一种非线性干涉仪的制作方法

1.本发明涉及光学干涉测量领域，更具体地，涉及一种非线性干涉仪。


背景技术：

2.飞秒激光频率梳的载波包络偏移频率是光脉冲载波相对于飞秒脉冲包络的变化，无法使用光电探测器等探测仪器直接探测。目前通常引入非线性过程，并使用干涉测量的方法对载波包络偏移频率进行探测。
3.现有对载波包络偏移频率进行探测干涉仪的光路结构主要有非共线和共线两种干涉光路。其中，非共线干涉仪中超连续光谱中的倍频光2fn和基频光f
2n
是分开传输的，从而可以对两者之间的时域延时进行灵活调节，但非共线干涉仪存在光路结构复杂的缺点，且两干涉臂的等效光程差易受环境扰动，获得的载波包络偏移频率f0的稳定性较低。共线干涉仪的光路结构则相对简单，整体受环境扰动较小，没有非共模噪声影响，但共线干涉仪需要预设输出光谱中高频和低频成分之间的时域延迟接近于零，且不能连续可调，获得的载波包络偏移频率f0的信噪比较低。


技术实现要素：

4.本发明为克服现有技术所获得的载波包络偏移频率稳定性低且信噪比低的缺陷，提供一种非线性干涉仪。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.第一个方面，本发明提出一种非线性干涉仪，包括：
7.依次光路连接的飞秒激光器、超连续光谱产生装置、偏振态调控装置、光学倍频装置、时延调节装置和拍频信号探测装置。
8.所述飞秒激光器输出飞秒光脉冲至所述超连续光谱产生装置，所述超连续光谱产生装置对所述飞秒光脉冲进行光谱展宽，得到包括基频光的超连续光谱；所述超连续光谱依次经过所述偏振态调控装置和所述光学倍频装置进行偏振态调控以及对超连续光谱中的低频光进行倍频处理，得到倍频光；所述基频光和倍频光经过所述时延调节装置进行时延调节后传输至所述拍频信号探测装置，所述拍频信号探测装置对所述基频光和倍频光进行拍频处理，得到载波包络偏移频率。
9.在本技术方案中，所述飞秒激光器输出飞秒光脉冲；将所述飞秒光脉冲输入所述超连续光谱产生装置，所述超连续光谱产生装置对所述飞秒光脉冲进行光谱展宽，将所述飞秒光脉冲的光谱展宽至一个倍频程以上的覆盖范围的超连续光谱，使得超连续光谱中高频光的频率达到了低频光的频率的两倍，从而得到拍频所需的基频光f
2n
；将所述超连续光谱输入所述偏振态调控装置改变超连续光谱的偏振方向和功率分布，使得超连续光谱达到与所述光学倍频装置的最佳匹配状态；然后将偏振态调控装置输出的超连续光谱输入所述光学倍频装置进行倍频处理，使得超连续光谱中的低频成分实现倍频，从而得到拍频所需的倍频光；将光学倍频装置输出的基频光和倍频光输入所述时延调节装置，所述时延调节
装置对输入的基频光和倍频光进行精密时延调节，从而实现基频光和倍频光之间时延的连续可调；将时延调节装置输出光束输入所述拍频信号探测装置，所述拍频信号探测装置对所述基频光和所述倍频光进行拍频，得到拍频信号，所述拍频信号即为载波包络偏移频率。
10.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过将飞秒激光器、超连续光谱产生装置、偏振态调控装置、光学倍频装置、时延调节装置和拍频信号探测装置依次光路连接在一条光路上，使得干涉仪中的所有光线都在一条光路上传输，光路结构简单，充分利用了共模抑制效应以抑制环境噪声的影响，并通过时延调节装置对超连续光谱进行精密时延调节，实现基频光和倍频光之间时延的连续可调，能够提高载波包络偏移频率的探测稳定性的同时，实现了载波包络偏移频率的高信噪比测量。
