一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法与流程

1.本发明红外波段光波长标准技术领域，涉及一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法。


背景技术：

2.中红外波段通常指波长为3μm～5μm的电磁波段，该波段是一个重要的大气窗口，对火灾监测、激光制导以及激光雷达等领域都有着重要的应用价值。中红外波段光波长的校准对于该波段的应用具有重要意义，然而一直以来，缺乏有效的校准手段。
3.现有中红外波段光波长标准产生方法一般是基于光学参量振荡原理，具体是用1064nm的近红外光作为基频光与非线性晶体进行耦合，产生出通信波段的闲频光和中红外波段的信号光，由于1064nm的光波长和通信波段的光波长均可通过标准波长计直接测得，根据以上两个波长的测量值并利用相关光子理论可计算出中红外波段信号光的光波长。
4.现有技术方案存在以下缺点：现有方案溯源至光波长计，测量不确定度最优仅可达10
‑5量级，然而，当前高功率激光技术、高精度测距对光波长测量不确定度提出了更高要求，当前的中红外波段光波长校准精度已无法满足这种需要。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法，首先是在中红外波段产生出高稳定和高精度的(优于10
‑
11
)光梳信号，然后将中红外波段的稳频激光器锁定至光梳梳齿上，从而实现对中红外波段稳频激光的高稳定锁定，成为中红外光波长标准，使中红外波段的光波长测量不确定度水平至少提高6个数量级。
6.本发明提出一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准的实现方法。首先是基于近红外光差频机理产生出中红外波段的光梳信号；然后将与中红外窄线宽激光器输出波长相近的光梳梳齿提取出来，并将其与中红外窄线宽激光器输出的激光信号进行拍频；利用拍频得到的误差信号驱动中红外窄线宽激光器实现对输出波长的高稳定锁定，从而实现中红外波段标准波长的输出。
7.一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法，包括以下步骤：
8.步骤1：飞秒振荡器基于两路近红外波段基频光在非线性晶体中的差频效应产生中红外波段光梳信号；
9.步骤2：将飞秒振荡器的输出信号锁定至微波频率标准，通过锁定重复频率fr和/或载波包络相位偏移频率f0来实现；锁定方案为先用光电探测器测量飞秒振荡器的重复频率，将光电探测器的电输出信号经滤波放大后送至锁相环实现与微波参考频率锁定，随后用锁定信号控制飞秒振荡器的pzt驱动来调节飞秒振荡器的腔长，通过该反馈控制过程，将飞秒振荡器的重复频率f
r
锁定至微波频率标准，稳定度优于10
‑
11
；
10.步骤3：从锁定后的飞秒振荡器发出的飞秒光信号被分束为两路，其中第一路经掺铒光纤放大后泵浦高非线性光纤产生出超连续谱，然后再经掺镱光纤放大后产生中心波长
位于1.06μm的光脉冲信号；另一路飞秒光信号先由掺铒光纤进行放大，放大后的光脉冲信号中心波长仍然位于1.55μm附近，然后经过延时控制后与第一路中心波长为1.06μm的光脉冲信号合束；
11.步骤4：通过调节差频晶体的周期实现对中红外光梳信号中心波长的调谐；
12.步骤5：通过梳齿提取放大单元提取中红外光梳信号中与中红外窄线宽激光器的输出波长最接近的梳齿，并将其与窄线宽激光器的输出信号一起经半透半反镜输入拍频模块；二者经拍频作用产生误差电信号，用该误差电信号驱动中红外窄线宽激光器对激光器进行稳频控制，从而实现将中红外窄线宽激光器锁定至光梳，形成高稳定高精度的中红外光波长标准。
13.上述中，所述步骤1中，所述飞秒振荡器为全光纤型，中心波长位于1.55μm波段，重复频率为100mhz，脉冲宽度80fs。
14.上述中，所述步骤2中，所述微波频率标准为铷钟或铯钟或氢钟。
15.上述中，所述步骤4，具体的，根据窄线宽激光器的输出波长调节差频晶体的周期，使差频产生的中红外光梳信号的中心波长与窄线宽激光器的输出波长相接近。
16.上述中，所述步骤5中，所述中红外窄线宽激光器的输出波长最接近的梳齿为在3μm～5μm的波段内输出一系列稳定的梳齿。
17.采用上述方案，本发明在中红外波段的宽光谱范围内实现光波长的校准，测量不确定度优于10
‑
11
，较现有水平改善了6个数量级以上。
附图说明
18.图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
19.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
20.如图1所示，本发明的一个实施例是，本发明提出一种基于飞秒光梳的中红外波段光波长标准实现方法，包括以下步骤：
