基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统

1.本发明涉及可调谐激光技术领域，尤其涉及一种基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统。


背景技术：

2.窄线宽的可调谐激光器是谱线宽度窄且频率可以连续调谐的激光器。。在原子、分子与光学等实验中，窄线宽可调谐激光器有着非常重要的应用。然而，由于窄线宽的可调谐激光器的频率变化范围远超现有电子设备的探测范围，因此，用于实现窄线宽的可调谐激光器的扫频功能的系统或多或少有着装置复杂、频率连续性不足或频率调节范围较小等问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统，以期至少部分地解决提及的技术问题中的至少之一。
4.根据本发明的实施例，提供了一种基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统，包括：
5.可调谐激光器，适用于发出激光；
6.分光装置，适用于将激光分成透射光和反射光；
7.移频装置，适用于调节透射光的频率，得到实验光；
8.调节装置，适用于对来自光学频率梳的频梳光的功率和反射光的功率进行调节，并且使调节后的频梳光和调节后的反射光发生拍频，得到目标拍频电信号；
9.信号处理装置，适用于对目标拍频电信号进行功率放大，并得到第一参考信号，并根据第一参考信号得到目标拍频电信号的频率；
10.微波信号源，适用于发出频率可调的微波信号，其中，微波信号的初始频率与目标拍频电信号的频率的差在预设范围；
11.伺服装置，适用于根据微波信号的频率，反馈控制可调谐激光器，使目标拍频电信号的频率锁定在微波信号的频率上，进而控制实验光的频率；以及
12.信号控制装置，适用于对微波信号源、伺服装置和移频装置进行控制；
13.其中，利用微波信号源连续调节微波信号的频率，使得实验光的频率在伺服装置的反馈控制下连续变化直至伺服装置处于接近失锁状态，在伺服装置处于接近失锁状态的情况下，信号控制装置被配置为通过控制伺服装置对可调谐激光器进行调节，使激光的频率发生跳跃，进而使透射光的频率发生跳跃，并且，信号控制装置控制移频装置对发生跳跃的透射光进行频率调节，以使得发生跳跃的频率得到弥补，从而得到频率连续的实验光。
14.根据本发明的实施例，调节装置包括：
15.功率调节单元，适用于对频梳光的功率进行调节，得到第一功率调节频梳光；
16.可调衰减片，适用于对反射光的功率和进行调节，得到功率调节反射光；
17.合束单元，适用于将第一功率调节频梳光和功率调节反射光合束；
18.光电探测单元，适用于根据第一功率调节频梳光和功率调节反射光，得到包括目标拍频电信号的初始拍频电信号。
19.根据本发明的实施例，光电探测单元包括：
20.分光模块，适用于对第一功率调节频束光、进行分光，得到第二功率调节频梳光，第二功率调节频梳光和功率调节反射光发生拍频，得到拍频光。
21.根据本发明的实施例，光电探测单元还包括：
22.光纤准直器，适用于耦合拍频光；
23.光纤，适用于传输拍频光；
24.第一光电探测器，适用于对自光纤的拍频光进行探测，得到包括目标拍频电信号的初始拍频电信号。
25.根据本发明的实施例，光电探测单元还包括：
26.小孔光阑，适用于对拍频光进行滤光；
27.第二光电探测器，对滤光后的拍频光进行探测，得到包括目标拍频电信号的初始拍频电信号。
28.根据本发明的实施例，信号控制装置包括：
29.时序控制和电压输出单元，在伺服装置处于接近失锁状态的情况下，时序控制和电压输出单元适用于同步微波信号源的频率和目标拍频电信号的频率、对伺服装置进行控制以及输出对移频装置的控制指令；
30.压控振荡器，根据时序控制和电压输出单元输出的对移频装置的控制指令对移频装置进行控制。
31.根据本发明的实施例，时序控制和电压输出单元为ni板卡，模拟卡、信号发生器、或任意波发生器。
32.根据本发明的实施例，信号处理装置包括：
