一种基于光纤延迟线的双飞秒激光光学频率梳锁定装置的制作方法

本发明涉及基于脉冲飞行时间的飞秒激光测距、超快光谱学领域，具体涉及一种基于光纤延迟线的双飞秒激光光学频率梳锁定装置。该装置中的两激光器输出脉冲序列的重复频率差可锁定至任意频率值，可适用于通信波段的飞秒激光器的双飞秒激光光学频率梳锁定。

背景技术：

光学频率梳自上世纪九十年代被发明，已经被广泛应用于测量领域，如时间频率基准，距离测量，光谱学等。两台重复频率差恒定，载波包络偏移频率稳定的飞秒激光光学频率梳被称为双飞秒激光光学频率梳系统。双飞秒激光光学频率梳系统中，由于两脉冲序列重复频率差的存在，一脉冲序列在对另一脉冲序列采样，经过光电探测器探测，便可以把振荡频率为百太赫兹波段的光学振荡频率信号降采样为吉赫兹量级的电学信号。从该电学信号可以精确地反算出飞秒脉冲光学信号的时间域、频率域信息，实现基于双飞秒激光光学频率梳系统的精密测量。2009年，美国国家标准与技术研究院的i.coddington等人使用双飞秒激光光学频率梳系统实现了大尺度绝对距离精密测量，在测量目标距离为30km时，测量精度<5nm，测量不确定度为10-13。美国国家标准与技术研究院在使用双飞秒激光光学频率梳系统进行分子特征吸收谱的测量的技术也同样在世界领先，该研究组使用不同波段的双飞秒激光光学频率梳系统，结合光学异步降采样和时域傅里叶变换的方法，对hcn分子、水分子等的特征吸收谱进行了测量，与hitran数据库中的结果有很高的一致性。

性能优良的双飞秒激光光学频率梳锁定装置是实现双飞秒激光光学频率梳运转的关键。覆盖各个光学波段(800nm、1550nm及2000nm波段)、低噪声的双飞秒激光光学频率梳在距离测量、光谱学等测量领域中得到了广泛的应用。目前，常用的实现双飞秒激光光学频率梳的方法主要有两种。第一种是将两台飞秒激光器的重复频率锁定至两不同频率的射频基准，然后再将两台激光器的载波包络偏移频率锁定至同一个射频基准，从而实现两台有重复频率差的飞秒激光光学频率梳的运转。但是由于此方法是将光学频率参考至射频基准，无论怎样提升锁相系统的性能，光学频率也会有很大的残余的噪声，进而导致两台飞秒激光器相干程度的下降。第二种方法是将两台飞秒激光器的重复频率锁定至两不同频率的光学频率基准，即两个频率稍有不同的光学超稳腔上。随后再将两台激光器的载波包络偏移频率锁定至同一个射频基准，从而实现两台有重复频率差的飞秒激光光学频率梳的运转。但是超稳腔的受限于结构复杂、成本及其昂贵、造价高等缺点，不利于推广。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光纤延迟线的双飞秒激光光学频率梳锁定装置，该装置适用于具有一定重复频率差的两台通信波段飞秒激光器，利用公里量级的光纤延迟链路锁定两台激光器的重复频率，使之产生固定频率差，最后使用自参考干涉仪实现载波包络偏移频率的锁定，最终实现双脉冲飞秒激光装置的运转。该装置具有结构简单、低成本、重复频率差可调等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光纤延迟线的双飞秒激光光学频率梳锁定装置，包括第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统、第二飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第一波分复用器、2×2光纤分束器、法拉第旋光镜、光纤延迟链路、可调色散补偿系统、声光调制器、法拉第旋光镜、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一锁相控制器、第二锁相控制器、射频基准和电学倍频器；所述第一飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统和第二飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统均由飞秒激光器、光谱展宽器、光学倍频晶体、光电探测器、射频基准、数字鉴相器和锁相控制器组成；所述2×2光纤分束器包括a、b、c、d四个端口；

