一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳。


背景技术：

2.光学频率梳(以下简称“光梳”)，自问世以来，经过二十多年的发展，已在光学原子钟、超低噪声微波信号的产生、天文光谱校准、精密测距等应用领域中具有重要价值。
3.光梳，在时域上表现为一串时间间隔严格相等的稳定脉冲序列，而在频域则表现为频率间隔严格相等的梳状光频谱，是联系微波频率和光学频率的重要桥梁，也是产生精确频率信号的精密仪器。锁模激光器能够产生重复频率相等的激光脉冲，是实现光梳的良好光源，然而，自由运转的锁模激光器，其输出频率信号不够稳定，因而通常会对其两个频率分量——重复频率和载波包络频率偏移进行双重锁定，以提升频率稳定性。基于压电促动器(pzt)调节谐振腔腔长是重复频率锁定的一种良好方法，通过将锁模脉冲的重复频率信号与稳定频率微波源的稳定频率信号拍频获得误差信号，根据误差信号，利用锁相环反馈回路对激光谐振腔进行调节，从而实现重复频率锁定。对于载波包络频率偏移的锁定，如专利文献cn201410219345所述，目前通常先采用f-2f拍频法提取载波包络频率偏移f
ceo
信号，然后在对该频率信号进行锁定。这类方法首先需要利用高峰值功率的飞秒脉冲泵浦非线性介质产生一个倍频程以上的超连续谱，然后分别提取低频信号fn和高频信号f
2n
，通过倍频低频信号fn得倍频信号2fn，再将倍频信号与高频信号拍频获得f
ceo
信号，最后通过锁相环反馈电路对f
ceo
信号进行锁定。
4.基于f-2f拍频法的锁模光纤光梳对脉冲峰值功率有一定的要求，相较于mhz重复频率光梳，在相同的平均输出功率条件下，对于ghz重复频率的高重复频率锁模光纤激光光梳，脉冲重复频率的提升会导致脉冲峰值功率降低1～2个数量级以上，在脉冲泵浦非线性介质时会严重降低产生的超连续谱的质量，甚至无法产生跨越一个倍频程的超连续谱，为提取载波包络频率偏移信号造成困难，从而难以实现ghz重复频率光纤激光器频率稳定。以上问题导致目前还没有能够较好实现ghz以上重复频率的锁模光纤激光光梳方法。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳，基于重复频率锁定的高重复频率光纤激光器，结合突发脉冲串调制技术和光纤激光放大技术，在保持高重复频率脉冲特征的同时实现飞秒脉冲输出及峰值功率提升，并通过飞秒脉冲泵浦非线性光谱拓展器产生跨越一个倍频程的超连续谱，最后基于f-2f自参考法和锁相环技术，实现载波包络频率偏移的提取和锁定，实现重复频率大于1ghz的高重复频率光纤光梳，能为天文光谱测量、光通信、激光雷达等应用领域提供可靠的高重复频率光梳光源。
6.本发明的目的至少通过以下一种技术方案之一实现。
7.本发明提供的一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳，包括依次连接并连成环路的重复频率锁定的高重复频率光纤激光器、峰值功率增强器、光纤放大器、光耦合器、非线性光谱拓展器、载波包络频率偏移探测系统、第一光电探测器、锁相环反馈模块电路；
8.其中，重复频率锁定的高重复频率光纤激光器用于输出重复频率已锁定且大于1ghz的连续波锁模皮秒脉冲；峰值功率增强器将ghz重复频率的连续波锁模皮秒脉冲调制成mhz重复频率的突发脉冲串，以增强脉冲峰值功率；调制后的突发脉冲串经过光纤放大器放大以及孤子效应脉冲压缩后产生飞秒脉冲；飞秒脉冲被光耦合器分成两路信号，一路作为光梳信号输出，另一路在经过非线性光谱拓展器后产生超过一个倍频程的超连续谱；进一步利用载波包络频率偏移探测系统获取载波包络频率偏移信号f
ceo
并由第一光电探测器接收；探测到的f
ceo
信号通过锁相环反馈模块电路对重复频率锁定的高重复频率光纤激光器的泵浦功率进行调节以实现对f