附图说明
11.图1为本发明的非线性干涉仪的一种结构示意图。
12.图2为本发明的非线性干涉仪的另一种结构示意图。
13.图3为离轴抛物面反射镜准直和聚焦光束示意图。
14.图4为本发明的非线性干涉仪的又一种结构示意图。
15.图5为沃拉斯顿棱镜调节两光束之间的延时示意图。
16.图6为2f-2f成像系统光路示意图。
17.其中，1-飞秒激光器，2-超连续光谱产生装置，201-半波片，202-第一光纤准直器，203-光子晶体光纤，3-偏振态调控装置，301-第二光纤准直器，302-第一线性偏振片，303-第一凸透镜，304-离轴抛物面反射镜，4-光学倍频装置，5-时延调节装置，501-窄带滤光片，502-第二凸透镜，503-平面反射镜，504-沃拉斯顿棱镜，505-凹面反射镜，6-拍频信号探测装置，601-第二线性偏振片，602-第三凸透镜，603-光电探测器。
具体实施方式
18.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
19.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
20.为了便于对本发明实施例进行说明，预先对本发明实施例涉及的基本概念进行如下介绍：
21.飞秒激光器在时域上输出一系列间隔相等的飞秒光脉冲，其时间间隔一般为光脉冲在激光谐振腔内往返一周的时间(t)，对应到频域则表现为呈梳状分布的一系列频率齿，也就是飞秒激光谐振腔内的一系列纵模频率，其相邻梳齿的间隔为光脉冲在激光腔内循环一周所用时间(t)的倒数，也即单位时间内激光器输出的脉冲个数，一般称为飞秒激光的脉冲重复频率fr，其主要受激光器等效腔长(l)影响。由于激光谐振腔内色散的存在导致输出光脉冲的群速度和相速度不一致，从而光脉冲的包络和载波在腔内振荡的过程中会存在相位差，即载波-包络偏移(ceo)，其变化频率则称为载波-包络偏移频率(f0)。f0在频域表现为频率梳齿的整体偏移，相当于尺子的起始刻度与尺子的物理端点的偏移；而重复频率fr则相当于梳齿的单位刻度的大小。当飞秒激光器自由运转时，受各种干扰因素的影响，其f0和fr都会发生变化，相当于尺子上的每一个刻度在尺子上的位置都不太确定。而当通过一些技术手段将激光器光脉冲的重复频率和载波-包络偏移频率都精确锁定时，则其每根梳齿
的频率均可精确确定，且第n根频率齿的频率表现为fn＝f0+nfr。这种精密控制的光频率梳在精密光谱学和精密计量学等领域具有革命性的应用价值。
22.飞秒激光输出脉冲的重复频率fr一般在107hz-109hz量级，可以由高速光电探测器测得，经由锁相环系统精确控制激光器的等效腔长而精确锁定在某一参考到国际频率基准的固定频率值上。由于载波包络偏移频率是光脉冲载波相对于飞秒脉冲包络的变化，无法用光电探测器等直接探测，通常引入非线性过程，并用干涉测量的方法探测，最常用的就是基于f-2f自参考干涉技术。f-2f自参考干涉法需要飞秒激光的输出光谱通过强非线性过程扩展至具有一个倍频程超连续光谱，即光谱中包含fn＝f0+nfr和f
2n
＝f0+2nfr两个频率成分，f
2n
的值几乎是fn的两倍。然后通过倍频技术将低频的fn倍频至2fn＝2f0+2nfr，以便在干涉仪中得到频率接近的f
2n
和2fn两束光的干涉信号，并用光电探测器探测得到两者的拍频(频率差)，f
