一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，天文学光学频率梳系统包括：光纤激光器模块，其输出高重复频率锁模脉冲激光；脉冲重复频率锁定模块，其与光纤激光器模块形成环路，脉冲重复频率锁定模块对脉冲激光进行锁定；频率与功率调节模块，其输入端与光纤激光器模块的输出连接，频率与功率调节模块提高种子光重复频率并放大功率；载波包络零频锁定模块，其与光纤激光器模块、频率与功率调节模块形成环路，载波包络零锁定模块用于对脉冲激光的载波包络零频进行锁定；和光谱展宽模块，其与频率与功率调节模块的输出端连接，光谱展宽模块对输出脉冲的光谱进行展宽，输出可用于标定天文学光谱仪的光学频率梳。
【专利说明】
一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统
技术领域
[0001]本发明属于超快光学技术领域，具体是涉及一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统。
【背景技术】
[0002]激光技术的发展已经经历了半个多世纪，从固体激光器到光纤激光器，每一次技术的发展都为科学的进步提供了动力。近年来，随着飞秒激光脉冲技术的出现，激光技术的发展进入了全新的篇章，尤其是飞秒光学频率梳的出现，突破了已有的测量尺度，对精密测量领域的贡献是极为巨大的。
[0003]所谓飞秒光学频率梳，是指通过锁定飞秒锁模脉冲激光的重复频率以及载波包络相位偏置频率，得到在时域上重复频率稳定的飞秒脉冲激光，与此同时，该激光脉冲在频域上就表征为一系列频率间隔稳定的频谱，类似于一把测量的尺子，可以直接用作对频率的精确测量，由此也被称之为光学频率梳。光学频率梳，作为一种有别于传统测量方法的新型测量技术，实现了光学频率与微波频率的直接连接，在精密光谱学研究、基本物理常数测量、光学频率计量、光学原子钟等前沿科学领域具有重要意义。
[0004]光学频率梳产生的基本原理是锁模激光脉冲技术，锁模通常分为主动锁模和被动锁模。在光纤激光器中，常见的被动锁模有偏振旋转锁模、可饱和吸收锁模，主动锁模一般是在腔内加入声光或电光调制器，通过振幅或相位调制实现锁模脉冲激光的输出。与主动锁模技术相比，被动锁模方式受到器件空间距离与腔内光纤长度的影响，重复频率的提升从而受到了一定的限制。而本发明中所涉及的谐波锁模技术，在一定程度上突破了这样一种限制。
[0005]近年来，随着光学频率梳技术的进一步发展，其在天文学领域的巨大应用价值也逐渐被人们所发现，天文学家将光学频率梳输入高分辨率的天文光谱仪中作光学定标，通过这种高密度、高稳定的波长定标，可以将天文光谱仪的测量精度大大提高，这对天文学测量来说意义巨大，然而，高分辨率的天文学光谱仪对所需要的光学频率梳的重复频率有很高的要求，常规的光学频率梳不能达到这样的要求，因此为了匹配高分辨率天文光谱仪必须对其重复频率进行提高。
[0006]目前，能应用于天文光谱仪的光学频率梳，多是基于固体激光器的传统方法实现光学频率梳。通过法布里一珀罗腔滤波技术，调节法布里一珀罗腔的腔长，对种子光的光学频率进行滤除，提高纵模间距，得到更高重复频率的光学频率梳，从而满足天文学光学频率梳的要求。然而，传统方法下基于固体飞秒激光器的光学频率梳系统，由众多机械和光学元件组成，且光束在自由空间传输，系统繁杂庞大，运行操作复杂，系统维护不易，且易受环境影响。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术的不足之处，突破实现天文学光学频率梳的传统方法，提供了一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统。该技术不再完全依赖于法布里一珀罗腔滤波技术，而是利用光纤激光器的谐波锁模，直接提高种子光的重复频率，同时通过锁相环技术与载波包络零频锁定系统，对谐波锁模光纤激光器的重复频率和载波包络零频进行精确锁定，最后通过光纤放大器放大以及光谱展宽器展宽，提高光学频率梳的功率和光谱覆盖范围，使其能够直接应用于对部分天文学光谱仪的标定。
[0008]本发明提出了一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，所述天文学光学频率梳系统包括:光纤激光器模块，其输出高重复频率锁模脉冲激光;脉冲重复频率锁定模块，其与所述光纤激光器模块形成环路，所述脉冲重复频率锁定模块对所述脉冲激光进行锁定;频率与功率调节模块，其输入端与所述光纤激光器模块的输出连接，所述频率与功率调节模块提高种子光重复频率并放大功率;载波包络零频锁定模块，其与所述光纤激光器模块、所述频率与功率调节模块形成环路，所述载波包络零锁定模块用于对所述脉冲激光的载波包络零频进行锁定;和光谱展宽模块，其与所述频率与功率调节模块的输出端连接，所述光谱展宽模块对输出脉冲的光谱进行展宽，输出可用于标定天文学光谱仪的光学频率梳。
