用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法及其裝置，該方法采用鎖模脈沖激光器作為光學(xué)頻率梳種子源搭建高功率光纖光學(xué)頻率梳，并將所述光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò)相位信號(hào)鎖定在零頻；將此光學(xué)頻率梳的輸出光與待測(cè)連續(xù)激光進(jìn)行拍頻，通過外部加載的調(diào)制信號(hào)微調(diào)光學(xué)頻率梳種子源脈沖的重復(fù)頻率，獲得多組對(duì)應(yīng)于不同重復(fù)頻率的拍頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)所述待測(cè)連續(xù)激光頻率的精確測(cè)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測(cè)量過程簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活。
【專利說明】用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光科學(xué)與【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需建立在精密實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)之上，光頻率作為測(cè)量基準(zhǔn)值，決定著其它許多物理量的準(zhǔn)確度及定義。光學(xué)頻率的精確測(cè)量意味著計(jì)量準(zhǔn)確度的提高，不僅為許多基本物理常數(shù)的測(cè)定提供了更精密的時(shí)頻基準(zhǔn)，而且有利于發(fā)展更精確計(jì)時(shí)的以微波量子頻標(biāo)為核心的原子鐘，提高全球定位系統(tǒng)的精度，構(gòu)建信息高速公路。在信息科技日益發(fā)達(dá)的今天，高準(zhǔn)確度頻標(biāo)的研究是關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技創(chuàng)新和國家安全的重要內(nèi)容。
[0003]由于光頻率在IO14Hz量級(jí)，較之微波頻標(biāo)高出了 5個(gè)數(shù)量級(jí)，目前不存在直接響應(yīng)這一頻段的光電探測(cè)器，故光頻率的精確測(cè)量一直是科學(xué)工作者密切關(guān)注的課題。傳統(tǒng)的基于諧波光頻鏈與光頻間隔內(nèi)分(0FID)頻率鏈的光頻絕對(duì)測(cè)量方法，由于對(duì)參考頻率源的要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)光頻率高效、穩(wěn)定的測(cè)量，同時(shí)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)不方便維護(hù)，造價(jià)高。近幾年，飛秒光學(xué)頻率梳的發(fā)展為光頻率的測(cè)量提供了有力工具，通常將光梳的輸出光與待測(cè)單頻激光進(jìn)行拍頻，間接計(jì)算出激光頻率。但是，現(xiàn)有的光梳拍頻方法要求光梳種子源工作在幾百M(fèi)Hz甚至GHz的高重復(fù)頻率，高重復(fù)頻率光梳對(duì)器件要求高，系統(tǒng)穩(wěn)定性受限，測(cè)量精度受限；其次，現(xiàn)有的光梳拍頻方法沒有測(cè)量出激光的絕對(duì)頻率，直接讀出光頻需要二個(gè)光梳，或是配合使用波長(zhǎng)計(jì)等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行計(jì)算，這些無疑都為整個(gè)測(cè)量過程增添了不便因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法及其裝置，該方法通過采用鎖模激光器作為光學(xué)頻率梳種子源向外輸出光梳脈沖序列，并通過連接光學(xué)頻率梳控制模塊以構(gòu)建一臺(tái)高功率光纖光學(xué)頻率梳，將其載波包絡(luò)相位漂移信號(hào)鎖定在零頻不變，并實(shí)現(xiàn)對(duì)光梳脈沖序列重復(fù)頻率的鎖定與調(diào)諧；用該光學(xué)頻率梳的輸出光與待測(cè)的單頻連續(xù)激光拍頻，通過外部加載的調(diào)制信號(hào)微調(diào)光學(xué)頻率梳種子源脈沖的重復(fù)頻率，可獲得多組對(duì)應(yīng)于不同重復(fù)頻率的拍頻信號(hào)，從而用一臺(tái)光學(xué)頻率梳即可精確測(cè)量出待測(cè)的單頻連續(xù)激光的頻率。
