一种提高光频梳重复频率的双通法布里珀罗腔过滤系统

本发明主要涉及飞秒激光，具体涉及一种提高光频梳重复频率的双通法布里珀罗腔过滤系统。

背景技术：

1、光学频率梳是一种高精度、高稳定度、具有梳状光谱结构的频率标准，是目前最有效的绝对光学频率测量工具。它可以应用在精密测量、天文物理、光谱学、等领域。高重频的光频梳具有更高的可用功率和信噪比，前沿应用需要高重频光学频率梳。所以研究重复频率放大技术尤为重要，国内外不乏对高重频光学频率梳的研究。主要的研究技术包括激光腔内重复频率放大技术、全光纤模式滤波技术。这些技术在增大重频的同时也存在一些无法忽视的问题。缩小激光腔长是最直接的增大重复频率的研究手段，但由于激光腔内的光学器件，例如增益光纤、光隔离器、波分复用器、偏振控制器的固有长度的限制，缩短光纤激光腔的长度技术难度大，存在物理限制，重复频率很难超过1ghz。全光纤模式滤波技术对重复频率的倍增系数仍会受光纤腔最小长度限制，且边模抑制程度难以超过30db。所以，研究一种信噪比高、重复频率倍增系数大、结构简单且稳定的装置是现阶段的目标。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种提高光频梳重复频率的双通法布里珀罗腔过滤系统。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种提高光频梳重复频率的双通法布里珀罗腔过滤系统，包括双通法布里珀罗腔装置和腔长锁定装置；

3、所述双通法布里珀罗腔装置包括依次光路连接的准直透镜、偏振分束器、耦合透镜、第一平凹镜片、第二平凹镜片、法拉第旋转镜和凹面反射镜，所述第一平凹镜片和所述第二平凹镜片形成法布里珀罗腔，所述第二平凹镜片上设有压电陶瓷；

4、所述腔长锁定装置包括电光相位调制器、光环形器、信号发生器、光电探测器、混频器和伺服器，所述电光相位调制器设有接收待放大光频梳的接口，所述电光相位调制器和光环形器通过光纤连接，所述光环形器与所述双通法布里珀罗腔装置的连接由光纤到自由空间，所述信号发生器的输入与所述电光相位调制器电连接，所述信号发生器的输出与所述混频器电连接，所述光电探测器的输入与所述光环形器通过光纤连接，所述光电探测器的输出与所述混频器电连接，所述混频器的输出与所述伺服器电连接，所述伺服器与所述双通法布里珀罗腔装置电连接。

5、本发明的有益效果是：双通法布里珀罗腔装置和腔长锁定装置结合，实现长期稳定的大幅度提高光频梳重复频率的目的。

6、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

7、进一步，所述双通法布里珀罗腔装置还包括光纤输入输出端口，所述光环形器上设有光纤跳线头，所述光纤跳线头与所述光纤输入输出端口连接，所述双通法布里珀罗腔装置还包括电子反馈端口，所述电子反馈端口与压电陶瓷电连接；

8、所述电光相位调制器用于将所述待放大光频梳进行相位调制，并将调制后的待放大光频梳从所述光环形器的光纤跳线头输出，并通过所述光纤输入输出端口将调制后的待放大光频梳作为输入光垂直入射到准直透镜的中心，所述输入光的一部分光经过所述准直透镜和所述耦合透镜作为透射信号耦合到所述法布里珀罗腔中，所述输入光的另一部分光被所述法布里珀罗腔反射后作为反射信号依次经过所述耦合透镜、所述偏振分束器、所述准直透镜和所述光纤输入输出端口回到所述光环形器中，所述光环形器用于将所述反射光信号信号转化为电信号，输入所述光电探测器中，所述光电探测器用于将所述反射信号输入至所述混频器中。所述信号发生器用于产生本地振荡信号；所述混频器用于将所述本地振荡信号与所述反射信号进行混频，得到误差信号；所述伺服器将所述误差信号放大，并将放大后的误差信号转换为电信号，并通过所述电子反馈端反馈到所述压电陶瓷上；所述压电陶瓷用于根据所述电信号产生形变，并带动所述第二平凹镜片进行位移，以调整所述法布里珀罗腔的腔长，将所述法布里珀罗腔的透射频率锁定在一根光频梳上。

