一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳

本发明属于光学频率梳，具体涉及一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳。

背景技术：

1、光学频率梳在时域上表现为周期性的超短脉冲序列，在频率上表现为呈梳状函数分布的等间隔的光学纵模谱线，其所有的光学模式都彼此相干并具有完全相同的有序相位变化，其作为一种新型稳定的频率计量工具，极大的促进了精密科学领域的发展，在光学频率测量、绝对距离测量、分子吸收光谱探测、天文光谱校准、光学原子钟、光通信和光学任意波形合成等方面都得到了广泛的应用。

2、通过使用两台重复频率略有差异的光学频率梳发生多纵模外差干涉可形成双光学频率梳系统。使用双光学频率梳探测技术可实现快速光学外差探测，具有高灵敏度、高分辨率和高精确度等优势。相比较于传统光学测量方法直接探测到的光频成分，使用双光学频率梳技术将其下转换到射频区域后使用光电探测器直接进行探测，再通过数据处理反演可计算出实际的光频信号，极大的降低了对探测器带宽的依赖程度。同时，使用双光学频率梳光谱测量技术可以避免系统的机械扫描，使得测量系统的结构更加的紧凑、实用和稳定，扩大了应用场景和使用范围。

3、为了进一步的提高双光学频率梳系统的稳定性和实用性，以一台锁模激光器输出两套重复频率略有差异的异步脉冲序列可以极大的降低双光学频率梳系统的复杂度，且由于两个锁模脉冲序列是同源的，因此具有频率稳定性高、相干性好、共模噪声低等杰出优势，极大的促进了双光学频率梳的实际应用。目前的单腔双光学频率梳大部分是基于固体激光器所做的偏振复用，如dual-comb femtosecond solid-state laser with inherentpolarization-multiplexing，但此种方式系统结构庞杂，易受外界环境扰动且成本较高。为了实现全光纤化的单腔双光学频率梳系统，有研究学者使用环形腔的结构，如picometer-resolution dual-comb spectroscopy with a free-running fiber laser，实现了重复频率为52mhz，重复频率差为1250hz的异步锁模脉冲输出，但受限于谐振腔结构的特点，未能进一步的提高重复频率。为了一些实际应用的需要，实现梳齿间隔清晰分辨，需要发展高重复频率的双光学频率梳。因此，研究并实现一种结构紧凑、性能稳定的全光纤化的高重复频率单腔双光学频率梳具有极大的现实意义。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，通过利用保偏光纤的强双折射效应实现光谱滤波，从单个谐振腔中获得了两组重复频率不同的锁模脉冲序列，实现了双波长的高重复频率的异步锁模脉冲输出，得到了性能稳定的全光纤的高重复频率单腔双光学频率梳。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，包括半导体可饱和吸收镜、介质膜、第一插芯、第二插芯、第三插芯、陶瓷套管、无源光纤、增益光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分复用器、隔离器、泵浦源；所述增益光纤与无源光纤熔接，增益光纤穿过第一偏振控制器设置在第二插芯上，无源光纤设置在第一插芯上；半导体可饱和吸收镜设置在第一插芯的端面上，介质膜设置在第二插芯的端面上并介于第二插芯和第三插芯之间，第二插芯和第三插芯通过陶瓷套管连接；所述第二偏振控制器设置在第三插芯和波分复用器的公共端之间，波分复用器的泵浦端和信号端分别与泵浦源和隔离器连接。

4、进一步地，所述无源光纤具有比增益光纤更小的模场直径。

5、进一步地，所述增益光纤为保偏光纤，其双折射系数大于10-4。

6、进一步地，所述第一插芯、第二插芯和第三插芯表面均需做垂直抛光处理。

7、进一步地，所述半导体可饱和吸收镜的调制深度为1％至30％。

8、进一步地，所述介质膜对信号光的反射率大于70％，对泵浦光的透射率大于70％。

9、进一步地，所述无源光纤和增益光纤的长度之和为1厘米至10厘米，以实现大于1ghz的高重复频率锁模输出。

10、进一步地，所述增益光纤为稀土离子掺杂光纤，掺杂的稀土离子包括铒、镱、铥和钬的一种或几种。

11、进一步地，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器均为挤压式偏振控制器，其中第一偏振控制器调节谐振腔内光的偏振态，第二偏振控制器调节谐振腔外光的偏振态。

