一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生装置及方法与流程

1.本发明属于长波红外波技术领域，具体涉及一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生装置及方法。


背景技术：

2.长波红外波段通常指波长为8μm～14μm的电磁波段，该波段是一个重要的大气窗口，对夜间侦查、制品干燥以及医疗等领域都有着重要的应用价值。类似傅里叶变换红外光谱仪、法布里-珀罗干涉仪等长波红外波段光谱测量仪器的校准对于该波段的应用具有重要意义，然而长久以来，缺乏有效的校准源。
3.现在采用的校准方案多是基于标准物质来实现，校准精度差且校准波长点少，无法满足当前物质成分分析、标准光谱数据库建立等对高精度光谱测量的需求。例如，在对傅里叶变换光谱仪进行校准时，一般是采用聚苯乙烯作为标准物质，用傅里叶变换光谱仪测量该物质在11μm附近的特征吸收频率，然后基于标准值与测量值间的误差实现对光谱仪的校准。
4.现有技术方案存在以下缺点：
5.(1)校准精度差。标准物质的标准光谱数据是在特定环境下测得的，由于实际校准过程的环境条件与标准光谱测量环境间难免存在不一致，导致这种校准方案的精度受影响。
6.(2)校准波长点少。标准物质在长波红外的特征峰少，因此可用的校准波长点也很少。
7.本发明提出一种基于光梳锁定的长波红外光谱测量仪器校准方法及装置，将长波红外可调谐窄线宽光源锁定至长波红外光梳上，可在宽波段范围内实现光谱测量仪器的高精度校准，测量不确定度达到10-10
，很好地解决了现有校准方法校准波长点少、精度不足的问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生装置，包括飞秒振荡器、滤波器、隔离器、第一掺铒光纤、第一波分复用器、第一光电二极管、光纤分束器、第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二光电二极管、高非线性光纤、第一光纤准直器、第一半波片、第三波分复用器、第三光电二极管、第三掺铒光纤、第四波分复用器、第四光电二极管、第二光纤准直器、光延迟器、第二半波片、双色镜、第一会聚透镜、差频晶体、长波红外可调谐激光器、半透半反镜、合束镜、第二会聚透镜准直、低通滤波片、光栅、第二光电探测器和第二锁相环；
11.飞秒振荡器、滤波器、隔离器、第一掺铒光纤、第一波分复用器、第一光电二极管通
过线路依次连接；
12.第一掺铒光纤、第一波分复用器、第一光电二极管组成放大单元；
13.第一波分复用器、光纤分束器、第二掺铒光纤、第二波分复用器、高非线性光纤、第一光纤准直器、第一半波片通过线路依次连接；
14.第二波分复用器、第二光电二极管通过线路连接；
15.第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二光电二极管组成放大单元；
16.光纤分束器、第三波分复用器、第三掺铒光纤、第四波分复用器、第二光纤准直器、光延迟器、第二半波片通过线路依次连接；
17.第三波分复用器、第三光电二极管通过线路连接；第四波分复用器、第四光电二极管通过线路连接；
18.第一半波片、第二半波片分别通过线路连接至双色镜；
19.双色镜、第一会聚透镜、差频晶体、第二会聚透镜准直、低通滤波片、合束镜通过线路依次连接；
20.长波红外可调谐激光器、半透半反镜、合束镜、光栅、第二光电探测器和第二锁相环通过线路依次连接，组成一个闭合环路；
21.光延迟器，被配置为用于控制该路光的时间延迟量；
22.第二半波片，被配置为用于将经延迟控制后的光信号偏振态调节为垂直偏振；
23.第一半波片，被配置为用于将从第一光纤准直器输出的准直波束调节为水平偏振；
24.双色镜，被配置为用于将两种不同偏振态的波束进行合束；
25.飞秒振荡器，被配置为用于提供产生长波红外光梳信号所需的飞秒脉冲信号；
26.飞秒振荡器输出的飞秒光脉冲经滤波器、隔离器后经由第一掺铒光纤、第一波分复用器和第一光电二极管组成的放大单元放大后被光纤分束器分为两路；