33.滤波器，适用于对包括目标拍频电信号的初始拍频电信号进行滤波，得到目标拍频电信号；
34.射频放大器，适用于对目标拍频电信号的功率进行放大；
35.功率分配器，适用于将功率放大的目标信号分成第一参考信号和第二参考信号；
36.频谱分析仪，适用于根据对第二参考信号的频率进行探测，进而得到目标拍频电信号的功率。
37.根据本发明的实施例，移频装置为声光调制器或者电光调制器。
38.根据本发明的实施例，分光装置为平面玻璃片或第二消偏振分束片。
39.根据本发明的实施例，可调谐激光器发出的激光经过分光装置得到的透射光与外部的频梳光经过调节装置的调节后，得到目标拍频信号，信号控制装置根据目标拍频信号中的频率信息，通过对微波信号源、伺服装置和移频装置进行控制得到频率连续变化的实验光。本发明基于频梳光和一些简单的光电子器件，实现了频率调节范围广且频率可以连续变化的超窄线宽可调谐激光器。
40.根据本发明的实施例，利用伺服装置根据微波信号的频率，反馈控制所述可调谐激光器，使目标拍频电信号的频率锁定在微波信号的频率上(即将可调谐激光器的频率锁
定在频梳光上)，由于频梳光有超窄线宽的性质，因此可调谐激光器产生的激光也有超窄线宽(即小于等于10khz量级)的性质。锁定后，频梳光和可调谐激光器产生的激光两者频率的稳定度处于同一量级，线宽甚至即可达到亚赫兹量级。
41.根据本发明的实施例，通过微波信号源连续调节微波信号的频率，使得实验光的频率在伺服装置的反馈控制下连续变化直至伺服装置处于接近失锁状态，在伺服装置处于接近失锁状态的情况下，信号控制装置通过控制伺服装置以对可调谐激光器进行调节，使激光的频率发生跳跃，进而使得透射光的频率发生跳跃，同时信号控制装置控制移频装置对发生跳跃的透射光进行频率调节，以使得发生跳跃的频率得到弥补，从而得到频率连续的实验光，进而完成整个扫频过程。由于在扫频过程中伺服装置一直处于工作状态，保证可调谐激光器发出的激光频率一直被主动锁定，进而保证可调谐激光器在调谐过程中一直具有超窄线宽的性质。
42.根据本发明实施例的基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统，可调谐激光器的频率可以连续且高速地被调谐，直至可调谐激光器自身跳模。若不考虑可调谐激光器自身限制，本发明提供的技术方案能提供频率调谐范围更广的可调谐激光器。
43.根据本发明实施例提供的基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统适用于所有可调谐激光器。
44.根据本发明的实施例的基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统，通过将可调谐激光器发出的激光经过分光装置得到透射光，并将透射光与外部的频梳光通过调节装置进行调节，得到目标拍频信号，然后信号控制装置根据目标拍频信号中的频率信息，通过对微波信号源、伺服装置和移频装置进行控制得到频率连续变化的实验光，实现了频率调节范围广且频率可以连续变化的超窄线宽可调谐激光器。
附图说明
45.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1示意性示出了基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统的光路图；
47.图2示意性示出了光电探测单元的光路图；以及
48.图3示意性示出了基于光学频率梳的可调谐激光器的频率在频率域的变化过程示意图。
49.附图标记：
50.1-可调谐激光器
51.2-分光装置
52.3-移频装置
53.4-调节装置
54.41-功率调节单元
55.42-可调衰减片
56.43-合束单元
57.44-光电探测单元
58.441-分光模块
59.442-光纤准直器
60.443-光纤
61.444-第一光电探测器
62.5-信号处理装置
63.51-滤波器
64.52-射频放大器
65.53-功率分配器