2n-2fn＝f0，即获得了飞秒激光脉冲序列的载波-包络偏移频率f0。
23.实施例1
24.请参阅图1，本实施例提出一种非线性干涉仪，用于探测载波包络偏移频率，包括：
25.依次光路连接的飞秒激光器1、超连续光谱产生装置2、偏振态调控装置3、光学倍频装置4、时延调节装置5和拍频信号探测装置6。
26.在具体实施过程中，所述飞秒激光器1输出飞秒光脉冲；将所述飞秒光脉冲输入所述超连续光谱产生装置2，所述超连续光谱产生装置2对所述飞秒光脉冲进行光谱展宽，将所述飞秒光脉冲的光谱展宽至一个倍频程以上的覆盖范围的超连续光谱，使得超连续光谱中高频光的频率达到了低频光的频率的两倍，从而得到拍频所需的基频光；将所述超连续光谱输入所述偏振态调控装置3改变超连续光谱的偏振方向和功率分布，使得超连续光谱达到与所述光学倍频装置4的最佳匹配状态；然后将偏振态调控装置3输出的超连续光谱输入所述光学倍频装置4进行倍频处理，使得超连续光谱中的低频成分实现倍频，从而得到拍频所需的倍频光；将光学倍频装置4输出的基频光和倍频光输入所述时延调节装置5，所述时延调节装置5对输入基频光和倍频光进行精密时延调节，从而实现基频光和倍频光之间时延的连续可调；将时延调节装置5输出光束输入所述拍频信号探测装置6，所述拍频信号探测装置6对所述基频光和所述倍频光进行拍频，得到拍频信号，所述拍频信号即为载波包络偏移频率。
27.通过将飞秒激光器1、超连续光谱产生装置2、偏振态调控装置3、光学倍频装置4、时延调节装置5和拍频信号探测装置6依次光路连接在一条光路上，使得超连续光谱中的基频光和倍频光在一条光路上传输，光路结构简单，能够提高载波包络偏移频率的探测稳定性；通过时延调节装置5对超连续光谱进行精密时延调节，实现基频光和倍频光之间时延的连续可调，通过调节基频光和倍频光之间时延，能够实现拍频信号—载波包络偏移频率的高信噪比测量。
28.实施例2
29.本实施例在实施例1提出的非线性干涉仪的基础上作出改进。
30.本实施例中，所述超连续光谱产生装置2包括依次光路连接的半波片201、第一光纤准直器202和光子晶体光纤203；所述飞秒激光器1的发射端与所述半波片201的接收端连接；所述光子晶体光纤203的输出端与所述偏振态调控装置3的输入端连接。
31.在具体实施过程中，选取中心波长为1030nm的飞秒光纤激光器输出飞秒光脉冲，
所述飞秒光脉冲经过所述半波片201后，通过所述第一光纤准直器202耦合进所述光子晶体光纤203。所述第一光纤准直器202和所述光子晶体光纤203加工为一体，或者采用fc/pc光纤连接器将所述第一光纤准直器202和所述光子晶体光纤203连接在一起。当输出的飞秒光脉冲耦合进所述光子晶体光纤203时，飞秒光脉冲的光谱会被展宽至一个倍频程以上的覆盖范围的超连续光谱，使得所述超连续光谱中高频光的频率达到了低频光的频率的两倍，从而得到拍频所需的基频光f
2n
。
32.本实施例中，调节半波片201改变入射光的偏振态，可以优化输出光谱以达到预期效果。
33.实施例3
34.本实施例在实施例2提出的非线性干涉仪的基础上作出改进，如图1所示，图1为本发明的干涉仪的一种结构示意图。
35.本实施例中，所述偏振态调控装置3包括依次光路连接的第二光纤准直器301、第一线性偏振片302和第一凸透镜303；所述超连续光谱产生装置2的输出端与所述第二光纤准直器301的输入端连接；所述第一凸透镜303的发射端与所述光学倍频装置4的输入端连接。
36.本实施例中，所述光子晶体光纤203的输出端与所述第二光纤准直器301的输入端连接。