27.其中第一路经由第二掺铒光纤、第二波分复用器和第二光电二极管组成的放大单元进行放大和时域压缩，压缩后的脉冲经由高非线性光纤产生超连续谱，并经第一光纤准直器准直和第一半波片调制后输出，从中提取长波频移孤子作为基频信号脉冲；
28.第二路经第三波分复用器、第三光电二极管、第三掺铒光纤、第四波分复用器、第四光电二极管组成的放大单元进行放大和时域压缩，压缩后的脉冲直接用作基频泵浦脉冲，该路泵浦脉冲信号经第二光纤准直器、光延迟器延时和第二半波片调制后输出；
29.第二路脉冲信号与第一路脉冲信号共同入射至双色镜中，接着由第一会聚透镜将上述的两路高峰值功率基频脉冲输入差频晶体，并对双色基频脉冲的时间同步、空间重合、光斑尺寸进行调整，长波红外可调谐激光器经半透半反镜后，反射部分的光入射到合束镜中，与经第二会聚透镜准直和低通滤波片滤波后的长波红外光梳信号进行合束后入射到光栅上，光栅提取长波红外光梳中与可调谐激光器输出相近的光谱成分后将两束光反射至第二光电探测器上进行拍频，拍频后产生的误差电信号进入第二锁相环控制长波红外可调谐激光器的波长稳定控制单元。
30.优选地，该装置还包括第一光电探测器、第一锁相环和pzt驱动；飞秒振荡器、第一光电探测器、第一锁相环和pzt驱动通过线路依次连接，组成一个闭合环路。
31.优选地，飞秒振荡器为全光纤激光器，其中心波长位于1.55μm波段，输出的线偏振
脉冲序列重复频率为100mhz，被配置为用于提供产生长波红外光梳信号所需的飞秒脉冲信号。
32.优选地，飞秒振荡器有5个光输出口，将5个光输出口中的mon输出口输出的光用第一光电探测器测试其重复频率，然后将第一光电探测器的输出电信号送至第一锁相环中得到误差锁定信号，通过将锁定信号输入飞秒振荡器的压电位移控制接口实现对飞秒振荡器重复频率的锁定。
33.优选地，光纤分束器采用30:70的光纤分束器；双色镜的两个工作波长分别为1.55μm和1.9μm。
34.优选地，差频晶体采用gase材料；第二会聚透镜采用锗材料；光栅为闪耀光栅，型号为lg-120-50，光谱范围7μm～16μm，尺寸为68mm
×
68mm，分辨率为0.6nm。
35.优选地，长波红外可调谐激光器为量子级联激光器，光谱调谐范围为9.2μm～10.4μm，线宽100mhz，通过第二锁相环产生的误差电信号控制其腔体中平面镜的角度实现对输出波长的调谐及锁定控制。
36.此外，本发明还提到一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生方法，该方法采用如上所述的一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生装置，具体包括如下步骤：
37.步骤1：基于近红外光差频机理产生出长波红外波段的光梳信号；
38.步骤2：根据所需校准波长点，选取与所需校准波长点相近的光梳梳齿，并将长波红外可调谐激光器锁定在选定的梳齿上，实现长波红外波段的稳定标准波长信号；
39.步骤3：当需要产生长波红外波段其他波长点上的标准光源时，通过调谐长波红外可调谐激光器的波长再次锁定至光梳实现；
40.步骤4：将标准光波长信号导入被校光谱测量仪器，根据测量值与标准值间的误差值实现对被校光谱测量仪器的校准。
41.优选地，步骤1中，具体包括如下步骤：
42.步骤1.1：飞秒振荡器输出的飞秒光脉冲经滤波器、隔离器后经由第一掺铒光纤、第一波分复用器和第一光电二极管组成的放大单元放大后被光纤分束器分为两路；
43.其中70％端经由第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二光电二极管组成的放大单元进行自相似放大以及光纤压缩，放大压缩后的脉冲平均功率及脉宽分别为338mw和38fs，压缩后的脉冲入射到保偏高非线性光纤中产生超连续谱，并经第一光纤准直器准直和第一半波片调制后输出，从中提取长波频移孤子作为基频信号脉冲；
44.30％端经由第三波分复用器、第三光电二极管、第三掺铒光纤、第四波分复用器、第四光电二极管组成的放大单元实现自相似放大以及脉宽压缩，放大压缩后的脉冲平均功率及脉宽分别为485mw和45fs，压缩后的脉冲直接用作基频泵浦脉冲，该路泵浦脉冲信号经第二光纤准直器、光延迟器延时和第二半波片调制后输出；