66.54-频谱分析仪
67.6-伺服装置
68.7-信号控制装置
69.71-时序控制和电压输出单元
70.72-压控震荡器
71.8-微波信号源
具体实施方式
72.以下将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
73.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
74.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
75.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
76.针对现有可调谐激光器技术中，当窄线宽可调谐激光器的频率变化范围远超现有电子设备的探测范围时，用于实现窄线宽可调谐激光器的扫频功能的系统或多或少有着装置复杂、窄线宽可调谐激光器发出的频率连续性不足或窄线宽可调谐激光器的频率调节范围较小等问题，本发明提供了一种可调谐超窄线宽激光器系统。本发明提供的可调谐超窄
线宽激光器系统通过将可调谐激光器发出的激光经过分光装置得到透射光，并将透射光与外部的频梳光通过调节装置进行调节，得到目标拍频信号，然后信号控制装置根据目标拍频信号中的频率信息，通过对微波信号源、伺服装置和移频装置进行控制得到频率连续变化的实验光，实现了频率调节范围广且频率可以连续变化的超窄线宽可调谐激光器。
77.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
78.图1示意性示出了基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统的光路图。
79.根据本发明的一些实施例，如图1所示，可调谐超窄线宽激光器系统的光路包括：可调谐激光器1、分光装置2、移频装置3、调节装置4、信号处理装置5、微波信号源8、伺服装置6、信号控制装置7。可调谐激光器1适用于发出激光，可调谐激光器1可以为任意可调谐激光器，例如外腔式半导体激光器。分光装置2适用于将激光分成透射光和反射光，其中，透射光的功率大于反射光的功率。移频装置3适用于调节透射光的频率，得到实验光。调节装置4适用于对来自光学频率梳的频梳光的功率和反射光的功率进行调节，并且使调节后的频梳光和调节后的反射光发生拍频，得到目标拍频电信号。信号处理装置5适用于对目标拍频电信号进行功率放大，并得到第一参考信号，并根据第一参考信号得到目标拍频电信号的频率。微波信号源8适用于发出频率可调的微波信号，其中，微波信号的初始频率与目标拍频电信号的频率的差在预设范围，即微波信号的初始频率与目标拍频电信号的频率大致相同。伺服装置6适用于根据微波信号的频率，反馈控制可调谐激光器，使目标拍频电信号的频率锁定在微波信号的频率上(即使得目标拍频电信号的频率等于微波信号的频率)，进而控制实验光的频率。信号控制装置7适用于对微波信号源、伺服装置和移频装置进行控制。
80.根据本发明的实施例，利用微波信号源连续调节微波信号的频率，使得实验光的频率在伺服装置的反馈控制下连续变化直至伺服装置处于接近失锁状态(伺服装置的锁定功能失效时，伺服装置处于失锁状态)，在伺服装置处于接近失锁状态的情况下，信号控制装置被配置为通过控制伺服装置对可调谐激光器进行调节，使激光的频率发生跳跃，进而使透射光的频率发生跳跃，并且，信号控制装置控制移频装置对发生跳跃的透射光进行频率调节，以使得发生跳跃的频率得到弥补，从而得到频率连续的实验光。
81.本发明实施例提供的基于光学频率梳的可调谐超窄线宽激光器系统通过将可调谐激光器发出的激光经过分光装置得到透射光，并将透射光与外部的频梳光通过调节装置进行调节，得到目标拍频信号，然后信号控制装置根据目标拍频信号中的频率信息，通过对微波信号源、伺服装置和移频装置进行控制得到频率连续变化的实验光，实现了频率调节范围广且频率可以连续变化的超窄线宽可调谐激光器。另外，由于频梳光具有较宽的频谱范围在调谐过程中无需改变频梳光参数，可以将不同频率变化范围的可调谐激光器同时锁定在同一个频梳光上，并使不同频率变化范围的可调谐激光器实现独立的扫频。