37.本实施例中，所述第二光纤准直器301包括具有fc/pc接头的集成式离轴抛物面反射式准直器。相较于采用透镜准直光束，离轴抛物面反射式准直器避免了透镜的色差效应，具有更好的准直效果，而传统的设计方案通常采用消色差透镜，面对光谱宽度大于500nm以上的超连续谱时色散效应仍旧非常明显，准直效果差。同时反射镜通常只具有小于3％的损耗，而一般近红外消色差显微物镜的损耗大于10％。具有fc/pc接口的集成式离轴抛物面反射式准直器可以直接简单快速装配带有fc/pc接头的光子晶体光纤203的输出端，且不易受环境扰动。
38.在具体实施过程中，实现光谱展宽后的超连续光谱经所述光子晶体光纤203的输出端输出至所述第二光纤准直器301中，所述第二光纤准直器301对对光子晶体光纤203输出的超连续谱进行准直，使得超连续光谱达到与所述光学倍频装置4的最佳匹配状态。
39.在超连续光谱倍频时，通过调节光子晶体光纤203前半波片201和非线性倍频晶体前的第一线性偏振片302的角度可以改变光束偏振方向和超连续光谱的功率分布，使超连续光谱达到和光学倍频装置4的最佳匹配状态，以满足相位匹配要求，从而提高激光倍频效率，以便获得最优的倍频和后续拍频效果。
40.本实施例中，光子晶体光纤203的输出端做塌缩处理，并安装fc/pc接头。光子晶体光纤203的输出端直接安装于第二光纤准直器301上。由于光子晶体光纤203输出的超连续光谱呈发散状态，发散角较大，光束数值孔径na一般大于0.2。当第二光纤准直器301的焦点在光子晶体光纤203端面，且方向合适时，经第二光纤准直器301反射的超连续光束呈准直状态，第二光纤准直器301出射的光束为平行光，由第一凸透镜303将其聚焦于光学倍频装置4上。
41.进一步地，如图2所示，图2为本发明的干涉仪的另一种结构示意图，本实施例还可采用离轴抛物面反射镜304来聚焦第二光纤准直器301准直后的超连续谱光束，使其聚焦在
光学倍频装置4上，如图3所示，图3为离轴抛物面反射镜304准直和聚焦光束示意图，即所述偏振态调控装置3包括依次光路连接的第二光纤准直器301、第一线性偏振片302和离轴抛物面反射镜304；所述超连续光谱产生装置2的输出端与所述第二光纤准直器301的输入端连接；所述离轴抛物面反射镜304的发射端与所述光学倍频装置4的输入端连接。离轴反射式抛物面镜具有无色差和像差的优点，可以使超连续谱光束更好地聚焦在光学倍频装置4上。
42.进一步地，在特殊情况下，如需进一步简化光路，可以通过改变光子晶体光纤203的输出端面和第二光纤准直器301的相对位置，使第二光纤准直器301出射的光束直接聚焦于光学倍频装置4上，无需另加第一凸透镜303或离轴抛物面反射镜304，如图4所示，图4为本发明的干涉仪的又一种结构示意图。所述偏振态调控装置3包括依次光路连接的第二光纤准直器301和第一线性偏振片302；所述超连续光谱产生装置2的输出端与所述第二光纤准直器301的输入端连接。所述第一线性偏振片302的发射端与所述光学倍频装置4的输入端连接。当光子晶体光纤203的输出端稍微远离反射镜焦点，这样反射光束不再是准直状态，而是聚焦状态，可以直接由第二光纤准直器301将光束聚焦于后面的光学倍频装置4上。
43.本实施例中，光学倍频装置4包括i类相位匹配的非线性倍频晶体。常见的此类倍频晶体有bbo、ktp、lbo等
