一种太赫兹双光梳光谱仪稳定控制系统及方法与流程

本发明涉及太赫兹波，具体涉及一种太赫兹双光梳光谱仪稳定控制系统及方法。

背景技术：

1、太赫兹（thz）辐射，即频率在0.1-10 thz，波长覆盖0.03-3 mm的电磁波。由于许多分子在此频率范围内具有很强的振动、转动共振吸收，使得thz波段在光谱分析及成像领域中具有重要意义。因此实现高精度、长稳定性thz光梳光谱的产生与探测显得十分有必要，可为thz技术应用于各领域提供技术支持。thz波段双光梳光谱探测是近几年发展起来的一种高精度thz光谱探测方法，该方法不需要机械延迟线，通过thz脉冲自扫描就可实现thz时域信号探测，因此在频谱分辨率、单次采样时间等方面具有明显优势。但在thz双光梳的稳定过程中，光梳中的锁相、锁频系统对环境要求较高，且机械抖动噪声、热噪声等因素会增大系统的不稳定性，直接限制了双光梳系统的长期稳定性，极易发生thz频谱的漂移。

2、为了克服上述问题，提出了一种thz双光梳光谱仪长期稳定控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种太赫兹双光梳光谱仪稳定控制系统，解决了现有技术中thz双光梳系统难以实现长期稳定工作的问题。

2、为了达到上述目的，提供了一种太赫兹双光梳光谱仪稳定控制系统，包括以下步骤：

3、s1、将两台重复频率存在差值的第一飞秒光梳和第二飞秒光梳作为激光光源；

4、s2、将第一飞秒光梳输出的低能量飞秒光耦合进第一f-p腔，将第二飞秒光梳输出的低能量飞秒光耦合进第二f-p腔；

5、将连续激光器输出的光分别输入到第一电光调制器和第二电光调制器，分别得到第一调制光和第二调制光，并将第一调制光和第二调制光分别耦合进第一f-p腔和第二f-p腔；

6、s3、将第一f-p腔输出的w1光和第二f-p腔输出的w2光耦合到光电探测器pd-1，获取第一拍频信号；

7、s4、根据第一拍频信号提取包含第一飞秒光梳和第二飞秒光梳的频率抖动信息，根据频率抖动信息进行数据处理，并将数据处理结果作为数据采集卡采集第一飞秒光梳和第二飞秒光梳的thz数据的自适应采样时钟信号；

8、s5、分别获取第一f-p腔输出的w1光和第二f-p腔输出的w2光的光电转换信息，并根据光电转换信息分别对第一飞秒光梳和第二飞秒光梳进行负反馈调节控制。

9、进一步，所述步骤s5的负反馈调节控制具体包括以下步骤：

10、s501、将第一f-p腔输出的w1光输入到第一光电探测器，转换为第一电信号，并根据第一电信号反馈控制第一飞秒光梳；

11、s502、将第二f-p腔输出的w2光输入到第二光电探测器，转换为第二电信号，并根据第二电信号反馈控制第二飞秒光梳。

12、进一步，所述反馈控制具体包括以下步骤：

13、s503、判断第一光电探测器/第二光电探测器所测电压是否低于设定电压值，若低于，则增大第一f-p腔/第二f-p腔内pzt驱动电压，使飞秒光梳谐振腔变长，重复频率 fr变小；

14、s504、再判断第一光电探测器/第二光电探测器所测电压是否变大，若变大，则继续增大pzt驱动电压，使飞秒光梳谐振腔变长，重复频率 fr变小，直至第一光电探测器/第二光电探测器所测电压不低于设定电压值；若变小，则减小pzt驱动电压，使腔长变短，重复频率 fr变大，直至第一光电探测器/第二光电探测器所测电压不低于设定电压值。

15、进一步，所述步骤s2还包括以下步骤：

16、s201、将第一飞秒光梳输出的高能量飞秒光输入到第一光电导天线，将第二飞秒光梳输出的高能量飞秒光输入到第二光电导天线；

17、s202、将第一光电导天线产生的thz光梳传输到第二光电导天线，得到反映thz电场的电流信号，并将电流信号输入到数据采集卡。

18、进一步，所述步骤s2还包括以下步骤：

19、s203、将连续激光器输出的光分别输入到第三光电探测器和第四光电探测器；

20、s204、将第一飞秒光梳输出的低能量飞秒光输入到第三光电探测器，得到第二拍频信号；

21、s205、将第二飞秒光梳输出的低能量飞秒光输入到第四光电探测器，得到第三拍频信号；

22、s206、将第二拍频信号和第三拍频信号经第一混频器混频，得到第一混频电信号。

23、进一步，所述步骤中的数据处理包括以下步骤：

24、s401、将第一拍频信号和第一混频电信号经第二混频器混频，得到第二混频电信号，并将第二混频电信号作为新的自适应采样时钟信号，且输入到数据采集卡。

25、进一步，所述第一飞秒光梳和第二飞秒光梳为两台重复频率有固定差值、脉冲宽度在百fs量级的飞秒激光光源，其重复频率和载波包络相位分别为 fr1， fcep1和 fr2， fcep2， fr2= fr1+∆ fr，∆ fr为两台飞秒光梳重复频率差值。

26、进一步，所述第一f-p腔的腔长为 h1，所述第二f-p腔的腔长为 h2，第一f-p腔和第二f-p腔均包括两片高反射率且设置在压电陶瓷上的平行平板；第一调制光经零度入射角耦合进第一f-p腔，其腔长满足100m fr1+ fcep1= kc/2 nh1，第二调制光经零度入射角耦合进第二f-p腔，其腔长满足100m fr2+ fcep2= kc/2 nh2，其中 k为整数， c为光速， n为空气折射率，100m表示为上述第一飞秒光梳和第二飞秒光梳的第100m个梳齿。

27、进一步，所述w1光和w2光为两束窄线宽光源；

28、w1=m（100 fr1）+ fcep1， w2=m（100 fr2）+ fcep2

29、其中，100 fr1为第一电光调制器的调制频率，100 fr2为第二电光调制器的调制频率。

30、本发明的目的之二在于提供一种太赫兹双光梳光谱仪稳定控制系统，所述系统运用了上述方法构建，包括两台重复频率有差值的第一飞秒光梳和第二飞秒光梳，若干光电探测模块，连续激光器，两电光调制器，两f-p腔，第一光电导天线和第一光电导天线，反馈控制模块、自适应时钟提取模块和数据采集卡。

31、原理及优点：

32、1.通过连续光电调制及法布里-珀罗（f-p腔）腔共振透射增强，利用连续光拍频对两台飞秒光梳存在的重复频率抖动进行自适应补偿，并通过主动反馈补偿将飞秒光梳重复频率反馈控制追溯到同一连续光源，从而获得高精度和长期稳定度的thz光谱。与以往自适应控制方案相比，本方案的自适应时钟信号来自于同一连续光源，仅需一台连续光源便可实现两台飞秒光梳重复频率抖动提取，大大简化系统装置，集成度更高。

33、2.同时结合电光调制高稳定性和f-p腔低强度、相位噪声反馈控制，将两台飞秒光梳锁定在同一连续光的不同高阶模式上，系统相干性高，提升飞秒光梳反馈控制精度及长期稳定性；

34、3.飞秒光梳主动反馈控制确保系统工作在合适的工作带宽范围，提升系统长期稳定性。