一种三光梳信号生成装置及方法

本发明涉及光频梳，特别是涉及一种三光梳信号生成装置及方法。

背景技术：

1、光学频率梳(optical frequency comb，ofc)是一种相位稳定的脉冲激光，同时，因为其具有精细稳定的频率结构，也可以作为频率域上的标尺。光频梳由两个参数决定，载波包络偏移频率和重复频率确定，一旦两个参数确定，光频梳的梳齿唯一确定。光学频率梳自从20世纪末诞生以来，被广泛应用于光钟、光谱测量、频率测量以及绝对测距等领域。在光谱领域，光频梳提供了一种具有大带宽且频率精准的稳定光源，使得高频率分辨的光谱测量成为可能，现在已有大量以光频梳作为光源的新型光谱测量研究，如直接光频梳光谱宽带腔增强光谱、基于光频梳的傅里叶变换光谱和双光梳光谱等。

2、双光梳方法是通过两个重复频率略有不同的频梳来实现自动的异步光学采样，再通过时频映射关系获得光谱信息。与其他宽带光谱方法相比，双光梳方法不需要色散元件和阵列式探测器即可实现高分辨的宽带探测；与传统机械的迈克耳逊干仪相比，双光梳方法突破了机械扫描在扫描速度等方面的局限。双光梳光谱技术的这些优点使其在分子谱线的精密测量和气体监测等线性光谱探测应用领域中崭露头角。

3、如果能够在双光梳的基础上实现三光梳非线性光谱，使其不仅具有双光梳的优势，还因为其携带三个光频梳的信息而在非线性光谱能够获得更广泛的应用。此外，太赫兹波为频率范围为100ghz～10thz，对应波长范围3mm～30μm的电磁波，覆盖蛋白质，核酸物质，糖类，细胞骨架等许多生物大分子的特征谱。因此，在双光梳基础上实现太赫兹三光梳光谱检测面具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种三光梳信号生成装置及方法，能生成稳定的三光梳信号，且生成的信号保留了双光梳的优点。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种三光梳信号生成装置，包括用来生成光梳信号的第一光频梳、第二光频梳和第三光频梳，所述第三光频梳还用来探测所述第一光频梳和所述第二光频梳生成的光梳信号，并将探测获得的光梳信号与自身生成的光梳信号两两拍频获得三个双光梳信号，所述双光梳信号的频率在所述第三光频梳的探测带宽之内，所述第三光频梳自探测获得所述双光梳信号并将所述双光梳信号两两拍频获得三光梳信号。

3、进一步的，所述第一光频梳、所述第二光频梳和所述第三光频梳集成在同一个冷头上。

4、进一步的，所述第一光频梳和所述第二光频梳共享同一个外延片。

5、进一步的，所述第一光频梳、所述第二光频梳和所述第三光频梳均为以光频梳模式工作的太赫兹量子级联激光器。

6、进一步的，所述第一光频梳、所述第二光频梳和所述第三光频梳分别由不同的电源供电。

7、进一步的，所述装置还包括偏置器和频谱分析仪，所述偏置器的混合端口与所述第三光频梳电连接，所述偏置器的交流端口与所述频谱分析仪的输入端口电连接，所述偏置器的直流端口与电源电连接。

8、进一步的，所述装置还包括微波放大器，所述微波放大器置于所述偏置器和所述频谱分析仪之间，所述微波放大器的输入端口与所述偏置器的交流端口电连接，所述微波放大器的输出端口与所述频谱分析仪的输入端口电连接。

9、一种三光梳信号生成方法，应用于如上所述任一装置，包括以下步骤：

10、分别利用第一光频梳和第二光频梳生成光梳信号fn1和fn2；

11、将所述光梳信号fn1和fn2耦合到第三光频梳，与所述第三光频梳生成的光梳信号fn3两两拍频生成双光梳信号fn21、fn32和fn31；

12、将所述双光梳信号fn21、fn32和fn31两两拍频获得三光梳信号fn21±fn32、fn21±fn31和fn31±fn32。

13、进一步的，所述双光梳信号fn21、fn32和fn31分别通过以下公式计算：

14、fn21＝(fceo2-fceo1)+n(frep2-frep1)

15、fn32＝(fceo3-fceo2)+n(frep3-frep2)

16、fn31＝(fceo3-fceo1)+n(frep3-frep1)

17、其中，fceo1、fceo2、fceo3分别为第一光频梳、第二光频梳、第三光频梳的载波包络偏移频率，frep1、frep2、frep3分别为第一光频梳、第二光频梳、第三光频梳的重复频率，n为光频梳的第n根梳齿。

18、有益效果

19、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

20、(1)本发明通过将三个太赫兹光频梳集成在一个冷头上，使其温度和机械振动噪声保持一致，经过多外差拍频过程噪声相互抵消，可以产生更稳定的三光梳信号；

21、(2)本发明将拍频生成的双光梳再次进行拍频生成三光梳，在保留双光梳优点的基础上，同时具有三个光梳信息，实现实时多维光谱分析，增强其应用潜力。

技术特征：

1.一种三光梳信号生成装置，其特征在于，包括用来生成光梳信号的第一光频梳、第二光频梳和第三光频梳，所述第三光频梳还用来探测所述第一光频梳和所述第二光频梳生成的光梳信号，并将探测获得的光梳信号与自身生成的光梳信号两两拍频获得三个双光梳信号，所述双光梳信号的频率在所述第三光频梳的探测带宽之内，所述第三光频梳自探测获得所述双光梳信号并将所述双光梳信号两两拍频获得三光梳信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光频梳、所述第二光频梳和所述第三光频梳集成在同一个冷头上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光频梳和所述第二光频梳共享同一个外延片。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光频梳、所述第二光频梳和所述第三光频梳均为以光频梳模式工作的太赫兹量子级联激光器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光频梳、所述第二光频梳和所述第三光频梳分别由不同的电源供电。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括偏置器和频谱分析仪，所述偏置器的混合端口与所述第三光频梳电连接，所述偏置器的交流端口与所述频谱分析仪的输入端口电连接，所述偏置器的直流端口与电源电连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括微波放大器，所述微波放大器置于所述偏置器和所述频谱分析仪之间，所述微波放大器的输入端口与所述偏置器的交流端口电连接，所述微波放大器的输出端口与所述频谱分析仪的输入端口电连接。

8.一种三光梳信号生成方法，应用于如权利要求1-7所述任一装置，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双光梳信号fn21、fn32和fn31分别通过以下公式计算：

技术总结
本发明涉及一种三光梳信号生成装置及方法。所述装置包括用来生成光梳信号的第一光频梳、第二光频梳和第三光频梳，所述第三光频梳还用来探测所述第一光频梳和所述第二光频梳生成的光梳信号，并将探测获得的光梳信号与自身生成的光梳信号两两拍频获得三个双光梳信号，所述双光梳信号的频率在所述第三光频梳的探测带宽之内，所述第三光频梳探测获得所述双光梳信号并将所述双光梳信号两两拍频获得三光梳信号。本发明能够生成稳定的三光梳信号，且生成的信号保留了双光梳的优点。

技术研发人员：黎华,刘彬彬,李子平,周康,马旭红
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6