专利名称：高稳定高重复频率单块光学频率梳的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞秒激光技术领域，特别是涉及一种相位稳定的飞秒激光频率梳技术 及装置。
背景技术：
飞秒光学频率梳技术是目前超短脉冲激光科学最前沿的研究内容之一，自从上世 纪末的几年里人们提出并实现对飞秒激光载波包络相位漂移(Carrier-Envelope phase Offset，CEO)的锁相控制以来，参见:D. J. Jones et al，2000 Science 288 635 ；Apolonski et al,Phys. Rev. 2000Lett85 740。该技术的发展不仅导致了光频测量研究的革命性进展， 而且前所未有地实现了光学频率与微波频率的直接连接，并推动了阿秒激光物理和超快科 学的快速发展。2005年，美国国家计究院(NIST)的科学家J.Hall与德国马普量子光学研 究所(MPQ)的科学家T. W. HSnsch因该工作在频率测量领域的重要创新而荣获诺贝尔物理 学奖，参见魏志义，物理2006 Vol 35 213。自Τ. W. HSnsch和J. Hall的开拓性工作起， 法国、英国、日本、韩国等也都相继开展了飞秒激光CEO控制的研究，并建立了自己的飞秒 光学频率梳装置，特别是奥地利Femtolasers公司和德国MenloSystems等公司也进一步推 出了相应的飞秒光学频率梳商业产品。需要指出的是，飞秒激光CEO的控制及光学频率梳的实现，最初主要得益于光子 晶体光纤(Photon Crystal Fiber，PCF)的问世和采用。参见J. C. Knight et al，1996 Opt. Lett. 21，1547，目前国际上广泛采用的光学频率梳的核心正是以PCF为基础的，包括 奥地利Femtolasers公司和德国MenloSystems生产的光学频率梳产品。由于PCF可将飞秒 激光光谱展宽到一个倍频程以上，因此使得人们第一次有可能通过所谓的自参考技术而实 现对CEO频率的测量。但是PCF极小的芯径(1 2μπι)和固有的高损耗(>70%)，不仅入 射激光微细的偏移都会导致输出光谱的显著变化，而且也限制了所能得到的输出功率，特 别是PCF在高聚焦强度的激光入射下，表面极易损耗。由于这些因素，使得基于自参考技术 的飞秒激光CEO锁定通常只能稳定工作半小时左右，输出功率也只有几十mW，而且结构复 杂、体积庞大、维护成本高，从而大大限制了光学频率梳的实用性。2004年，德国马普量子光 学研究所(MPQ)的科学家提出了一种通过差频(Difference FrequencyGeneration, DFG) 超宽激光脉冲自身的不同光谱成分而测量并控制CEO的方法，参见Fuii Τ, et al. 2005 Opt. Lett. 30 332，该技术由于采用准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体(PPLN)中所产生 的差频、自相位调制等非线性效应而实现对CEO频率的测量，因此可以不要求光谱展宽到 一个倍频程，这样也就避免了必须采用PCF而带来的低功率和稳定性问题，原理上可以用 结构大大简化了的所谓单块装置得到短期和长期稳定性大大改进的CEO结果，在飞秒光学 频率梳及CEO控制的研究中具有更新换代的意义。目前该技术在德国MPQ已得到成功实施， 但存在不足是所稳定的飞秒激光重复频率不到100MHz，而且 输出可用功率只有几十毫瓦。 由于光梳所需要的理想重复频率一般要求大于200MHz，因此迄今还未能用于实际的光频测 量中，特别是由于该方案所需要的高重复频率亚IOfs宽带激光的技术难度，国际上一直未见到同类的研究报导。
发明内容
针对现有技术存在问题，本发明提供一种基于周期量级飞秒钛宝石振荡器，利用 差频技术测量CEO的结构紧凑、重复频率为350MHz、输出可用功率大于200mW的单块光学频 率梳技术及装置。为实现上述目的，本发明公开了一种高稳定高重复频率单块光学频率梳的制造方 法，其具 体步骤为(1)使用周期量级飞秒钛宝石振荡器输出高重复频率、宽谱、7fs以下脉宽飞秒脉 冲；(2)使用单块非线性晶体差频测量飞秒脉冲CEO ；(3)使用电路反馈技术将重复频率和CEO频率同时锁定到稳定的外部微波参考源 上。进一步，所述单块非线性晶体差频测量的步骤为，将宽谱周期量级飞秒激光脉 冲聚焦到一块非线性晶体中，飞秒脉冲的长波部分和短波部分在晶体中发生自差频效应， 产生新的为0的红外波谱区，与飞秒脉冲基波在该区重叠的红外波谱成分相互拍频，就 可得到稳定的高信噪比的f。