[0009]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述光纤激光器模块为设有增益光纤、压电陶瓷和色散调节器的半空间半光纤结构光纤激光器。
[0010]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述光纤激光器模块为设有增益光纤、压电陶瓷和色散调节器的全光纤结构光纤激光器。
[0011]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述色散调节器是光栅、棱镜或光纤，所述色散调节器用于调节腔内色散，使所述脉冲激光达到能够形成谐波锁模的负色散状态。
[0012]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述增益光纤包括掺铒光纤、掺镱光纤。
[0013]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述频率与功率调节模块为光纤放大器，或由光纤放大器与至少一级F—P腔级联组成。
[0014]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述光纤放大器是啁啾脉冲光纤放大器或自相似光纤放大器。
[0015]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述光谱展宽模块是由透镜，与光子晶体光纤或非线性晶体或非线性波导之一级联组成。
[0016]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述脉冲重复频率锁定模块由参考信号源、探测器、混频器、滤波放大电路组成，用以控制压电陶瓷从而进一步控制腔长，使获得的脉冲重复频率精确锁定。
[0017]本发明提出的所述基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统中，所述载波包络零频锁定模块是f_2f频率锁定系统或2f_3f频率锁定系统。
[0018]本发明的有益效果在于:
[0019]本发明基于谐波锁模直接产生高重复频率的锁模脉冲激光，通过对功率的放大、光谱的展宽和对频率的精确锁定，直接输出可以用于标定部分高精度天文学光谱仪的光学频率梳。
[0020]基于本发明系统，加入F-P腔滤波，进一步提高光学频率梳的重复频率，也可用于标定其它对重复频率要求更高的天文学光谱仪。
[0021 ]本发明结合高功率栗浦，通过控制腔内色散调节器，使谐振腔达到能够实现稳定谐波锁模的负色散状态，从而输出高重复频率的谐波锁模脉冲。
[0022]本发明采用基于谐波锁模的光纤激器作为产生高重复频率的振荡级，系统结构简单，占用空间小，投入成本少，且方便维护系统。
[0023]本发明采用基于谐波锁模的光纤激光器作为产生高重复频率的振荡级，突破了传统采用多级F-P腔提高脉冲激光重复频率的方法，使天文学光学频率梳系统更加集成化、便携化，且系统稳定性相较于基于固定激光器的天文学光学频率梳系统更好。
[0024]本发明采用基于啁啾脉冲放大技术的光纤放大器或基于自相似放大技术的光纤放大器，可以在放大过程中调整激光的脉冲宽度，同时配合光谱展宽器对光谱进行展宽，从而获得质量更好的天文学光学频率梳。
[0025]本发明基于光纤结构，系统结构紧凑，光学频率梳重复频率高，谐波锁模可以精确控制，谐波次数可调。
【附图说明】
[0026]图1为本发明基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统的结构示意图。
[0027]图2为实施例1中采用半空间半光纤结构的天文学光学频率梳系统的结构图。
[0028]图3为实施例2中采用全光纤结构的天文学光学频率梳系统的结构图。
[0029]图4为实施例3中采用全光纤结构的天文学光学频率梳系统的结构图。
【具体实施方式】