[0005]本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:
一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法，其特征在于所述方法采用鎖模脈沖激光器作為光學(xué)頻率梳種子源搭建高功率光纖光學(xué)頻率梳，并將所述光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò)相位信號(hào)鎖定在零頻；將此光學(xué)頻率梳的輸出光與待測(cè)連續(xù)激光進(jìn)行拍頻，通過外部加載的調(diào)制信號(hào)微調(diào)光學(xué)頻率梳種子源脈沖的重復(fù)頻率，獲得多組對(duì)應(yīng)于不同重復(fù)頻率的拍頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)所述待測(cè)連續(xù)激光頻率的精確測(cè)量。
[0006]包括如下步驟:所述光學(xué)頻率梳種子源的輸出功率經(jīng)激光功率放大模塊放大后向光學(xué)頻率梳控制模塊提供光梳脈沖序列；
所述光學(xué)頻率梳控制模塊中的重復(fù)頻率/;探測(cè)子模塊將光梳脈沖序列中探測(cè)到的重復(fù)頻率/;鎖定到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)上，并將誤差信號(hào)反饋至所述光學(xué)頻率梳種子源內(nèi)的壓電陶瓷晶體；同時(shí)所述光學(xué)頻率梳控制模塊中的載波包絡(luò)相位漂移頻率A探測(cè)子模塊將光梳脈沖序列中探測(cè)到的載波包絡(luò)相位漂移頻率作為聲光頻移器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將光梳脈沖序列作為所述聲光頻移器的輸入信號(hào)，即fin=mfr+f0,利用所述聲光頻移器中的聲光頻移晶體的一級(jí)衍射光作為輸出光，把所述載波包絡(luò)相位漂移頻率抵消掉，以將光梳脈沖序列鎖定在零頻上輸出，即光梳脈沖序列的頻率為fcomb=mfr ；
通過所述光學(xué)頻率梳控制模塊輸出的光梳脈沖序列經(jīng)過光梳頻譜展寬模塊，獲得從紫外到紅外的寬輸出頻帶，并與待測(cè)連續(xù)激光光源模塊輸出的所述待測(cè)連續(xù)激光一起入射到光學(xué)合束模塊，經(jīng)合束后共同傳播至拍頻探測(cè)模塊中；
之后通過所述拍頻探測(cè)模塊中的光學(xué)濾波裝置將所述光梳頻譜展寬模塊輸出光譜中與所述待測(cè)連續(xù)激光波段相同的部分選取出來，并經(jīng)其內(nèi)的透鏡聚焦至相應(yīng)波段的信號(hào)探測(cè)器上進(jìn)行拍頻信號(hào)fbeat的探測(cè)，即所述待測(cè)連續(xù)激光的頻率可表示為/；-，其中所述重復(fù)頻率/；和拍頻信號(hào)的值可直接讀?。煌ㄟ^外部信號(hào)加載模塊給所述光學(xué)頻率梳種子源上的壓電陶瓷晶體加載鋸齒信號(hào)，從而微調(diào)所述光學(xué)頻率梳種子源的激光腔的腔長(zhǎng)獲得新的重復(fù)頻率/；,和相對(duì)應(yīng)的新的拍頻信號(hào)廠；確定所述待測(cè)連續(xù)激光的頻率T1=Blf1Jlfbeat中的正負(fù)號(hào)，若該式中為正號(hào)，則此時(shí)F1=TBf1^fbeat=TBfr " + fbeat、可求得
【權(quán)利要求】