44.在具体实施过程中，准直后的光束经由第一凸透镜303聚焦至非线性倍频晶体中，实现超连续光谱中低频成分fn＝f0+nfr的倍频，从而得到拍频所需的频率成分，倍频光2fn＝2f0+2nfr。
45.第二光纤准直器301准直后的超连续光谱经由消色差比如双胶合第一凸透镜303聚焦至非线性倍频晶体中，或者第二光纤准直器301直接将光子晶体光纤203输出的超连续光谱聚焦于光学非线性倍频晶体中。超连续光谱中低频成分fn＝f0+nfr经过非线性倍频晶体后实现了倍频，得到后续拍频所需的倍频光2fn＝2f0+2nfr。高频的基频光f
2n
＝f0+2nfr由于不符合相位匹配条件而直接通过非线性倍频晶体。新产生的频率为2fn的倍频光的偏振态与超连续光谱中的基频光f
2n
的偏振态相互垂直。
46.本实施例中，所述非线性倍频晶体采用i类相位匹配的bbo晶体，即o光入射至非线性倍频晶体，倍频后的倍频光为e光，其与超连续光谱中的高频成分的偏振态相互垂直。
47.实施例4
48.本实施例在实施例3提出的非线性干涉仪的基础上作出改进。
49.本实施例中，所述时延调节装置5包括依次光路连接的窄带滤光片501、第二凸透镜502、平面反射镜503、沃拉斯顿棱镜504和凹面反射镜505；所述光学倍频装置4的输出端与所述窄带滤光片501的接收端连接；所述平面反射镜503的发射端与拍频信号探测装置6的接收端连接。
50.本实施例中，采用一个窄带滤光片501置于非线性倍频晶体后，用于滤除多余的光谱成分，该窄带滤光片501只透过光束中倍频光2fn和基频光f
2n
。从而方便后续对倍频光2fn和基频光f
2n
之间时域延时的调控，以及提高信噪比。
51.本实施例中，所述第二凸透镜502为消色差双凸透镜，具体可采用双胶合透镜。采用第二凸透镜502可将透过窄带滤光片501的光束聚焦于沃拉斯顿棱镜504内部的胶合面上。
52.本实施例中，利用一块沃拉斯顿棱镜504分别将倍频光2fn和基频光f
2n
分成两路，由于这两个光谱成分的偏振态相互垂直，虽然之前一直是共线传输，但当光束经过沃拉斯顿棱镜504的胶合面之后，不同偏振态的光束将以设计的分离角分开传输。由于不同的偏振态的光在沃拉斯顿棱镜504内具有不同的群速度，因此，改变光束在沃拉斯顿棱镜504胶合面上的位置，可以精密调节倍频光2fn和基频光f
2n
之间的时延。
53.本实施例中，所述采用一个具有较大口径的凹面反射镜505将分开的倍频光2fn和基频光f
2n
反射并重新相交于沃拉斯顿棱镜504的胶合面上。根据光路可逆原理，在反射传输再次经过棱镜胶合面之后，倍频光2fn和基频光f
2n
又在空间上合束在一起。另外，通过调节凹面反射镜505反射光束的高低，可以使得反射经过沃拉斯顿棱镜504并合束的光束相比较于入射光束具有不同的高度，有利于将反射光束与入射光束分开。
54.在具体实施过程中，窄带滤光片501光束中倍频光2fn和基频光f
2n
，通过第二凸透镜502将倍频光2fn和基频光f
2n
聚焦在沃拉斯顿棱镜504的胶合界面上。由于沃拉斯顿棱镜504是由直角棱镜对胶合而成的，且两个棱镜对的光轴互相垂直，偏振态互相垂直的2fn和基频光f
2n
入射到沃拉斯顿棱镜504端面时，在第一块棱镜内两者以不同速度沿同一方向行进。进入第二块棱镜时，棱镜的光轴转过了90
°
，o光和e光发生转化，由于棱镜基底方解石对o光折射率大于e光折射率，所以两束偏振态互相垂直的倍频光2fn和基频光f
2n
偏离棱镜斜面法线的角度不一样，因此两者在第二块棱镜中是以一定的分离角度分开传播，并从沃拉斯顿棱镜504后表面出射的。而通过移动沃拉斯顿棱镜504使倍频光2fn和基频光f