82.根据本发明的实施例，如图1所示，调节装置4包括：功率调节单元41、可调衰减片42、合束单元43和光电探测单元44。功率调节单元41适用于对频梳光的功率进行调节，得到第一功率调节频梳光。可调衰减片42适用于对反射光的功率和进行调节，得到功率调节反射光。合束单元43适用于将所述第一功率调节频梳光和所述功率调节反射光合束。光电探测单元44适用于根据第一功率调节频梳光和功率调节反射光，得到包括目标拍频电信号的初始拍频电信号。
83.根据本发明的实施例，功率调节单元41包含沿光路依次设置的半波片及偏振分束器，其中，半波片用于调节外部频梳光的偏振方向；偏振分束器，用于结合半波片，调节频梳光的功率。
84.根据本发明的实施例，合束单元43可以为任意使光束重合的装置，例如，合束单元43可以为消偏振分束器或光纤分束器。
85.图2示意性示出了光电探测单元的光路图。
86.根据本发明的实施例，光电探测单元包括：分光模块441、光纤准直器442、光纤443、第一光电探测器444。分光模块441适用于对第一功率调节频束光进行分光，得到第二功率调节频梳光，第二功率调节频梳光和功率调节反射光发生拍频，得到拍频光。光纤准直器442适用于耦合拍频光。光纤443适用于传输拍频光。第一光电探测器444适用于对自光纤的所述拍频光进行探测，得到包括所述目标拍频电信号的初始拍频电信号。或者，光电探测单元44还包括：小孔光阑(图中未示出)和第二光电探测器。小孔光阑对适用于对拍频光进行滤光。第二光电探测器对滤光后的拍频光进行探测，得到包括目标拍频电信号的初始拍频电信号。
87.由于光学频率梳的频梳光有多个频率，因此，基于光学频率梳的频梳光和可调谐激光器的激光得到的拍频光也具有多个频率，也即初始拍频电信号具有多个频率，可以根据需要在初始拍频电信号中选择目标拍频电信号，例如，该目标拍频电信号可以为频率最低的初始拍频电信号，也是可以是其他任意频率的拍频电信号。
88.当目标拍频电信号为频率最低的初始拍频电信号时，激光的频率处于频梳光的两个梳齿的频率中间，或者激光的频率与频梳光的频率重合时，伺服装置处于失锁状态。激光的频率接近频梳光的两个梳齿的频率中间，或者激光的频率与最接近的频梳光的梳齿之间的频率差小于预设阈值(例如该预设阈值可以为例如0.5mhz或者更小)伺服装置才会处于接近失锁状态。
89.根据本发明的实施例，如图1所示，信号控制装置7包括时序控制和电压输出单元71和压控振荡器72，或者信号控制装置7包括时序控制和电压输出单元71。
90.时序控制和电压输出单元71，在伺服装置6处于接近失锁状态的情况下，时序控制和电压输出单元71适用于同步微波信号源的频率和目标拍频电信号的频率、对伺服装置6进行控制以及输出对移频装置3的控制指令；在伺服装置6处于失锁接近失锁状态的情况下，微波源发出的微波信号的频率停止变化，时序控制和电压输出单元71输出脉冲信号引导激光跳过将会接近失锁的位置并控制3对跳跃的频率进行补充。压控振荡器72，根据时序控制和电压输出单元输出的对移频装置3的控制指令对移频装置3进行控制，当时序控制和电压输出单元71的输出功率足够时，可以不使用压控振荡器72。
91.图3示意性示出了基于光学频率梳的可调谐激光器的频率在频率域的变化过程示意图。图3中，a0-a5分别表示频梳光在频域的不同频率处的谱线，a0-a5处的频率由左到右依次增大。b、c、d表示当目标拍频电信号的频率处在不同情况时，可调谐激光器的频率在频率域的变化过程。
92.根据本发明的实施例，如图3所示，当可调谐激光器的频率锁定在频梳光的谱线位置a1时，微波信号源8对微波信号的频率进行一次调节，此时，目标拍频电信号中存在一个与可调谐激光器的频率较接近的频梳光的频率，伺服系统处于主动锁定状态。此时，信号控
