋转90°，被pbs反射，再经平面镜反射至相应的双色分光片，被选定作为频偏锁定装置产生初始频偏信号的光经反射镜反射至频偏锁定装置。

超稳法布里-珀罗腔包括依次叠放的超低膨胀系数(ule)玻璃平面镜和ule玻璃垫片和ule玻璃凹面镜；其中ule玻璃平面镜和ule玻璃凹面镜表面分别镀有可见光范围内互补的高反射率零色散啁啾膜系，并以光胶形式将ule玻璃垫片夹在中间形成超稳法布里-珀罗腔；ule玻璃垫片的中间具有通光孔，ule玻璃垫片的侧面有通气孔。帕尔贴分别粘贴在超稳法布里-珀罗腔的底部，热敏电阻采集温度传输至温度控制器，温度控制器连接至帕尔贴，帕尔贴用来对超稳法布里-珀罗腔加热和制冷。制作好的超稳法布里-珀罗腔放置于真空腔内。真空腔外壳内有绝热层，外壳设置有可见光增透膜的窗口镜片，离子真空泵维持高腔内真空状态。二向色分光镜分出的光频梳光谱分段耦合进入不同超稳法布里-珀罗腔，实现频率间隔的倍增。倍增由ule玻璃平面镜与ule玻璃凹面镜之间的距离确定，距离越长倍增越小。

从超稳法布里-珀罗腔输出的n光束经第一至第n反射镜合为一束，其中第一至第n反射镜具有特殊设计的反射膜，作为光谱平坦化装置。通过测量激光脉冲经过扩谱非线性光纤后的光谱的形状，根据光谱的形状设计反射膜，即对不同波长的光给予不同的反射率；对于强度越高的波长设置的反射率越低，对于强度越弱的波长设置的反射率越高，从而经过第一至第n反射镜反射后，消除过高的光谱分量，从而使各种波长的光强度趋于一致，实现光谱的平坦化，大大节省了空间和成本，也提高了系统的稳定性和可操作性。

本实用新型的优点：

本实用新型采用高重复频率飞秒光纤激光器，输出功率高、脉冲短，可直接产生在光子晶体光纤中产生超连续光谱，简化了系统；又因为超稳法布里-珀罗腔只利用了超连续光谱中数十分之一的定标谱线，反射的定标谱线完全能够作为产生初始频偏信号的光，这就省去了产生倍频程光谱所需要的另一套装置，进一步简化了系统；由于拉锥光子晶体光纤是与光耦合器集成在一起，不需要精密的准直装置，对准方便，长期稳定性非常高；又由于这种激光器的频率间隔大，通过超稳法布里-珀罗腔滤波后的边模抑制比高，噪声低，有利于在光谱仪中分辨；更由于同时将不同光谱波长的光通过不同消光谱区间的超稳法布里-珀罗腔滤波和频率间隔倍增，可同时获得不同波长的不同频率间隔的定标光谱，使得光谱在整个光谱仪探测区间都能清晰分辨；采用光谱平坦化反射镜，去掉了通常的光栅加空间调制器的装置，直接用特殊设计的反射镜消除过高的光谱分量，大大节省了空间和成本，也提高了系统的稳定性和可操作性；总结来说，上述光谱定标装置可实现高精度长期稳定定标；本实用新型的光谱仪定标谱线发生器可用于行星质量测量、暗物质的发现、精密测距等。

附图说明

图1为本实用新型的光谱仪定标谱线发生器的一个实施例的示意图；

图2为本实用新型的光谱仪定标谱线发生器的采用两个超稳法布里-珀罗腔的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

实施例一

如图1所示，本实施例的光谱仪定标谱线发生器包括：高重复频率飞秒光纤激光器1、第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器4、扩谱非线性光纤3、频偏锁定装置5、第一双色分光片6至第n双色分光片、第一隔离器8至第n隔离器、第一超稳法布里-珀罗腔9至第n超稳法布里-珀罗腔、真空腔12以及第一反射镜13至第n反射镜；其中，高重复频率飞秒光纤激光器发出功率高重复频率的激光脉冲，重复频率在1ghz以上；高重复频率的激光脉冲直接经第一光纤耦合器进入扩谱非线性光纤；扩谱非线性光纤将激光脉冲的光谱扩谱，使得光谱变宽；为了分离出不同的光谱分量，给予不同的频率间隔倍增，扩谱后的激光脉冲相继经过从短至长波长波段的第一至第n双色分光片，将不同波段的光反射经相应的第一至第n隔离器至第一至第n超稳法布里-珀罗腔；第一至第n隔离器至第一至第n超稳法布里-珀罗腔位于真空腔中；第一至第n超稳法布里-珀罗腔根据光谱仪分辨率设置不同的腔长，从而实现不同的消光谱区间即谐振频率间隔，将激光脉冲光谱中的频率间隔进行不同倍增，以适应光谱仪中不同波长的分辨率；波长越短的超稳法布里-珀罗腔的谐振频率间隔越大；满足超稳法布里-珀罗腔的谐振频率的光谱分量透射；不满足稳腔的谐振频率的光谱分量被反射，经相应的隔离器后，偏振方向旋转90°，从隔离器中反射输出；选择被不同超稳法布里-珀罗腔反射光中的基频和跨倍频程的光谱成分，经平面镜m输送至频偏锁定装置，作为频偏锁定装置的基频和倍频信号；经过第一至第n超稳法布里-珀罗腔后，不需要的光谱分量被去掉，实现了定标谱线频率间隔的倍增；第一至第n超稳法布里-珀罗腔的谐振频率间隔逐渐减小，透射光的频率间隔的倍增逐渐减小，从而实现既能保证长波长光谱分量中梳齿的个数，又能满足对短波长光谱分量梳齿的可分辨；从第一至第n超稳腔透射后的激光脉冲分别至第一至第n反射镜反射整形合束后入射至光谱仪，产生光谱仪定标谱线，n为≥2的整数。