e。信号。进一步，所述的制作方法中使用电路反馈技术将重复频率和CEO频率同时锁定到 稳定的外部微波参考源上方法为，基于锁相原理制成控制f;ep及f。e。的电路反馈系统，通过 安装在振荡器一个腔镜上的压电陶瓷PZT的伸缩改变腔长来控制frep，使用安装在泵光路 中的声光调制器AOM改变泵光功率来控制。一种高稳定高重复频率单块光学频率梳装置，包括周期量级钛宝石振荡器、单块 非线性晶体差频测量f。e。装置和基于锁相原理控制的反馈电路装置。进一步，所述装置中的周期量级飞秒钛宝石振荡器，为一种能够直接输出的飞秒 脉冲的装置，其输出的飞秒脉冲的光谱宽度接近一个光学倍频程，能覆盖eOOnm-lOOOnm的 范围，重复频率大于300MHz，经过腔外若干啁啾镜及一对尖劈进行色散补偿后，周期量级飞 秒脉冲的脉宽在7fs以下。进一步，所述装置中的单块非线性晶体差频测量具体装置包括两块凹面银 镜，一块非线性晶体，一块红外滤光片和一个红外APD ；两凹面银镜的焦距相同分别以小角 度放置，使激光均以小角度入射到两凹面银镜上，并且两凹面银镜的间距为第一凹面银镜 的两倍焦距，非线性晶体设置在第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦点处，红外滤光片设置 在非线性晶体至第二凹面银镜输出光路的反射输出光路上。红外APD放置在红外滤光片的 透射光路中。进一步，所述装置中的同时稳定及f。e。的电路反馈装置是基于锁相环原理的 控制装置，包括电路伺服控制器及压电陶瓷PZT、声光调制器Α0Μ，所述的压电陶瓷PZT安装 在振荡器的一个腔镜上，声光调制器AOM安装在泵光光路中。进一步，所述装置中的第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦距为25mm或30mm或 35mm0进一步，所述装置中的非线性晶体为电极化周期的准相位匹配掺氧化镁的铌酸锂PP-MgO-LN，其尺寸为3X2X 1mm，极化周期为17. 84 μ m或者11. 21 μ m ；所述红外滤光片为 IOOOnm或2000nm以上波长透过的长波通红外滤光片。进一步，所述装置中的所述fMp及的反馈电路装置包括一个稳定的外部微波 参考源，这个参考源可以为铯钟、氢钟或铷钟等微波原子钟。与现有的技术相比，由于本发明采用了周期量级飞秒钛宝石振荡器及差频测量 CEO频率这两个创新技术，因而导致具有如下的突出特点1.稳定度高，锁定时间长；因无需使用腔外光子晶体光纤，因而大大提高了频率 梳的稳定性，相比自参考频率梳通常半小时的锁定时间，本发明的单块光梳锁定时间提高 到9小时以上。
2.重复频率高；相比国际上同类技术的光梳，本发明将重复频率提高到300MHz以 上，这是目前国际同类光梳的最高重复频率，有利于频率测量的应用。3.输出功率高；本发明典型的输出功率可达200mW以上，相比因光子晶体光纤的 高损耗导致的只有几十毫瓦的自参考光梳系统，本发明单块光梳在输出功率方面具有明显 的优势。
图1为本发明的总体结构原理框图；图2为中本发明的光路结构示意图；图3为差频后所获得的中红外曲线4为差频测量CEO频率频谱图；图5为重复频率锁定后的艾伦方差曲线；图6为CEO频率锁定后的艾伦方差曲线。
具体实施例方式图1为本发明原理框图。如图1所示，采用532nm单频连续全固化倍频钒酸钇激光器作为泵浦源，泵浦光经 过AOM后进入周期量级钛宝石振荡器，然后振荡器输出的飞秒脉冲分出一小部分由PIN管 接收重复频率信号，大部分进入差频晶体测量CEO频率，经过差频测量系统后的光脉冲再 分成两部分，红外光由红外APD接收得到CEO频率信号，可见光部分作为光梳的可用光脉 冲输出。最后为了得到绝对稳定的光梳输出，将PIN接收到的重复频率及红外APD接收到 的CEO频率电信号分别送入锁相环I及锁相环II，外部参考源输出的IOMHz信号经频率综 合器后得到合适的参考信号也分别进入锁相环I及锁相环II，经过鉴相滤波后获得控制信 号，进而通过控制AOM达到控制CEO频率的目的，通过控制安装在一个端镜上的PZT达到控 制重复频率的目的。图2为光路结构示意图。如图2所示，本发明一种高稳定高重复频率的单块光学频率梳，包括周期量级飞 秒钛宝石振荡器，差频测量f·装置及稳定重复频率及CEO频率的电路反馈控制系 统。