制装置7输出的电压信号为零，伺服装置6根据信号控制装置7输入的零电压信号、微波信号源8输入的频率及功率分配器53输入的目标拍频电信号反馈控制可调谐激光器的电流和可调谐激光器上的压电陶瓷的电压，使得可调谐激光器的频率由频梳光的谱线位置a1移动到频梳光的谱线位置a2，实现一次可调谐激光器的频率在频率域的变化过程b，进而控制实验光的频率进行相应移动。在伺服装置未处于接近失锁状态时，微波信号源通过连续调节微波信号的频率，使得实验光的频率在伺服装置的反馈控制下连续变化。
93.根据本发明的实施例，如图3所示，当可调谐激光器的频率锁定在频梳光的谱线位置a2时，微波信号源8对微波信号的频率进行一次调节，此时，目标拍频电信号中存在多个与可调谐激光器的频率较接近的频梳光的频率，伺服系统处于接近失锁状态。此时，信号控制装置7输出单脉冲电压信号，同时同步微波信号源的时序，控制微波信号源停止变化，伺服装置6根据信号控制装置7输入的单脉冲电压信号、微波信号源8输入的频率及功率分配器53输入的目标拍频电信号反馈控制与可调谐激光器相关的电流及压电陶瓷的电压，使得可调谐激光器的频率由频梳光的谱线位置a2跳跃到频梳光的谱线位置a3，实现一次可调谐激光器的频率在频率域的变化过程c，同时，信号控制装置7通过控制压控振荡器而控制移频装置3对发生跳跃的透射光进行频率调节，以使得发生跳跃的透射光频率得到弥补，从而得到频率连续变化的实验光。其中，信号控制装置7在控制微波信号源8、伺服装置6和移频装置3得到频率连续的实验光的同时重置移频装置3，以为下一次频率跳跃的弥补做准备。
94.根据本发明的实施例，如图3所示，当可调谐激光器的频率锁定在频梳光的谱线位置a4时，微波信号源8对微波信号的频率进行一次调节，此时，目标拍频电信号中存在与可调谐激光器的频率相等的频梳光的频率，伺服系统处于接近失锁状态。此时，可调谐激光器的频率由频梳光的谱线位置a4跳跃到频梳光的谱线位置a5的控制过程与可调谐激光器的频率由频梳光的谱线位置a2跳跃到频梳光的谱线位置a3的控制过程一样，信号控制装置7输出的控制信号相同，且控制信号都不为零。其中，可调谐激光器的频率由频梳光的谱线位置a4跳跃到频梳光的谱线位置a5的过程为一次可调谐激光器的频率在频率域的变化过程d。
95.根据本发明的实施例，当伺服系统处于接近失锁状态时，信号控制装置7中的时序控制和电压输出单元71同步微波信号源的频率和目标拍频电信号的频率、对伺服装置6进行控制以及输出对移频装置3的控制指令，使得实验光的频率在伺服系统处于接近失锁状态下连续变化。
96.根据本发明的实施例，其中，时序控制和电压输出单元为ni板卡，模拟卡、信号发生器、或任意波发生器。
97.根据本发明的实施例，信号处理装置5包括：滤波器51、射频放大器52、功率分配器53和频谱分析仪54。
98.滤波器51适用于对包括目标信号的初始拍频信号进行滤波，得到目标拍频电信号。在目标拍频电信号为频率最低的初始拍频电信号时，该滤波器51为低通滤波器，在目标拍频电信号为频率其他频率的初始拍频电信号时，该滤波器可以为带通滤波器或者低通滤波器和高通滤波器的组合。射频放大器52，适用于对目标拍频电信号的功率进行放大。功率分配器53，适用于将功率放大的目标拍频电信号分成第一参考信号和第二参考信号。频谱分析仪54，适用于根据对第二参考信号的频率进行探测，进而得到目标拍频信号的功率。
99.根据本发明的实施例，移频装置3为声光调制器或者电光调制器。
100.根据本发明的实施例，分光装置2为平面玻璃片或第二消偏振分束片。
101.根据本发明的实施例，伺服装置6可以通过反馈控制与可调谐激光器相关的电流及压电陶瓷的电压来控制可调谐激光器的频率。
102.根据本发明的实施例，在可调谐超窄线宽激光器系统中，可以根据实际应用情况添加反射镜来改变激光光路的传播方向。
103.根据本发明实施例提供的可调谐超窄线宽激光器系统中的光路和电路装置简易且经济，例如不需要使用宽工作范围的移频装置和宽工作范围的微波信号源等。
104.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。