[0030]结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0031]参阅图1，图1显示的是本发明天文学光学频率梳系统的结构示意图。本发明由光纤激光器模块100、频率与功率调节模块200、脉冲重复频率锁定模块300、载波包络零频锁定模块400和光谱展宽模块500组成。光纤激光器模块100的输出端输出高重复频率锁模脉冲激光，光纤激光器模块100的输出与脉冲重复频率锁定模块300的输入连接，产生的反馈信号从输出到光纤激光器模块100的输入，从而形成环路。光纤激光器模块100的输出又与频率与功率调节模块200的输入连接，频率与功率调节模块200输出的一部分作为反馈连接到载波包络零频锁定模块400的输入，载波包络零频锁定模块400产生控制信号连接到光纤激光器模块100中形成环路。频率与功率调节模块200的另一部分输出连接光谱展宽模块500，光谱展宽模块500对输出脉冲的光谱进行展宽，由此通过谐波锁模，提供重复频率可以直接标定部分高精度天文光谱仪的激光脉冲。
[0032]在实现本发明的较佳实施例中，脉冲重复频率锁定模块300包括激光脉冲探测器301、混频器302、滤波放大电路303和信号发生器304。激光脉冲探测器301的输入端接收来自光纤激光器模块100输出的高重复频率锁模激光脉冲，经激光脉冲探测器301探测后的信号与信号发生器304产生的标准信号一起进入混频器302形成低频误差信号，低频误差信号经由滤波放大电路303产生反馈控制信号，将产生的反馈控制信号向光纤激光器模块100反馈，从而可以精确控制光纤激光器的腔长，使输出的激光脉冲重复频率得以精确锁定。
[0033]在实现本发明的较佳实施例中，载波包络零频锁定模块400的输入端接收由频率与功率调节模块200提高重复频率和放大后的脉冲激光，产生反馈信号控制光纤激光器模块100的栗浦电流，进一步将脉冲的载波包络零频精确锁定，再经过光谱展宽模块500展宽光谱，最终输出较高功率的可以用于标定天文学光谱仪的光学频率梳。
[0034]实施例1
[0035]参阅图1、2，图1和图2显示的是本实施例中天文学光学频率梳系统的结构图。本实施例中，光纤激光器模块100为半空间半光纤结构，产生的激光脉冲波长为1030nm。栗浦源108向环形腔中注入980nm栗浦，腔内高浓度掺镱光纤107产生的激光依次通过光纤准直器101、二分之一波片102、四分之一波片103、分光器104，透过分光器104的一种偏振态的激光直接输出，另一种偏振态的激光经分光器104反射后继续依次通过四分之一波片103、色散调节器109，并经过带有高反镜的压电陶瓷105反射，再次返回四分之一波片103，此时激光脉冲的偏振态发生变化，再通过分光器104后传播方向发生改变，继而通过偏振相关的光学隔离器106、四分之一波片103，最终再次通过光纤准直器101耦合到光纤中，完成一次完整的环形路程，这样的谐振腔构成了产生谐波锁模脉冲激光的条件。为了获得高重复频率的锁模脉冲激光，采用高浓度掺镱光纤和集成化设计的光学元件，进一步为了获得更高重复频率的谐波锁模脉冲激光，可以控制色散调节器109使腔内色散维持较明显的负色散状态，同时增加栗浦108的功率和调整二分之一波片102与四分之一波片103，达到谐波锁模状态，且通过配置不同的负色散和栗浦功率，可以控制谐波锁模的谐波次数。
[0036]本实施例中，控制谐振腔的光程为0.6m，在低功率栗浦下，可以得到重复频率为500MHz的锁模脉冲激光，调节色散调节器109光栅引入合适的负色散，栗浦108的功率提高至IJl.5W，调整二分之波片102和四分之一波片103后，在输出端得到了重复频率为2GHz的四次谐波锁模激光脉冲。将得到的四次谐波锁模激光脉冲信号输入脉冲重复频率锁定模块300中的激光脉冲探测器301探测得到脉冲信号，并与信号发生器304产生的标准信号一起进入混频器302，产生低频误差信号，低频误差信号经过滤波放大电路303后产生反馈控制信号，该信号对光纤激光器模块100中的压电陶瓷105进行控制，从而调整谐振腔的腔长，实现对脉冲重复频率的精确锁定，本实施例中可以将脉冲激光的重复频率锁定到1mHz。
[0037]经过重复频率锁定后，将脉冲激光输入到频率与功率调节模块200中，本实施例中的频率与功率调节模块为啁啾脉冲CPA光纤放大器，放大后引入一部分脉冲信号输入载波包络零频锁定模块400，本实施例中载波包络零频锁定模块400为f-2f系统，在经过频率与功率调节模块200后，通过光子晶体光纤401将脉冲光展宽到一个倍频程，然后通过双色镜406将脉冲光分成两路，其中一路将波长为1220nm的脉冲光引入倍频晶体403，然后射入反射镜402调整光路方向；另一路是过滤并透射出来的波长为610nm的脉冲光，并射入延迟器404调节光程，两路脉冲光射入信号探测与处理器405中进行拍频，信号探测与处理器405对拍频信号进行探测和处理，从而产生反馈控制信号对栗浦电流进行控制，实现对脉冲信号载波包络零频的精确锁定，最后将信号输入光谱展宽模块500，展宽光谱使其能够覆盖400nm一100nm。