ceo
信号的锁定，从而实现稳定频率信号输出的光梳。
9.进一步地，所述的重复频率锁定的高重复频率光纤激光器，被锁定在稳定的频率参考源上，能够实现重复频率大于1ghz且重复频率锁定的连续波锁模皮秒脉冲输出。
10.进一步地，所述的峰值功率增强器，根据被施加的调制信号的波形实现对高重复频率脉冲的调制；通过加载mhz重复频率的方波信号，将ghz重复频率的连续波锁模皮秒脉冲调制成mhz重复频率的突发脉冲串，以增强脉冲峰值功率。
11.进一步地，所述的光纤放大器，为一级或多级联的掺杂稀土离子光纤放大器，其适用的脉冲放大波长范围与重复频率锁定的高重复频率光纤激光器的输出脉冲波长相匹配；光纤放大器有两个功能：一是对调制后的mhz重复频率的突发脉冲串进行功率放大；二是结合孤子效应脉冲压缩技术，产生飞秒脉冲。
12.进一步地，所述载波包络频率偏移探测系统包括准直器、二色镜、光频转换介质、第一反射镜和第二反射镜组成的延时装置、分束器和窄带光滤波器，
13.准直器用于将超连续谱信号转化空间光信号，二色镜用于将超连续谱分成包含低频信号fn的红光和包含高频信号f
2n
的蓝光，光频转换介质用于将红光转换为包含2fn的倍频信号，延时装置用于对蓝光进行时延，分束器用于对包含2fn的倍频信号和包含高频信号f
2n
的蓝光进行合束并拍频得到包含载波包络频率偏移信号f
ceo
的光信号。
14.所述的载波包络频率偏移探测系统，用于提取载波包络频率偏移信号f
ceo
；跨越一个倍频程的超连续谱包含众多频率成分，根据光梳公式，光梳中的每一频率可表示为fn＝nf
rep
+f
ceo
，其中f
rep
是脉冲重复频率，n表示第n个频率；通过将跨越一个倍频程的超连续谱中包含的低频信号fn和高频信号f
2n
分别滤出；低频信号fn经倍频后变为获得2fn信号，将2fn信号与f
2n
信号进行拍频后获得f
ceo
信号(拍频过程可用公式表示：2f
n-f
2n
＝(2nf
rep
+2f
ceo
)-(2nf
rep
+f
ceo
)＝f
ceo
)。
15.进一步地，所述的第一光电探测器用于接收载波包络频率偏移探测系统提取的载波包络频率偏移f
ceo
信号，并将其由光信号转化为电信号。
16.进一步地，所述重复频率锁定的高重复频率光纤激光器包括超短光纤激光谐振腔、压电促动器、波分复用器、泵浦光源、隔离器、耦合器、第二光电探测器、带通滤波器、射频放大器、第一混频器、第一频率参考源、第一低通滤波器和第一比例微分积分器，
17.泵浦光源用于泵浦超短光纤激光谐振腔，超短光纤激光谐振腔用于产生重复频率
大于ghz的连续波锁模皮秒脉冲，波分复用器用于将超短光纤激光谐振腔产生的连续波锁模皮秒脉冲输出，隔离器用于防止返回光返回超短光纤激光谐振腔影响稳定的锁模状态，耦合器用于输出两路信号，其中一路信号用于激光器脉冲信号输出，另一路信号用于频率稳定，第二光电探测器用于将频率稳定的信号转为电信号，带通滤波器用于对电信号进行滤波得到脉冲基频重复频率信号，射频放大器用于对基频重复频率信号进行射频放大，第一混频器用于拍频基频重复频率信号和第一频率参考源，获得低频的误差信号，第一低通滤波器用于提纯误差信号，第一比例微分积分器用于根据提纯后的误差信号驱动压电促动器来调节超短光纤激光谐振腔的腔长，以调控脉冲重复频率。
18.进一步地，所述的锁相环反馈模块电路，用于锁定f
ceo
信号；通过将第一光电探测器接收的f
ceo
信号与稳定频率参考源进行拍频获得误差信号，将误差信号反馈至重复频率锁定的高重复频率光纤激光器，以进一步调节泵浦功率实现f
ceo
信号锁定。
19.进一步地，锁相环反馈模块电路包括带通滤波器、射频放大器、第二混频器、第二频率参考源、第二低通滤波器和第二比例微分积分器，
20.带通滤波器用于滤除载波包络频率偏移信号f
ceo