第一飞秒激光器和第二飞秒激光器输出的脉冲序列通过第一飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统和第二飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统分别实现载波包络偏移频率的锁定，射频基准经由电学倍频器倍频；第一飞秒激光器输出的脉冲序列依次经过第一光纤布拉格光栅、第一波分复用器后进入2×2光纤分束器的a端，2×2光纤分束器的c端输出的脉冲序列经过法拉第旋光镜后返回至b端，2×2光纤分束器的d端输出的脉冲序列依次经过光纤延迟链路、可调色散补偿系统、声光调制器和法拉第旋光镜后返回至b端，b端输出的脉冲序列经过第二波分复用器、第一光电探测器后，由第一混频器将第一光电探测器输出的信号和射频基准的倍频信号混频后，混频信号输入至第一锁相控制器，由第一锁相控制器控制第一飞秒激光器中的重复频率调节器，实现第一飞秒激光器的光学频率锁定；

第二飞秒激光器输出的脉冲序列依次经过第二光纤布拉格光栅、第一波分复用器后进入2×2光纤分束器的a端，2×2光纤分束器的c端输出的脉冲序列经过法拉第旋光镜后返回至b端，2×2光纤分束器的d端输出的脉冲序列依次经过光纤延迟链路、可调色散补偿系统、声光调制器和法拉第旋光镜后返回至b端，b端输出的脉冲序列经过第二波分复用器、第二光电探测器后，由第二混频器将第二光电探测器输出的信号和射频基准的倍频信号混频后，混频信号输入至第二锁相控制器，由第二锁相控制器控制第二飞秒激光器中的重复频率调节器，实现第二飞秒激光器的光学频率锁定。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本技术方案中的重复频率锁定部分依赖于公里量级的光学延迟链路，不包含昂贵的高精度光学频率基准源，例如光学超稳腔。光学超稳腔的有着结构复杂、成本及其昂贵、造价高等缺点，不利于推广。而本发明中光学延迟链路的使用使得整个系统较为简单、成本低廉。

2.本技术方案中通过改变色散补偿系统的色散补偿量，可以实现两台飞秒激光器重复频率差的连续调节。

3.该技术方案原理上适用于输出脉冲的波长为任意波段(800nm、1040nm、1550nm以及2000nm)的飞秒激光器。

4.本发明装置结构简单，两激光器输出脉冲序列的重复频率差可通过调节色散补偿系统的补偿量锁定至任意频率值，锁定后的两激光器可获得高相干度的时域干涉信号，利于广泛推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统的组成结构示意图。

附图标记：1-第一飞秒激光器；2-第二飞秒激光器；3-第一飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统；4-第二飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统；5-第一光纤布拉格光栅；6-第二光纤布拉格光栅；7-第一波分复用器；8-2×2光纤分束器；9-法拉第旋光镜；10-光纤延迟链路；11-可调色散补偿系统；12-声光调制器；13-法拉第旋光镜；14-第二波分复用器；15-第一光电探测器；16-第二光电探测器；17-第一混频器；18-第二混频器；19-第一锁相控制器；20-第二锁相控制器；21-射频基准；22-电学倍频器；23-飞秒激光器；24-光谱展宽器；25-光学倍频晶体；26-光电探测器；27-射频基准；28-数字鉴相器；29-锁相控制器。其中，实线代表光路，虚线代表电学线路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种基于光纤延迟线的双飞秒激光光学频率梳锁定装置，第一飞秒激光器1和第二飞秒激光器2输出的脉冲序列通过第一飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统3和第二飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统4分别实现载波包络偏移频率的锁定，射频基准21经由电学倍频器22倍频；第一飞秒激光器1输出的脉冲序列依次经过第一光纤布拉格光栅5、第一波分复用器7后进入2×2光纤分束器8的a端，2×2光纤分束器8的c端输出的脉冲序列经过法拉第旋光镜9后返回至b端，2×2光纤分束器8的d端输出的脉冲序列依次经过光纤延迟链路10、可调色散补偿系统11、声光调制器12和法拉第旋光镜13后返回至b端，b端输出的脉冲序列经过第二波分复用器14、第一光电探测器15后，由第一混频器17将第一光电探测器15输出的信号和射频基准21的倍频信号混频后，混频信号输入至第一锁相控制器19，由第一锁相控制器19控制第一飞秒激光器1中的重复频率调节器，实现第一飞秒激光器1的光学频率锁定；