21.步骤1：飞秒振荡器基于sesam机制设计，为全光纤型，具有工作稳定、体积小、成本低的优点，中心波长位于1.55μm波段，重复频率为100mhz，脉冲宽度80fs左右。飞秒振荡器基于两路近红外波段基频光在非线性晶体中的差频效应产生中红外波段光梳信号，飞秒振荡器的作用在于产生差频所需的两路近红外波段基频光。
22.步骤2：为保证差频后在晶体中输出的中红外波段光信号具备光梳的特征，即每根梳齿的频率都高度稳定，首先需要将飞秒振荡器的输出信号锁定至微波频率标准，该频率标准可以为铷钟或者更为稳定的铯钟、氢钟。一般而言，飞秒振荡器的锁定主要通过锁定重复频率f
r
和载波包络相位偏移频率f0来实现。考虑到在差频过程中载波包络相位偏移频率f0会自动消除，因此本方案只需要对重复频率f
r
进行锁定。锁定方案为先用光电探测器测量
飞秒振荡器的重复频率，将光电探测器的电输出信号经滤波放大后送至锁相环实现与微波参考频率锁定，随后用锁定信号控制飞秒振荡器的pzt驱动来调节飞秒振荡器的腔长，通过该反馈控制过程即可将飞秒振荡器的重复频率f
r
锁定至微波频率标准，稳定度优于10
‑
11
。
23.步骤3：从锁定后的飞秒振荡器发出的飞秒光信号被分束为两路，其中第一路经掺铒光纤放大后泵浦高非线性光纤产生出超连续谱，然后再经掺镱光纤放大后产生中心波长位于1.06μm的光脉冲信号；另一路飞秒光信号先由掺铒光纤进行放大，放大后的光脉冲信号中心波长仍然位于1.55μm附近，然后经过延时控制后与第一路中心波长为1.06μm的光脉冲信号合束。通过精细调节光束位置和延时控制单元使合束后的两路光脉冲信号在时间上和空间上都是高度重合的，这样可以保证两路光在晶体中具有较高的差频转换效率，从而可高效产生出波长位于中红外波段的光梳信号。
24.步骤4：通过调节差频晶体的周期可实现对中红外光梳信号中心波长的调谐。首先根据窄线宽激光器的输出波长调节差频晶体的周期，使差频产生的中红外光梳信号的中心波长与窄线宽激光器的输出波长相接近；
25.步骤5：通过梳齿提取放大单元提取中红外光梳信号中与中红外窄线宽激光器的输出波长最接近的梳齿，并将其与窄线宽激光器的输出信号一起经半透半反镜输入拍频模块；二者经拍频作用产生误差电信号并锁定，用该锁定后的误差电信号驱动中红外窄线宽激光器就可以对激光器进行稳频控制，从而实现将中红外窄线宽激光器锁定至光梳，形成高稳定高精度的中红外光波长标准。
26.上述中，在中红外波段产生出高稳定和高精度的(优于10
‑
11
)光梳信号，然后将中红外波段的稳频激光器锁定至光梳梳齿上，从而实现对中红外波段稳频激光的高稳定锁定，成为中红外光波长标准，使中红外波段的光波长测量不确定度水平至少提高6个数量级。
27.上述中，是基于近红外光差频机理产生出中红外波段的光梳信号；然后将与中红外窄线宽激光器输出波长相近的光梳梳齿提取出来，并将其与中红外窄线宽激光器输出的激光信号进行拍频；利用拍频得到的误差信号驱动中红外窄线宽激光器实现对输出波长的高稳定锁定，从而实现中红外波段标准波长的输出。
28.上述中，中红外飞秒光梳可以在3μm～5μm的波段内输出一系列稳定的梳齿，用其锁定中红外波段内具有不同波长的窄线宽激光器，就能够建立中红外波段的一系列光波长标准。通过该方案建立的中红外光波长标准测量不确定度优于10
‑
11
，较现有水平改善了6个数量级以上。
29.具体实施以4.0μm中红外波段光波长标准的实现为例。首先将飞秒振荡器的重复频率f
r
锁定至80mhz，稳定度优于5
×
10
‑
11
。然后将飞秒光信号分为两路，其中一路经高非线性光纤扩谱和掺镱光纤放大后产生中心波长位于1.06μm附近的光脉冲信号，频谱宽度为40nm左右；另一路由掺铒光纤进行放大产生中心波长位于1.55μm附近，频谱宽度与第一路光脉冲信号相当；通过精细调节光路使两路光在时间上和空间上高度重合。接着，调节差频晶体周期，使输出的光梳信号中心波长在4.0μm附近。通过梳齿提取放大单元提取频率在75thz附近的(对应波长为4.0μm)的梳齿，然后经半透半反镜入射到拍频模块与标称输出波长在4.0μm的量子级联激光器进行拍频，得到误差电信号并将该电信号锁定后驱动量子级联激光器，从而得到该波长点的高稳定标准波长输出。
30.相对于现有技术方案，本发明的优点在于：在中红外波段的宽光谱范围内实现光波长的校准，测量不确定度优于10
‑
11
，较现有水平改善了6个数量级以上。
31.本发明提出一种基于光纤飞秒光梳的中红外波段光波长标准，可产生中红外波段的高精度光波长信号，波长测量不确定度优于10
‑
11
，满足高精度测距、激光相干合束等领域对中红外波段高精度波长标准的需求。
32.需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。