45.步骤1.2：两路脉冲信号共同入射至双色镜中，由双色镜将两种不同偏振态的波束进行合束，然后进入第一会聚透镜；
46.步骤1.3：第一会聚透镜将合束后的波束聚焦后输入至差频晶体；
47.步骤1.4：基于差频晶体的非线性差频过程实现长波红外光梳信号产生，然后经由第二会聚透镜准直后，由低通滤光片虑除基频光，获得长波红外光梳信号。
48.优选地，步骤2中，具体包括如下步骤：
49.步骤2.1：根据长波红外可调谐激光器的输出波长调节差频晶体的方位角，使差频晶体产生的长波红外光梳信号的中心波长与长波红外可调谐激光器的输出波长相接近；
50.步骤2.2：将长波红外可调谐激光器的输出光束用半透半反镜进行分光，分光后的反射光束与长波红外光梳信号合束后入射到光栅上；
51.步骤2.3：光栅将长波红外可调谐激光器的光束以及与其输出波长相接近的光梳梳齿一同反射至第二光电探测器中产生拍频信号，将拍频信号送入第二锁相环进行锁定并产生出误差电信号，用此电信号控制长波红外可调谐激光器的电控位移机构，以此控制长波红外可调谐激光器的激光腔体中平面镜的角度，即完成对长波红外光波长的锁定，产生标准光源。
52.本发明所带来的有益技术效果：
53.(1)长波红外标准光波长不确定度水平高。在长波红外波段的光波长测量不确定度优于10-10
，较现有水平改善了4个数量级以上；
54.(2)标准光波长可连续调谐，从而实现对长波红外光谱测量仪器在一系列波长点上的校准。
附图说明
55.图1为长波红外标准波长源实现方案图。
具体实施方式
56.下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
57.本发明提出一种基于光梳锁定的长波红外光谱测量仪器校准方法及装置。首先是基于近红外光差频机理产生出长波红外波段的光梳信号；接着根据所需校准波长点，将长波红外窄线宽可调谐激光器锁定在光梳信号中与其输出波长相近的光梳梳齿上，从而实现了长波红外波段的稳定标准波长信号；当需要产生长波红外波段其他波长点上的标准光源时，通过调谐长波红外窄线宽激光器的波长并再次锁定至光梳实现；然后将标准光波长信号导入被校光谱测量仪器，根据测量值与标准值间的误差值实现对被校光谱测量仪器的校准。
58.方案的实现过程如下，如图1所示，重复频率被锁定的飞秒振荡器经滤波器、隔离器后经由放大单元(由第一掺铒光纤、第一波分复用器和第一光电二极管组成)放大后被光纤分束器分为两路，其中第一路经第二掺铒光纤、第二波分复用器和第二光电二极管进行放大和时域压缩后泵浦高非线性光纤获取超连续谱，并经第一光纤准直器准直和第一半波片调制后输出，从中提取长波频移孤子作为基频信号脉冲；第二路经第三波分复用器、第三光电二极管和第三掺铒光纤放大和时域压缩后直接用作基频泵浦脉冲，该路泵浦脉冲信号经光延迟器延时和第二半波片调制后与第一路脉冲信号共同入射至双色镜中，接着由第一会聚透镜将上述的两路高峰值功率基频脉冲输入gase差频晶体，并对双色基频脉冲的时间同步、空间重合、光斑尺寸进行调整，基于第一类相位匹配条件并采用多维精密调整台对晶体位置、相位匹配角度等参数进行精密调控实现长波红外光梳信号产生与中心波长的调谐。长波红外可调谐激光器经半透半反镜后，反射部分的光入射到合束镜中，与经第二会聚透镜准直和低通滤波片滤波后的长波红外光梳信号进行合束后入射到光栅上，光栅提取长
波红外光梳中与可调谐激光器输出相近的光谱成分后将两束光反射至第二光电探测器上进行拍频，拍频后产生的误差电信号进入第二锁相环控制长波红外可调谐激光器的波长稳定控制单元(在本发明中为控制量子级联激光器腔体中平面镜的角度)，实现对激光器输出波长的锁定。并且，通过联合调节可调谐激光器的波长和光梳信号的中心波长，可实现对激光器一系列输出波长的锁定，即实现了标准光波长的产生和连续调谐。经锁定的输出波长锁定到光梳梳齿，相对波长精度可达到10-10
量级，高于现有水平四个数量级以上，从而形成了新型高精度长波红外光波长标准。