中的无用频率成分，射频放大器用于对信号进行射频放大，第二混频器用于对载波包络频率偏移信号f
ceo
与第二频率参考源产生的稳定频率信号进行拍频，得到低频的误差信号，第二低通滤波器用于滤除误差信号中无用的频率成分，第二比例微分积分器用于根据误差信号产生调控信号调节泵浦光源的泵浦功率以实现对载波包络频率偏移信号f
ceo
的锁定。
21.相比于现有的技术，本发明能够实现的有益效果至少如下：
22.本发明的核心部件为重复频率锁定的高重复频率光纤激光器。通过光调制技术将大于1ghz重复频率的连续波锁模皮秒脉冲调制成mhz重复频率的突发脉冲串序列，结合光纤激光放大技术，能够维持ghz重复频率脉冲信号特征的同时有效提升飞秒脉冲的峰值功率，产生高质量的跨越一个倍频程的超连续谱，为载波包络频率偏移信号的提取和锁定创造良好条件，从而实现大于1ghz的重复频率光梳。
23.本发明提供一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳，使用峰值功率增强器将ghz重复频率的连续波锁模皮秒脉冲调制成mhz重复频率的突发脉冲串，在光放大过程中，能够维持ghz重复频率脉冲信号特征的同时有效提升飞秒脉冲的峰值功率，产生高质量的超连续谱，为载波包络频率偏移信号的提取和锁定创造良好条件，达到实现ghz以上重复频率光梳的目的。
附图说明
24.图1为本发明实施例中一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳的结构示意图。
25.图2为本发明实施例中一种重复频率锁定的高重复频率光纤激光器结构示意图。
26.图3为本发明实施例中一种载波包络频率偏移探测系统示意图。
27.图4为本发明实施例中一种锁相环反馈控制模块电路示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更清楚直白，下面结合附图并举实施例，对本
发明的具体实施进行详细说明。
29.本发明提供的一种基于突发脉冲串调制的高重复频率光纤光梳，如图1所示，包括重复频率锁定的高重复频率光纤激光器1-1、峰值功率增强器1-2、光纤放大器1-3、光耦合器1-4、非线性光谱拓展器1-5、载波包络频率偏移探测系统1-6、第一光电探测器1-7、锁相环反馈模块电路1-8。
30.其中，重复频率锁定的高重复频率光纤激光器1-1用于输出重复频率已锁定且大于1ghz的连续波锁模皮秒脉冲；峰值功率增强器1-2用于将ghz重复频率的连续波锁模皮秒脉冲调制成mhz重复频率的突发脉冲串，以增强脉冲峰值功率；调制后的突发脉冲串经过光纤放大器1-3放大后产生飞秒脉冲；飞秒脉冲被光耦合器1-4分成两路信号，一路作为光梳信号输出，另一路在泵浦非线性光谱拓展器1-5后产生超过一个倍频程的超连续谱；进一步利用载波包络频率偏移探测系统1-6获取载波包络频率偏移信号f
ceo
并由第一光电探测器1-7接收；探测到的载波包络频率偏移信号f
ceo
信号通过锁相环反馈模块电路1-8对重复频率锁定的高重复频率光纤激光器1-1的泵浦功率进行调节以实现对f
ceo
信号的锁定，从而实现稳定频率信号输出的光梳。
31.在本发明的其中一些实施例中，所述的峰值功率增强器1-2，为幅度电光调制器，根据被施加的调制信号的波形实现对高重复频率脉冲的调制；通过加载mhz重复频率的方波信号，实现对ghz重复频率的连续波锁模皮秒脉冲调制成mhz重复频率的突发脉冲串，以增强脉冲峰值功率。
32.在本发明的其中一些实施例中，所述的光纤放大器1-3，为一级或多级联的掺杂稀土离子光纤放大器，其适用的脉冲放大波长范围与重复频率锁定的高重复频率光纤激光器1-1的输出脉冲波长相匹配。光纤放大器1-3有两个功能：一是对调制后的mhz重复频率的突发脉冲串进行功率放大；二是结合孤子效应脉冲压缩技术，产生飞秒脉冲。