泵浦光经过AOM 01，再经爬高镜02将光路抬高，然后再经一个转折银镜03入射到周期 量级飞秒钛宝石振荡器中，其中AOM的电调制频率为80MHz，放置时使激光垂直入射晶体表面，微调AOM改变入射角度在一级衍射光最强的位置固定Α0Μ。周期量级飞秒钛宝石振荡 器由泵浦镜04、两个平凹啁啾镜05，06、一块钛宝石晶体07、两个平面啁啾镜08，09、一对尖 劈10，11及一个平面输出耦合镜12构成，其中泵浦镜04的焦距为50mm，口径为25. 4mm ；晶 体07为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为3*2. 8*1. 85mm ；平凹啁啾镜05，06为曲 率半径为50mm，口径为12. 7mm，厚度为6. 35mm的熔石英玻璃材料，镀膜参数为凹面镀有对 503-535nm波段增透及700-950nm波段高反的双色介质膜，且提供680-940nm波段二阶色 散(GVD)-50fs2，背面镀有503-535nm波段的增透膜；平面啁啾镜08、09的镀膜参数相同， 均对650-980nm波段高反，650-980nm波段提供二阶色散-40fs2，啁啾镜08为厚度6. 35mm, 口径25. 4mm的熔石英基片，但是啁啾镜09厚度2mm，口径为6mm，安装在一个柱状长约5cm 的PZT上，用于改变腔长控制重复频率；一对 尖劈10，11为30*20mm，顶尖角度为2° 48，， 最薄处为200 μ m的熔石英基片。输出耦合镜12为口径12. 7，厚度为Imm的熔石英基片，镀 有660-920nm波段内透过率为10%的介质膜。上述周期量级飞秒钛宝石振荡器从结构，元 件参数到安装方法和调节方法都与已申请专利(申请号为200810115910. 9)的“产生高重 复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器”相同，唯一不同点在于安装在PZT上的啁啾 镜09，为了配合PZT的承载负荷采用了尺寸和厚度都较小的镜片以减轻重量，同时将一个 尖劈安装在平移台上，可以帮助粗调锁定前CEO频率的位置，在啁啾镜08后放置一个PIN 接收少量透射光得到重复频率信号。从输出耦合镜12透射出的激光脉冲再经过一个转折银镜13，被反射到一对腔外 啁啾镜对14、15上并进行三次小角度反射，以得到足够的色散补偿量，啁啾镜对14、15镀有 580-1020nm波段高反膜，620-1000nm波段提供二阶色散-50fs2。接着激光被反射到一对腔 外尖劈16、17上，尖劈参数与腔内尖劈10、11相同，尖劈16、17以布儒斯特角插入激光光路 中，并且两个尖劈平行放置，顶尖相对，其中一个尖劈16固定，另外一个尖劈17装在一个一 维平移台上，平移台移动方向与光路垂直，通过移动平移台可以改变尖劈17的插入量，进 而调节色散量。透过尖劈后的激光经转折银镜18入射到第一个凹面银镜19上，凹面银镜 19焦距为25mm，保证从尖劈射出的激光以小角度入射到第一凹面银镜19，并且其凹面在尖 劈17输出光路上，第二凹面银镜20的焦距也为25mm，其凹面与第一凹面银镜19的凹面相 对放置，两个镜面之间的距离大约为50mm，一块长方体掺氧化镁的PPLN晶体21放置在第一 凹面银镜19和第二凹面银镜20之间的焦点处，晶体21的极化周期为17. 84 μ m，通光厚度 为2mm，通光面大小为3*lmm，从第一凹面银镜19以小角度反射出的激光聚焦在晶体21上， 为了细调晶体的位置，可以将晶体安装在一个一维平移台上，平移台移动方向与光路平行， 第二凹面银镜20的反射输出光路上设置一啁啾镜22，其镀有580-1020nm波段高反膜，垂直 反射光作为光学频率梳的可用输出光，在透射光路上放置一个镀有700nm-800nm高反膜的 平面镜23，反射光路上放置一 PIN24管，用于监测重复频率信号，透过平面镜23的透射光入 射到一对平行放置的银镜25，26上转折光路，红外滤光片27、聚焦透镜28及红外APD29依 次放在转折上，所述红外滤光片的参数为IlOOnm以上通过，以下截止，聚焦透镜28焦距为 30mm,材料采用红外光透过性好的氟化钙。最后将PIN24及APD29接收到的重复频率及CEO频率信号分别采用两套锁相环电 路系统锁定到同一台外部微波参考源上，本实施例使用的参考源是IOOs稳定度为10_12的 铷原子钟，锁定后的重复频率为350MHz，CEO频率为20MHz。