[0038]最终输出的高功率光学频率梳，其重复频率为2GHz，重复频率锁定精度达mHz，且载波包络零频也同时锁定，光谱覆盖400nm — lOOOnm，可直接用于标定部分高精度天文学光谱仪。
[0039]实施例2
[0040]参阅图1、3，图1和图3显示的是本实施例天文学光学频率梳系统的结构图，本实施例中产生的激光脉冲波长为1030nm，光纤激光器模块100为全光纤结构。栗浦源111向环形腔中注入980nm栗浦，腔内增益光纤116产生受激辐射的激光依次通过波分复用器112、偏振相关的光学隔离器113、光纤親合器114、光纤116(本实施例中为掺镱光纤)、偏振控制器117、色散调节器118完成一次完整的环形路程，同时利用压电陶瓷115微调光纤长度，这样的谐振腔构成了产生谐波锁模脉冲激光的条件，为了获得高重复频率的锁模脉冲激光，采用高浓度掺镱光纤和集成化设计的光学元件，通过调节偏振控制器117，可以形成谐波锁模脉冲激光，且通过配置不同的负色散和栗浦功率，可以控制谐波锁模的谐波次数。本实施例中，控制谐振腔的光程为I.2m，在低功率栗浦下，可以得到重复频率为250MHz的锁模脉冲激光，将栗浦111的功率提高到1.5W，控制色散调节器118使谐振腔获得合适的负色散，调整偏振控制器117后，在输出端得到了重复频率为IGHz的四次谐波锁模激光脉冲。将得到的四次谐波锁模激光脉冲信号输入脉冲重复频率锁定模块300，探测器301得到的脉冲信号与信号发生器304产生的标准信号一起进入混频器302，再通过滤波放大电路303产生反馈控制信号，该信号对光纤激光器模块中的压电陶瓷115进行控制，压电陶瓷控制光纤的长度变化，从而调整谐振腔的腔长，实现对脉冲重复频率的精确锁定，本实施例中可以将脉冲激光的重复频率锁定到I OmHz。
[0041 ]经过重复频率锁定后，将脉冲激光输入到频率与功率调节模块200中，本实施例中的频率与功率调节模块为两级F-P腔201和啁啾脉冲光纤放大器202，利用F-P腔滤波技术，通过两级F—P腔201将脉冲激光的重复频率提高到40GHz，再经过啁啾脉冲光纤放大器202放大，然后引入一部分脉冲信号输入载波包络零频锁定模块400，本实施例中载波包络零频锁定模块400为f-2f系统，在经过频率与功率调节模块200后，通过光子晶体光纤401将脉冲光展宽到一个倍频程，然后通过双色镜406将脉冲光分成两路，其中一路将波长为1220nm的脉冲光引入倍频晶体403，然后射入反射镜402调整光路方向；另一路是过滤并透射出来的波长为610nm的脉冲光，并射入延迟器404调节光程，两路脉冲光射入信号探测与处理器405中进行拍频，信号探测与处理器405对拍频信号进行探测和处理，从而产生反馈控制信号对栗浦电流进行控制，实现对脉冲信号载波包络零频的精确锁定，最后将信号输入光谱展宽模块500，展宽光谱使其能够覆盖400nm—100nm0
[0042]最终输出的高功率光学频率梳，其重复频率为40GHz，重复频率锁定精度达mHz，且载波包络零频也同时锁定，光谱覆盖400nm—lOOOnm，可用于标定高精度天文学光谱仪。
[0043]实施例3
[0044]参阅图1、4，图1和图4显示的是本实施例天文学光学频率梳系统的结构图，本实施例中产生的激光脉冲波长为1550nm，光纤激光器模块100为全光纤结构。栗浦源121向环形腔中注入980nm栗浦，腔内增益光纤126产生受激辐射的激光依次通过波分复用器122、偏振相关的光学隔离器123、光纤親合器124、光纤126(本实施例中为掺铒光纤)、偏振控制器127、色散调节器128完成一次完整的环形路程，同时利用压电陶瓷125微调光纤长度，这样的谐振腔构成了产生谐波锁模脉冲激光的条件，为了获得高重复频率的锁模脉冲激光，采用高浓度掺饵光纤和集成化设计的光学元件，通过调节偏振控制器127，可以形成谐波锁模脉冲激光，且通过配置不同的负色散和栗浦功率，可以控制谐波锁模的谐波次数。本实施例中，控制谐振腔的光程为1.2m，在低功率栗浦下，可以得到重复频率为250MHz的锁模脉冲激光，将栗浦121的功率提高到2W，控制色散调节器128使谐振腔获得合适的负色散，调整偏振控制器127后，在输出端得到了重复频率为IGHz的四次谐波锁模激光脉冲。将得到的四次谐波锁模激光脉冲信号输入脉冲重复频率锁定模块300，探测器301得到的脉冲信号与信号发生器304产生的标准信号一起进入混频器302，再通过滤波放大电路303产生反馈控制信号，该信号对光纤激光器模块中的压电陶瓷125进行控制，压电陶瓷控制光纤的长度变化，从而调整谐振腔的腔长，实现对脉冲重复频率的精确锁定，本实施例中可以将脉冲激光的重复频率锁定到I OmHz。
