一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法

本发明涉及一种测量装置及测量方法，尤其涉及一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法。

背景技术：

1、激光器载波包络偏移频率(carrier-envelope offset frequency,简称fceo)稳定性是衡量锁模激光器频率稳定性的重要参数。在时域上，fceo其代表了锁模激光器输出的光源相位相对于其脉冲包络相位的偏移量。在频域上，fceo代表了光频梳延伸至直流频率后的最低光频梳齿频率。目前测量fceo的方式主要为f-2f结构。在f-2f结构中，需要将被测光源的光谱通过非线性光纤将锁模激光器的输出光谱展宽至一个倍频程，然后将低频率的光梳2倍频并与高频光梳混频，即可得到fceo。在该技术中，为了将光源频谱展宽，需要千瓦级脉冲功率、良好的色散控制以及较大的非线性才可以实现相干倍频展开，实现该方案的技术难度大、造价昂贵且结构复杂。

2、由于实现一个倍频程的光源频谱展宽的难度较大，已有相关文献报道发明了2f-3f结构。在该结构中，仅需要将光谱展宽至2/3个倍频程。借助于直流激光器，将低频光梳的3倍频与高频光梳的2倍频相混频，亦可得到fceo。尽管该方案将光谱展宽范围从1个倍频程降低至2/3个倍频程，但依旧需要非线性频谱展宽至较宽范围，实现该方案的技术难度依旧很大。

3、而无需光源频谱展宽、直接测量锁模激光源fceo的结构尚未被报道。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提出一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法，在无需对被测光源进行频谱展宽的条件下，实现对锁模激光源fceo扰动的测量。

2、技术方案：本发明包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，所述数字信号处理子系统包括多个相位解调单元，每个相位解调单元的输入端均与数字信号处理子系统对应的输出端连接，相位解调单元的输出端经相位乘法单元后连接到减法器。

3、所述相位解调单元的输入端口分别与数字加权求和单元的对应端口连接，数字加权求和单元对所有输入信号进行加权求和，并将结果输出到相位计算模块。

4、所述相位计算模块对输入信号进行角度解调，得到输入信号的相位值，并输出。

5、所述光延时鉴频模块包括沿光路依次设置的锁模激光器，锁模激光器的输出光经过光滤波器、光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接。

6、所述第二光耦合器的输出端连接有多个光电数字转换子系统，每个光电数字转换子系统均包括波分复用器，每个波分复用器分别与第二光耦合器对应的输出端口连接。

7、所述波分复用器将输入的不同频率的光分开，光路分别经过光电转换器、低通滤波器和模拟加权求和单元后，输入模数转换器，所述模数转换器与对应的相位解调单元连接。

8、所述光电数字转换子系统至少有三个。

9、所述模拟加权求和单元的输入有n个，其输入c1、c2…cn分别与neta1，neta2…netan相连。

10、一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法，包括以下步骤：

11、步骤一、锁模激光器的输出经过光滤波器滤波后得到中心频率分别为f1和f2的两组光，经光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接，其中：

12、f1＝fceo+k·m2·frep

13、f2＝fceo+k·m1·frep

14、式中，k、m1、m2为系数，fceo是锁模激光源载波包络偏移频率，frep是锁模激光源重复频率；

15、步骤二、第二光耦合器的输出端连接光电数字转换子系统的波分复用器，波分复用器将频率为f1和f2的两组光分开，两路光路分别通过光电转换器、低通滤波器、模拟加权求和单元和模数转换器连接到数字信号处理子系统的第一相位解调单元和第二相位解调单元；

16、步骤三、第一相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

17、δf1＝δfceo+k·m2·δfrep

18、式中，δf1是f1的微分结果；

19、第二相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

20、δf2＝δfceo+k·m1·δfrep

21、第一相位乘法单元将输入信号乘以m1后连接到减法器；第二相位乘法单元将输入信号乘以m2后连接到减法器；减法器输出为：

22、m1×δf1-m2×δf2＝(m1-m2)δfceo

23、式中，frep干扰变量被消除，而δfceo被保留。输出结果仅正比于δfceo。

24、一种采用锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法的激光器，该激光器包括锁模激光器、锁模激光源载波包络偏移频率扰动装置和环路控制器，将测量得到的激光源载波包络偏移频率扰动结果经过环路控制器后控制锁模激光器的载波包络偏移频率。

25、有益效果：本发明在无需对被测光源进行频谱展宽的条件下，实现对锁模激光源fceo扰动的测量，无需对光源频谱展宽，技术难度低；利用数字信号处理技术，对光源fceo扰动进行提取，克服了传统f-2f结构中须要对光脉冲色散进行精密控制，结构简单，成本更低；结合反馈技术，可以用于稳定锁模激光源，实现更低的频率抖动。

技术特征：

1.一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，所述数字信号处理子系统包括多个相位解调单元，每个相位解调单元的输入端均与数字信号处理子系统对应的输出端连接，相位解调单元的输出端经相位乘法单元后连接到减法器。

2.根据权利要求1所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述相位解调单元的输入端口分别与数字加权求和单元的对应端口连接，数字加权求和单元对所有输入信号进行加权求和，并将结果输出到相位计算模块。

3.根据权利要求2所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述相位计算模块对输入信号进行角度解调，得到输入信号的相位值，并输出。

4.根据权利要求3所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述光延时鉴频模块包括沿光路依次设置的锁模激光器，锁模激光器的输出光经过光滤波器、光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接。

5.根据权利要求4所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述第二光耦合器的输出端连接有多个光电数字转换子系统，每个光电数字转换子系统均包括波分复用器，每个波分复用器分别与第二光耦合器对应的输出端口连接。

6.根据权利要求5所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述波分复用器将输入的不同频率的光分开，光路分别经过光电转换器、低通滤波器和模拟加权求和单元后，输入模数转换器，所述模数转换器与对应的相位解调单元连接。

7.根据权利要求1所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述光电数字转换子系统至少有三个。

8.根据权利要求6所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述模拟加权求和单元的输入有n个，其输入c1、c2…cn分别与neta1，neta2…netan相连。

9.一种采用权利要求6所述的锁模激光源载波包络偏移频率测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种采用锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法的激光器，其特征在于，该激光器包括锁模激光器、锁模激光源载波包络偏移频率扰动装置和环路控制器，将测量得到的激光源载波包络偏移频率扰动结果经过环路控制器后控制锁模激光器的载波包络偏移频率。

技术总结
本发明公开了一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法，包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，所述数字信号处理子系统包括多个相位解调单元，每个相位解调单元的输入端均与数字信号处理子系统对应的输出端连接，相位解调单元的输出端经相位乘法单元后连接到减法器。本发明在无需对被测光源进行频谱展宽的条件下，实现对锁模激光源f<subgt;CEO</subgt;扰动的测量，无需对光源频谱展宽，技术难度低；利用数字信号处理技术，对光源f<subgt;CEO</subgt;扰动进行提取，克服了传统f‑2f结构中须要对光脉冲色散进行精密控制，结构简单，成本更低；结合反馈技术，可以用于稳定锁模激光源，实现更低的频率抖动。

技术研发人员：王子晔,赵伟倩
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22