59.本发明中的飞秒振荡器为menlosystems公司的m-comb型全光纤激光器，具有工作稳定、体积小的优点，中心波长位于1.55μm波段，输出的线偏振脉冲序列重复频率为100mhz，脉冲宽度63fs左右，其作用在于提供产生长波红外光梳信号所需的飞秒脉冲信号。该飞秒振荡器有5个光输出口，将mon输出口输出的光用光电探测器1测试其重复频率，然后将光电探测器1的输出电信号送至锁相环1中得到误差锁定信号，通过将锁定信号输入飞秒振荡器的压电位移控制接口实现对飞秒振荡器重复频率的锁定。
60.重复频率被锁定后的飞秒振荡器输出的飞秒光脉冲经滤波器后实现脉冲光谱的滤波，只保留1543nm～1557nm光谱范围的频率成分，以满足后面自相似放大对光谱范围的要求。然后，为满足自相似放大对飞秒光功率的要求，在用隔离器实现对反射光的隔离后还需要对飞秒光脉冲进行光放大，光放大单元由第一掺铒光纤、第一波分复用器、第一光电二极管组成。
61.飞秒光脉冲经放大后经30:70的光纤分束器分为两路，其中70％端经由第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二光电二极管组成的放大单元进行自相似放大以及光纤压缩，放大压缩后的脉冲平均功率及脉宽分别为338mw和38fs，压缩后的脉冲泵浦保偏高非线性光纤产生超连续谱，并由第一光纤准直器实现准直输出；30％端经由第三波分复用器、第三光电二极管、第三掺铒光纤、第四波分复用器、第四光电二极管组成的放大单元实现自相似放大以及脉宽压缩，放大压缩后的脉冲平均功率及脉宽分别为485mw和45fs，并由第二光纤准直器实现准直输出。
62.由于差频过程要求双色基频脉冲满足精确的时间同步，需要在第二光纤准直器后引入光延迟器来控制该路光的时间延迟量，然后用第二半波片将经延迟控制后的光信号偏振态调节为垂直偏振；同时用第一半波片从将从光纤准直器1输出的准直波束调节为水平偏振，然后用双色镜将两种不同偏振态的波束进行合束，双色镜的两个工作波长分别为1.55μm和1.9μm。精细调整空间光路，保证经双色镜合束后的两束光严格空间重叠，再由焦距40mm的消色差透镜聚焦后入射至差频晶体，差频晶体为gase材料，该晶体沿(001)平面切割为圆形，直径为7mm、厚度为1mm，将晶体胶合在铝环内，铝环安装在多维位移调整机构上，以便对晶体相位匹配角和方位角进行调节。通过调节晶体位置实现相位匹配后，基于gase晶体的非线性差频过程实现高功率的长波红外光梳信号产生，然后经由锗材料的第二会聚透镜准直后，由低通滤光片虑除基频光，从而获得长波红外光梳信号输出。调节多维位移调整机构改变gase晶体的相位匹配角，可实现光梳光谱中心波长的调谐，经测量波长调谐范围为7.5μm～10.5μm，在该范围内的平均输出功率大于250μw，功率稳定性小于1％。
63.在获得长波红外光梳信号之后，就可以用其对长波红外波段的窄线宽激光器进行稳频锁定，以使其成为长波红外光波长标准，具体方案如下。首先根据窄线宽激光器的输出
波长调节差频晶体的方位角，使产生的长波红外光梳信号的中心波长与窄线宽激光器的输出波长相接近；然后将长波红外可调谐激光器的输出光束用半透半反镜进行分光，分光后的反射光束与长波红外光梳信号进行合束后入射到光栅上。这样，光栅会将长波红外可调谐激光器的光束与同其输出波长相接近的光梳梳齿一同反射至第二光电探测器中产生拍频信号，将拍频信号送入第二锁相环进行锁定并产生出误差电信号，用此电信号控制长波红外可调谐激光器的电控位移机构、以此控制激光腔体中平面镜的角度，即可完成对长波红外光波长的锁定，产生出精度优于10-10
的标准光源。该过程用到的光栅为闪耀光栅，型号为lg-120-50，光谱范围7μm～16μm，尺寸为68mm
×
68mm，分辨率为0.6nm；长波红外窄线宽激光器为量子级联激光器，光谱调谐范围为9.2μm～10.4μm，线宽100mhz，通过控制腔体中平面镜的角度实现对输出波长的调谐及锁定控制。
64.长波红外光梳可以在7.5μm～10.5μm的波段内输出一系列稳定的梳齿，用其锁定长波红外波段内的量子级联激光器或者其他类型的长波红外窄线宽激光器，就能够建立中红外波段的一系列光波长标准。通过该方案建立的长波红外光波长标准精度优于10-10
，较现有水平改善了4个数量级以上。
65.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。