第二飞秒激光器2输出的脉冲序列依次经过第二光纤布拉格光栅6、第一波分复用器7后进入2×2光纤分束器8的a端，2×2光纤分束器8的c端输出的脉冲序列经过法拉第旋光镜9后返回至b端，2×2光纤分束器8的d端输出的脉冲序列依次经过光纤延迟链路10、可调色散补偿系统11、声光调制器12和法拉第旋光镜13后返回至b端，b端输出的脉冲序列经过第二波分复用器14、第二光电探测器16后，由第二混频器18将第二光电探测器16输出的信号和射频基准21的倍频信号混频后，混频信号输入至第二锁相控制器20，由第二锁相控制器20控制第二飞秒激光器2中的重复频率调节器，实现第二飞秒激光器2的光学频率锁定。

具体的，使用两台输出脉冲重复频率稍有差别的通信波段的光纤第一飞秒激光器1和第二飞秒激光器2进行重复频率和载波包络偏移频率的锁定。第一飞秒激光器1和第二飞秒激光器2的重复频率差一般在千赫兹量级，输出光谱范围需覆盖1540～1560nm范围即可。使用中心波长为1540nm，滤波带宽为1nm的第一光纤布拉格光栅5作为光学滤波器，将第一飞秒激光器1输出的脉冲序列进行滤波。同样地，使用中心波长为1560nm，滤波带宽为1nm的第二光纤布拉格光栅6作为光学滤波器，将第二飞秒激光器2输出的脉冲序列进行滤波。将这两个滤波后的窄带光谱经过一个1540/1560第一波分复用器7进行合束。如果合束后两波长的功率之和低于20mw，则需要一通讯波段光纤放大器将两窄带光谱一同放大至20mw。将两脉冲序列入射进入一2×2光纤分束器8的a端。2×2光纤分束器8的c端输出脉冲序列后经法拉第旋光镜9原路返回至b端，d端输出的脉冲序列分别经过长度为140m的光纤延迟链路10、可调色散补偿系统11和声光调制器12(调制频率为50mhz)后，被光纤法拉第镜13原路返回，在分束器的另一端合束。合束后的脉冲序列经过1540/1560第二波分复用器14将1540nm和1560nm的脉冲序列分开，分别入射进入两个铟镓砷高速第一光电探测器15、第二光电探测器16中。在第一光电探测器15、第二光电探测器16上便可得到中心频率为100mhz的射频干涉信号。经过中心波长为100mhz、带宽为24mhz的带通滤波器和电学放大器放大至>0dbm。声光调制器的驱动信号为高稳定度的射频基准21，使用一电学倍频器22将该射频基准进行倍频。将第一光电探测器15输出的干涉信号与声光调制器驱动信号的倍频信号使用第一混频器17进行混频，可以得到第一飞秒激光器1重复频率相关的误差信号，将此误差信号经过第一锁相控制器19后，加载到第一飞秒激光器1的重复频率调节器上，实现将第一飞秒激光器1的重复频率锁定至光纤链路，即将第一飞秒激光器1的腔长锁定至光纤链路的整数倍分之一。同样地，将第二光电探测器16输出的干涉信号与声光调制器驱动信号的倍频信号进行混频，可以得到第二飞秒激光器2重复频率相关的误差信号，将此误差信号经过第二锁相控制器20后，加载到第二飞秒激光器2的重复频率调节器上，实现将第二飞秒激光器2的重复频率锁定至光纤链路。由于公里量级长度的光纤中存在色散，该光纤对于两光纤激光器的不同波长的光程不同，因此锁定后两台激光器存在重复频率差，在此，可以通过调节光纤链路中的色散补偿系统对重复频率差进行适当调节。

如图2所示，本实施例中第一飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统3和第二飞秒激光器载波包络偏移频率锁定系统4均由飞秒激光器23、光谱展宽器24、光学倍频晶体25、光电探测器26、射频基准27、数字鉴相器28和锁相控制器29组成。将第一飞秒激光器和第二飞秒激光器输出的脉冲序列分别经过高非线性光纤，高非线性光纤作为光谱展宽器，将光谱展宽，使得输出后光谱范围覆盖1100nm至2200nm。使用周期极化铌酸锂晶体作为光学倍频晶体将2200nm附近光谱倍频至1100nm，与倍频前的1100nm光谱一同入射进入光电探测器，便可得到载波包络偏移频率信号，将此信号反馈锁定至激光器的泵浦电流上，实现载波包络偏移频率的锁定。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。