2n
聚焦在沃拉斯顿棱镜504胶合斜面的不同位置，可以使倍频光2fn和基频光f
2n
走过不同的光程，从而达到调节两者之间时域延时的目的。
55.为了导出合束光束至拍频信号探测装置6，调节凹面反射镜505的俯仰使返回的光束稍低于原光轴而入射至原光轴下方的平面反射镜503，实现光束的转向，将光束传输至拍频信号探测装置6。
56.本发明采用沃拉斯顿棱镜504分光方案，相比较于传统的非共线干涉仪，可以使得干涉仪中所有光线都经过相同的光学元器件，不但使得干涉仪光路大为简化，体积更加紧凑，更让发生干涉的两个光谱成分倍频光2fn和基频光f
2n
共享所有光学元器件，且绝大部分光路是共线的，充分利用了共模抑制效应以抑制环境噪声的影响，可以获得具有较高信噪比的探测信号。
57.另外，采用沃拉斯顿棱镜504进行飞秒光脉冲的精密时延调节，并且调节方向与发生延时作用的方向接近垂直，所产生的时延对沃勒斯顿在调节方向位移的灵敏度系数小，如图5所示，图5为沃拉斯顿棱镜504调节两光束之间的延时示意图，也即调节较长的距离才产生较小的时延调节，这样系统稳定性高，拍频信号对沃拉斯顿棱镜504的位置振动和漂移不敏感。
58.本发明中的光束是聚焦于沃拉斯顿棱镜504的分光胶合面上的，在胶合面上的光斑大小很小，充分抑制了光束在胶合面上横向分布过大所带来的横向色散不一致效应，有利于提高干涉仪的探测信噪比。
59.本发明使用一个凹面反射镜505同时将分束后的倍频光2fn和基频光f
2n
反射回沃拉斯顿棱镜504的分光面，并形成合束。由于分光面上的光点位于凹面镜的球心也即两倍焦距2f处，这样正向传输的棱镜分光面上的光点与反射回棱镜分光面上的光点形成了一个
2f-2f系统，即物距等于像距，如图6所示，图6为2f-2f成像系统光路示意图。反射的光束可以在沃拉斯顿棱镜504分光面上复现入射的光束，这样两个光束的合束效果好，空间重叠的效果抗干扰能力强。
60.实施例5
61.本实施例在实施例4提出的非线性干涉仪的基础上作出改进。
62.进一步地，所述拍频信号探测装置6包括依次光路连接的第二线性偏振片601、第三凸透镜602和光电探测器603；所述第二线性偏振片601的接收端与所述所述平面反射镜503的发射端连接。
63.本实施例中，利用第二线性偏振片601置于光电探测器603前方，使得具有相互垂直偏振态的倍频光2fn和基频光f
2n
走在穿过第二线性偏振片601之后具有相同的偏振态，从而可以产生干涉效应。
64.本实施例中，所述光电探测器603采用雪崩光电探测器603，利用所述雪崩光电探测器603来探测频率相近的倍频光2fn和基频光f
2n
的干涉拍频，获得飞秒激光脉冲的载波包络偏移频率f0，为飞秒激光频率梳的精密锁定等应用提供信号。
65.在具体实施过程中，从平面反射镜503出射的光束经由第二线性偏振片601后由第三凸透镜602将其聚焦至雪崩光电探测器603。原本相互垂直的偏振态的合束光通过第二线性偏振片601后选取相同的偏振态，从而实现倍频光2fn和基频光f
2n
的拍频，最后由雪崩光电探测器603测得其拍频信号，即载波包络偏移频率f0。
66.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
67.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。