[0045]经过重复频率锁定后，将脉冲激光输入到频率与功率调节模块200中，本实施例中的频率与功率调节模块为两级F-P腔201和啁啾脉冲光纤放大器202，利用F-P腔滤波技术，通过两级F—P腔201将脉冲激光的重复频率提高到40GHz，再经过啁啾脉冲光纤放大器202放大，然后引入一部分脉冲信号输入载波包络零频锁定模块400，本实施例中载波包络零频锁定模块400为2f-3f系统，在经过频率与功率调节模块200后，通过光子晶体光纤401将脉冲光展宽覆盖1200nm — 1800nm，然后通过双色镜406将脉冲光分成两路，其中一路将波长为1200nm的脉冲光引入倍频晶体403进行倍频，然后射入反射镜402调整光路方向；另一路是过滤并透射出来的波长为ISOOnm的脉冲光，并射入延迟器404进行三倍频，两路脉冲光射入信号探测与处理器405中进行拍频，信号探测与处理器405对拍频信号进行探测和处理，从而产生反馈控制信号对栗浦电流进行控制，实现对脉冲信号载波包络零频的精确锁定，最后将信号输入光谱展宽模块500，展宽光谱使其能够覆盖400nm—100nm0
[0046]最终输出的高功率光学频率梳，其重复频率为40GHz，重复频率锁定精度达mHz，且载波包络零频也同时锁定，光谱覆盖400nm—lOOOnm，可用于标定高精度天文学光谱仪。
[0047]本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
【主权项】
1.一种基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述天文学光学频率梳系统包括: 光纤激光器模块，其输出高重复频率锁模脉冲激光； 脉冲重复频率锁定模块，其与所述光纤激光器模块形成环路，所述脉冲重复频率锁定模块对所述脉冲激光进行锁定； 频率与功率调节模块，其输入端与所述光纤激光器模块的输出连接，所述频率与功率调节t吴块提尚种子光重复频率并放大功率； 载波包络零频锁定模块，其与所述光纤激光器模块、所述频率与功率调节模块形成环路，所述载波包络零锁定模块用于对所述脉冲激光的载波包络零频进行锁定;和 光谱展宽模块，其与所述频率与功率调节模块的输出端连接，所述光谱展宽模块对输出脉冲的光谱进行展宽，输出可用于标定天文学光谱仪的光学频率梳。2.根据权利要求1所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述光纤激光器模块为设有增益光纤、压电陶瓷和色散调节器的半空间半光纤结构光纤激光器。3.根据权利要求1所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述光纤激光器模块为设有增益光纤、压电陶瓷和色散调节器的全光纤结构光纤激光器。4.根据权利要求2或3所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于:所述色散调节器是光栅、棱镜或光纤，所述色散调节器用于调节腔内色散，使所述脉冲激光达到能够形成谐波锁模的负色散状态。5.根据权利要求2或3所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述增益光纤包括掺铒光纤、掺镱光纤。6.根据权利要求1所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述频率与功率调节模块为光纤放大器，或由光纤放大器与至少一级F—P腔级联组成。7.根据权利要求6所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述光纤放大器是啁啾脉冲光纤放大器或自相似光纤放大器。8.根据权利要求1所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述光谱展宽模块是由透镜，与光子晶体光纤或非线性晶体或非线性波导之一级联组成。9.根据权利要求1所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述脉冲重复频率锁定模块由参考信号源、探测器、混频器、滤波放大电路组成，用以控制压电陶瓷控制腔长使获得的脉冲重复频率精确锁定。10.根据权利要求1所述的基于谐波锁模光纤激光器的天文学光学频率梳系统，其特征在于，所述载波包络零频锁定模块是f_2f频率锁定系统或2f-3f频率锁定系统。
【文档编号】H01S3/00GK106025779SQ201610580469
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】朱志伟, 李文雪, 王超, 刘洋, 曾和平
【申请人】华东师范大学