9、采用上述进一步方案的有益效果是：基于电光调制的pdh技术锁定腔长，避免了环境空气流动和振动引起的腔体长度的缓慢漂移，实现系统长期稳定。

10、进一步，所述双通法布里珀罗腔装置还包括最终输出端口；

11、所述法拉第旋转镜用于将所述透射信号进行首次偏振态调整，经调整后的透射信号通过凹面反射镜反射回来进行二次偏振态调整；经二次偏振态调整后的透射信号进入所述法布里珀罗腔中进行过滤，将过滤后的透射信号依次经过所述第一平凹镜片和所述耦合透镜至所述偏振分束器中，所述偏振分束器用于将过滤后的透射信号与相反方向输入的光信号进行偏振态正交，得到分束，将所述分束通过所述最终输出端口输出，得到高重频的光学频率梳信号。

12、采用上述进一步方案的有益效果是：

13、1、单腔双通的结构使光束两次经过同一法布里珀罗腔，等效于两个串联的单腔。在实现高边模抑制率的同时，结构更为简单紧凑，且有效提高过滤后光梳的信噪比。比如，精细度为200的单腔可通过双通两次透射，获得60db的高边模抑制率，而同样的边模抑制率对于单通而言，则需要精细度为10000。

14、2、重频倍增系数一定的情况下，腔镜反射率越大，边模抑制率越高。使用的腔镜的反射率r值达到99.999％以上，理论边模抑制率达到90db。相对于耦合比难以达到99％以上的光纤环形腔，边模抑制率提高了100万倍。

15、3、对比于光纤环形腔而言，基于自由空间的法布里珀罗腔的腔长不受光纤限制，可轻松实现20ghz(7mm)以上的自由光谱程(fsr)。对于光纤环形腔，为避免光纤的弯折损耗，腔长多为厘米量级。比如，10cm腔长自由光谱程限制在2ghz以内。

16、4、该设计在利用自由空间腔镜优势的同时，将双通法布里珀罗腔结构集成在一个模块，并设置了光纤输入端口和自由空间输出端口，体积小，可放于手掌之上。

17、进一步，所述法布里珀罗腔的腔长为7～10mm，经过所述法布里珀罗腔过滤后得到的光学频率梳信号的重复频率为20-25ghz。

18、进一步，所述信号发生器输出两路信号，其中一路信号为输出至电光相位调制器中的驱动信号，另一路信号为输出至混频器中用于混频的本地振荡信号，所述驱动信号和所述本地振荡信号为频率相同且存在特定相位差的正弦信号，所述频率为所述法布里珀罗腔透射峰线宽的5～10倍。

技术特征：

1.一种提高光频梳重复频率的双通法布里珀罗腔过滤系统，其特征在于，包括双通法布里珀罗腔装置和腔长锁定装置；

2.根据权利要求1所述的双通法布里珀罗腔过滤系统，其特征在于，所述双通法布里珀罗腔装置(16)还包括光纤输入输出端口(17)，所述光环形器(3)上设有光纤跳线头，所述光纤跳线头与所述光纤输入输出端口(17)连接；所述双通法布里珀罗腔装置(16)还包括电子反馈端口(19)，所述电子反馈端口(19)与压电陶瓷(9)通过电线连接；

3.根据权利要求2所述的双通法布里珀罗腔过滤系统，其特征在于，所述双通法布里珀罗腔装置(16)还包括最终输出端口(18)；

4.根据权利要求1至3任一项所述的双通法布里珀罗腔过滤系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔的腔长为7～10mm，经过所述法布里珀罗腔过滤后得到的光学频率梳信号的重复频率为20-25ghz。

5.根据权利要求1至3任一项所述的双通法布里珀罗腔过滤系统，其特征在于，所述信号发生器(12)输出两路信号，其中一路信号为输出至电光相位调制器(2)中的驱动信号，另一路信号为输出至混频器(13)中用于混频的本地振荡信号，所述驱动信号和所述本地振荡信号为频率相同且存在特定相位差的正弦信号，所述频率为所述法布里珀罗腔透射峰线宽的5～10倍。

技术总结
本发明提供一种大幅度提高光频梳重复频率的双通法布里珀罗腔过滤系统，包括双通法布里珀罗腔装置和腔长锁定装置；原理是使用两面平凹反射镜构成一个法布里珀罗腔(F‑P腔)，基于腔内多光束干涉原理，可对光频梳特定间隔的频率进行选择透过，实现光频梳高倍数重频放大。在F‑P腔后加入法拉第旋转镜和高反射率镜片，调整光束偏振态并使光束二次通过F‑P腔，实现双通腔结构。腔长锁定装置基于PDH技术，通过腔镜上的压电陶瓷实时控制腔长，实现系统长期稳定。该系统中双通腔结构比同等条件下单腔的边模抑制比高1000倍，可适用于不同光频梳源的过滤，并产生数十GHz的高重复频率光频梳，以满足各种应用需求。且双通法布里珀罗腔模块体积小，可放于手掌之上。

技术研发人员：吴舜,谢琦然
受保护的技术使用者：武汉工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15