实施例二

如图2所示，本实施例中以n＝2，即两个超稳法布里-珀罗腔为例，光谱仪定标谱线发生器包括：高重复频率飞秒光纤激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器4、扩谱非线性光纤3、频偏锁定装置5、第一双色分光片6、第二双色分光片7、第一隔离器8、第二隔离器10、第一超稳法布里-珀罗腔9、第二超稳法布里-珀罗腔11、真空腔12以及第一和第二反射镜13和14；其中，高重复频率飞秒光纤激光器1发出功率高重复频率的激光脉冲，重复频率在1ghz以上；高重复频率的激光脉冲直接经第一光纤耦合器2进入扩谱非线性光纤3；扩谱非线性光纤3将激光脉冲的光谱从红外向可见光扩谱，使得光谱变宽；扩谱后的激光脉冲经第二光纤耦合器4传输至第一双色分光片6，900nm～1500nm由第一双色分光片6反射至频偏锁定装置5，400nm～900nm由第一双色分光片6透射至第二双色分光片7；第二双色分光片7将570nm～900nm反射经第一隔离器8至第一超稳法布里-珀罗腔9，并将400nm～560nm透射经第二隔离器10至第二超稳法布里-珀罗腔11；至第一隔离器8的长波长激光脉冲中满足第一超稳法布里-珀罗腔9的谐振频率的激光脉冲透射出第一超稳法布里-珀罗腔9，不满足第一超稳法布里-珀罗腔9的谐振频率的激光脉冲被反射，经第一隔离器8偏振状态旋转90°，被第一隔离器8的pbs反射，再经平面镜m反射至第一双色分光片6，再经第一双色分光片6透射至频偏锁定装置5，作为频偏锁定装置5的基频信号；至第二隔离器10的短波长激光脉冲中满足第二超稳法布里-珀罗腔11的谐振频率的激光脉冲透射出第二超稳法布里-珀罗腔11；第一和第二超稳法布里-珀罗腔9和11均位于真空腔12内；光谱分别经过第一和第二超稳法布里-珀罗腔9和11后，不需要的光谱分量被反射掉，实现了定标谱线频率间隔的倍增；第二超稳法布里-珀罗腔11的谐振频率间隔为45ghz，第一超稳法布里-珀罗腔9的谐振频率间隔为30ghz，使得从第二超稳法布里-珀罗腔11透射的频率间隔的倍增为本例中基频的45倍，从第一超稳法布里-珀罗腔9透射的频率间隔的倍增为本例中基频的30倍，从而实现既能保证长波长的激光定标谱线的个数，同时满足对短波长定标谱线的可分辨；从第一和第二超稳法布里-珀罗腔9和11透射后的激光脉冲分别经第一和第二反射镜13和14反射整形后合束至光谱仪，产生光谱仪定标谱线。从第一和第二超稳法布里-珀罗腔透射后的激光脉冲分别至第一和第二反射镜反射，测量激光脉冲经过扩谱非线性光纤后的光谱的形状，根据光谱的形状对第一和第二反射镜进行镀膜，膜系对不同波长的光具有不同的反射率；对于强度越强的波长反射率越低，对于强度越弱的波长反射率越高，从而通过反射镜消除过高的光谱分量。

在本实施例中，高重复频率飞秒光纤激光器1的功率在600mw以上，脉冲宽度在60fs以下，重复频率为1ghz；扩谱非线性光纤3的拉锥长度为50mm，拉准光纤最小芯径为1.2μm；频偏锁定装置5包括原子钟、射频信号发生器、鉴相器、射频放大器、比例积分器、驱动电流源。用标准的f-to-2f方法获得频率信号经过射频放大器，与原子钟做参考的射频信号源比较。其中获得频偏信号的光源为第一双色分光片6反射光中的1300nm的倍频光和第一超稳法布里-珀罗腔9反射信号中的650nm信号，比较误差信号通过比例积分器，输入到光纤激光器的驱动电流源，以稳定频偏信号；第一和第二超稳法布里-珀罗腔9和11采用超稳法布里-珀罗腔，倍增分别为30和45；第一和第二反射镜13和14分别具有镀膜覆盖570nm～900nm和400nm～560nm光谱区间；真空腔12的真空度为10^-8torr。温度控制在25℃±0.01℃。透过第一和第二超稳法布里-珀罗腔的光通过第一和第二反射镜13和14反射后合束，再耦合到多模光纤15中，入射到光谱仪，可为光谱仪高精度定标。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，例如不限制超稳法布里-珀罗腔的个数、光谱范围、频率间隔等。本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

参考文献

[1]m.t.murphy,t.udem,r.holzwarth,a.sizmann,l.pasquini,c.araujo-hauck,h.dekker,s.d’odorico,m.fischer,t.w.hanschanda.manescau,“high-precisionwavelengthcalibrationofastronomicalspectrographswithlaserfrequencycombs,”mon.not.r.astron.soc.380,839-847(2007)

[2]c.-h.li,a.j.benedick,p.fendel,a.g.glenday,f.x.d.f.phillips,d.sasselov,a.szentgyorgyi,andr.l.walsworth,“alaserfrequencycombthatenablesradialvelocitymeasurementswithaprecisionof1cms(-1),”nature452,610-612(2008)

[3]g.g.ycas,f.quinlan,s.a.diddams,steveosterman,suvrathmahadevan,s.redman,r.terrien,l.ramsey,c.f.bender,b.botzer,ands.sigurdsson,“demonstrationofon-skycalibrationofastronomicalspectrausinga25ghznear-irlaserfrequencycomb,”opt.express20,6631-6643(2012)