12、进一步地，所述泵浦源为单模半导体激光器。

13、与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

14、本发明提供的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，通过利用保偏光纤的强双折射效应实现光谱滤波，从单个谐振腔中获得了两组重复频率不同的锁模脉冲序列，实现了双波长的高重复频率的异步锁模脉冲输出，得到了性能稳定的全光纤高重复频率单腔双光学频率梳，相比起传统的需要使用两个锁模激光器的双光学频率梳具有更紧凑的结构和更优越的性能，进一步降低了成本和系统复杂度。另一方面，由于波长复用的单腔双光学频率梳中两个有重复频率差的异步锁模脉冲序列是同源的，因此脉冲序列间的的相对频率稳定性高、相干性好、共模噪声低，在实际应用中具有巨大优势。

技术特征：

1.一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，包括半导体可饱和吸收镜(1)、介质膜(7)、第一插芯(2)、第二插芯(6)、第三插芯(9)、陶瓷套管(8)、无源光纤(3)、增益光纤(5)、第一偏振控制器(4)、第二偏振控制器(10)、波分复用器(11)、隔离器(12)、泵浦源(13)；所述增益光纤(5)与无源光纤(3)熔接，增益光纤(5)穿过第一偏振控制器(4)设置在第二插芯(6)上，无源光纤(3)设置在第一插芯(2)上；半导体可饱和吸收镜(1)设置在第一插芯(2)的端面上，介质膜(7)设置在第二插芯(6)的端面上并介于第二插芯(6)和第三插芯(9)之间，第二插芯(6)和第三插芯(9)通过陶瓷套管(8)连接；所述第二偏振控制器(10)设置在第三插芯(9)和波分复用器(11)的公共端之间，波分复用器(11)的泵浦端和信号端分别与泵浦源(13)和隔离器(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述无源光纤(3)具有比增益光纤(5)更小的模场直径。

3.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述增益光纤(5)为保偏光纤，其双折射系数大于10-4。

4.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述第一插芯(2)、第二插芯(6)和第三插芯(9)表面均需做垂直抛光处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜(1)的调制深度为1％至30％。

6.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述介质膜(7)对信号光的反射率大于70％，对泵浦光的透射率大于70％。

7.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述无源光纤(3)和增益光纤(5)的长度之和为1厘米至10厘米，以实现大于1ghz的高重复频率锁模输出。

8.根据权利要求1所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述增益光纤(5)为稀土离子掺杂光纤，掺杂的稀土离子包括铒、镱、铥和钬的一种或几种。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述第一偏振控制器(4)和第二偏振控制器(10)均为挤压式偏振控制器，其中第一偏振控制器(4)调节谐振腔内光的偏振态，第二偏振控制器(10)调节谐振腔外光的偏振态。

10.根据权利要求9所述的一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，其特征在于，所述泵浦源(13)为单模半导体激光器。

技术总结
本发明公开了一种基于双折射光谱滤波的高重复频率单腔双光学频率梳，包括半导体可饱和吸收镜、介质膜、第一插芯、第二插芯、第三插芯、陶瓷套管、无源光纤、增益光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分复用器、泵浦源、隔离器；增益光纤与无源光纤熔接，增益光纤穿过第一偏振控制器设置在第二插芯上，无源光纤设置在第一插芯上；半导体可饱和吸收镜设置在第一插芯的端面上，介质膜设置在第二插芯的端面上并介于第二插芯和第三插芯之间，第二插芯和第三插芯通过陶瓷套管连接；第二偏振控制器设置在第三插芯和波分复用器的公共端之间，波分复用器的泵浦端和信号端分别与泵浦源和隔离器连接。

技术研发人员：韦小明,凌琳,杨中民
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14