部分实验结果图如下说明图3为经过差频晶体后所获得的近红外光谱，通过APD探测这部分光谱的飞秒脉 冲拍频，就可得到CEO频率信号。图4为APD接收后由频谱仪记录到的CEO频率信号，信噪比高达45dB。图5为锁定后重复频率的艾伦方差曲线，锁定时间9小时。图6为锁定后CEO频率的艾伦方差 曲线，锁定时间9小时。
权利要求
一种高稳定高重复频率单块光学频率梳的制造方法包括(1)使用周期量级飞秒钛宝石振荡器输出高重复频率、宽谱和7fs以下脉宽飞秒脉冲；(2)使用单块非线性晶体差频测量飞秒脉冲CEO；(3)使用电路反馈技术将重复频率和CEO频率同时锁定到稳定的外部微波参考源上。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征为所述单块非线性晶体差频测量f·的步骤 为，将宽谱周期量级飞秒激光脉冲聚焦到一块非线性晶体中，飞秒脉冲的长波部分和短波 部分在晶体中发生自差频效应，产生新的fre。为0的红外波谱区，与飞秒脉冲基波在该区重 叠的红外波谱成分相互拍频，就可得到稳定的高信噪比的f。e。信号。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征为所述的使用电路反馈技术将重复频率和 CEO频率同时锁定到稳定的外部微波参考源上的方法为基于锁相原理制成控制及f。e。 的电路反馈系统，通过安装在振荡器一个腔镜上的压电陶瓷PZT的伸缩改变腔长来控制 frep，使用安装在泵光路中的声光调制器AOM改变泵光功率来控制f。ra.。
4.一种高稳定高重复频率单块光学频率梳装置，包括周期量级钛宝石振荡器、单块 非线性晶体差频测量f。e。装置和基于锁相原理控制的反馈电路装置。
5.根据权利要求4中所述的装置，其特征为所述周期量级飞秒钛宝石振荡器，为一种 能够直接输出的飞秒脉冲的装置，其输出的飞秒脉冲的光谱宽度接近一个光学倍频程，能 覆盖600nm IOOOnm的范围，重复频率大于300MHz，经过腔外若干啁啾镜及一对尖劈进行 色散补偿后，周期量级飞秒脉冲的脉宽在7fs以下。
6.根据权利要求4中所述的装置，其特征为所述单块非线性晶体差频测量f。TO具体 装置包括两块凹面银镜，一块非线性晶体，一块红外滤光片和一个红外APD ；两凹面银镜 的焦距相同分别以小角度放置，使激光均以小角度入射到两凹面银镜上，并且两凹面银镜 的间距为第一凹面银镜的两倍焦距，非线性晶体设置在第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦 点处，红外滤光片设置在非线性晶体至第二凹面银镜输出光路的反射输出光路上，红外APD 放置在红外滤光片的透射光路中。
7.根据权利要求4中所述的装置，其特征为所述同时稳定frep及f。ra的电路反馈装置 是基于锁相环原理的控制装置，包括电路伺服控制器、压电陶瓷PZT和声光调制器Α0Μ，所 述的压电陶瓷PZT安装在振荡器的一个腔镜上，声光调制器AOM安装在泵光光路中。
8.根据权利要求6中所述的装置，其特征为所述第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦 距为 25mm 或 30mm 或 35mm。
9.根据权利要求6中所述的装置，其特征为所述非线性晶体为电极化周期的准相 位匹配掺氧化镁的铌酸锂PP-MgO-LN，其尺寸为3X2Xlmm，极化周期为17. 84μπι或者 11. 21 μ m ；所述红外滤光片为IOOOnm或2000nm以上波长透过的长波通红外滤光片。
10.根据权利要求7中所述的装置，其特征为所述及f。TO的反馈电路装置包括一 个稳定的外部微波参考源，这个参考源可以为铯钟、氢钟或铷钟等微波原子钟。
全文摘要
本发明公开了一种高稳定高重复频率单块光学频率梳的制作方法及设备，所述方法的具体步骤为使用周期量级飞秒钛宝石振荡器输出高重复频率、宽谱、7fs以下脉宽飞秒脉冲；使用单块非线性晶体差频测量飞秒脉冲CEO；使用电路反馈技术将重复频率和CEO频率同时锁定到稳定的外部微波参考源上。所述设备主要由周期量级钛宝石振荡器、单块非线性晶体差频测量fceo装置和基于锁相原理控制的反馈电路装置组成。本发明具有设备结构紧凑；锁定时间长、输出可用功率高、相位噪声小等特点。主要应用在光频绝对测量、构成光钟、阿秒产生等科学研究中。
文档编号H01S3/16GK101846861SQ20091008070
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者张炜, 杜强, 滕浩, 赵研英, 韩海年, 魏志义 申请人:中国科学院物理研究所