33.在本发明的其中一些实施例中，所述的非线性光谱拓展器1-5，为一种高非线性光纤，通过飞秒脉冲泵浦以产生跨越一个倍频程的超连续谱。
34.在本发明的其中一些实施例中，所述的重复频率锁定的高重复频率光纤激光器1-1，其一种激光器结构如图2所示，包括超短光纤激光谐振腔2-1、压电促动器2-2、波分复用器2-3、泵浦光源2-4、隔离器2-5、耦合器2-6、第二光电探测器2-7、带通滤波器2-8、射频放大器2-9、第一混频器2-10、第一频率参考源2-11、第一低通滤波器2-12和第一比例微分积分器2-13。
35.其中，泵浦光源2-4通过波分复用器2-3泵浦超短光纤激光谐振腔2-1，结合被动锁模技术，产生重复频率大于1ghz的连续波锁模皮秒脉冲；由超短光纤激光谐振腔2-1产生的连续波锁模皮秒脉冲通过波分复用器2-3的信号端输出，经过隔离器2-5后由耦合器2-6分成两路，其中一路用于激光器信号输出，另一路用于频率稳定，隔离器2-5用于防止返回光返回超短光纤激光谐振腔2-1影响稳定的锁模状态；用于频率稳定的信号被第二光电探测器2-7转为电信号，经过带通滤波器2-8后留下脉冲基频重复频率信号，基频重复频率信号被射频放大器2-9放大后在第一混频器2-10中与稳定的第一频率参考源2-11拍频，获得低频的误差信号；误差信号通过第一低通滤波器2-12提纯后输入至第一比例微分积分器2-13；第一比例微分积分器2-13根据误差信号驱动压电促动器2-2以调节超短光纤激光谐振腔2-1腔长，从而调控脉冲重复频率，实现将大于1ghz的重复频率信号锁定在稳定的频率参
考源上。
36.在本发明的其中一些实施例中，所述载波包络频率偏移探测系统1-6，如图3所示，包括准直器3-1、二色镜3-2、光频转换介质3-3、第一反射镜3-4、第二反射镜3-5、分束器3-6、窄带光滤波器3-7。
37.其中，准直器3-1将光纤中传输的跨越一个倍频程的超连续谱信号转化空间光信号，而跨越一个倍频程的超连续谱包含众多频率成分，根据光梳公式，光梳中的每一频率可表示为fn＝nf
rep
+f
ceo
，其中f
rep
是脉冲重复频率，n表示第n个频率；二色镜3-2将超连续谱分成包含低频信号fn的“红光”和包含高频信号f
2n
的“蓝光”；“红光”经光频转换介质3-3后变为包含2fn的倍频信号进入分束器3-6；为了使得“蓝光”与“红光”中的脉冲在时间上尽量重叠以获得最好的拍频效果，“蓝光”经第一反射镜3-4和第二反射镜3-5组成的延时装置延时后进入分束器3-6；包含2fn的倍频信号与包含高频信号f
2n
的“蓝光”在分束器中3-6合束并拍频得到包含载波包络频率偏移信号f
ceo
的光信号，拍频过程用公式表示为：2f
n-f
2n
＝(2nf
rep
+2f
ceo
)-(2nf
rep
+f
ceo
)＝f
ceo
；最后通过窄带光滤波器3-7滤除无用的频率成分，获得载波包络频率偏移信号f
ceo
。
38.在本发明的其中一些实施例中，所述的锁相环反馈模块电路1-8，如图4所示，包括带通滤波器4-1、射频放大器4-2、第二混频器4-3、第二频率参考源4-4、第二低通滤波器4-5、第二比例微分积分器4-6。
39.其中，f
ceo
信号经过带通滤波器4-1滤除无用频率成分后，被射频放大器4-2信号放大，输入第二混频器4-3一端；第二混频器4-3另一端与频率参考源4-3相连，载波包络频率偏移信号f
ceo
与第二频率参考源4-4产生的稳定频率信号在第二混频器4-3中进行拍频，获得低频的误差信号；误差信号通过第二低通滤波器4-5滤除无用的频率成分后，输入至第二比例微分积分器4-6；第二比例微分积分器4-6根据误差信号产生调控信号调节泵浦光源2-4的泵浦功率以实现对f
ceo
信号的锁定。
40.上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。