1.一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法，其特征在于所述方法采用鎖模脈沖激光器作為光學(xué)頻率梳種子源搭建高功率光纖光學(xué)頻率梳，并將所述光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò)相位信號(hào)鎖定在零頻；將此光學(xué)頻率梳的輸出光與待測(cè)連續(xù)激光進(jìn)行拍頻，通過外部加載的調(diào)制信號(hào)微調(diào)光學(xué)頻率梳種子源脈沖的重復(fù)頻率，獲得多組對(duì)應(yīng)于不同重復(fù)頻率的拍頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)所述待測(cè)連續(xù)激光頻率的精確測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法，其特征在于包括如下步驟: 所述光學(xué)頻率梳種子源的輸出功率經(jīng)激光功率放大模塊放大后向光學(xué)頻率梳控制模塊提供光梳脈沖序列； 所述光學(xué)頻率梳控制模塊中的重復(fù)頻率/；探測(cè)子模塊將光梳脈沖序列中探測(cè)到的重復(fù)頻率/；鎖定到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)上，并將誤差信號(hào)反饋至所述光學(xué)頻率梳種子源內(nèi)的壓電陶瓷晶體；同時(shí)所述光學(xué)頻率梳控制模塊中的載波包絡(luò)相位漂移頻率A探測(cè)子模塊將光梳脈沖序列中探測(cè)到的載波包絡(luò)相位漂移頻率作為聲光頻移器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將光梳脈沖序列作為所述聲光頻移器的輸入信號(hào)，即fin=mfr+f0,利用所述聲光頻移器中的聲光頻移晶體的一級(jí)衍射光作為輸出光，把所述載波包絡(luò)相位漂移頻率抵消掉，以將光梳脈沖序列鎖定在零頻上輸出，即光梳脈沖序列的頻率為fcomb=mfr ； 通過所述光學(xué)頻率梳控制模塊輸出的光梳脈沖序列經(jīng)過光梳頻譜展寬模塊，獲得從紫外到紅外的寬輸出頻帶，并與待測(cè)連續(xù)激光光源模塊輸出的所述待測(cè)連續(xù)激光一起入射到光學(xué)合束模塊，經(jīng)合束后共同傳播至拍頻探測(cè)模塊中； 之后通過所述拍頻探測(cè)模塊中的光學(xué)濾波裝置將所述光梳頻譜展寬模塊輸出光譜中與所述待測(cè)連續(xù)激光波段相同的部分選取出來，并經(jīng)其內(nèi)的透鏡聚焦至相應(yīng)波段的信號(hào)探測(cè)器上進(jìn)行拍頻信號(hào)fbeat的探測(cè)，即所述待測(cè)連續(xù)激光的頻率可表示為/；-，其中所述重復(fù)頻率/；和拍頻信號(hào)的值可直接讀??；通過外部信號(hào)加載模塊給所述光學(xué)頻率梳種子源上的壓電陶瓷晶體加載鋸齒信號(hào)，從而微調(diào)所述光學(xué)頻率梳種子源的激光腔的腔長(zhǎng)獲得新的重復(fù)頻率/；,和相對(duì)應(yīng)的新的拍頻信號(hào)廠；確定所述待測(cè)連續(xù)激光的頻率T1=Blf1Jlfbeat中的正負(fù)號(hào)，若該式中為正號(hào)，則此時(shí)F1=TBf1^fbeat=TBfr " + fbeat、可求得
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的方法，其特征在于所述待測(cè)連續(xù)激光的頻率中的正負(fù)號(hào)是通過如下步驟確定的:通過所述外部信號(hào)加載模塊給所述光學(xué)頻率梳種子源上的壓電陶瓷晶體加載鋸齒信號(hào)，從而微調(diào)所述激光腔的腔長(zhǎng)，若當(dāng)重復(fù)頻率fr增大的時(shí)候拍頻信號(hào)fbeat的值減小，當(dāng)重復(fù)頻率fr減小的時(shí)候拍頻信號(hào)的值增大，則該式中為正號(hào)；若當(dāng)重復(fù)頻率/；增大的時(shí)候拍頻信號(hào)的值增大，當(dāng)重復(fù)頻率/；減小的時(shí)候拍頻信號(hào)的值減小，則該式中為負(fù)號(hào)。
4.一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的裝置，其特征在于所述裝置包括依次連接的光學(xué)頻率梳種子源、激光功率放大模塊、光學(xué)頻率梳控制模塊、光梳頻譜展寬模塊、光學(xué)合束模塊、拍頻探測(cè)模塊以及信號(hào)讀取模塊，其中在所述光學(xué)頻率梳種子源上設(shè)置有外部信號(hào)加載模塊，所述光學(xué)合束模塊上還連接有待測(cè)連續(xù)激光光源模塊；所述光學(xué)頻率梳控制模塊由重復(fù)頻率探測(cè)子模塊、載波包絡(luò)相位漂移頻率探測(cè)子模塊以及聲光頻移器組成，其中所述的重復(fù)頻率fr探測(cè)子模塊與所述光學(xué)頻率梳種子源反饋連接，所述的載波包絡(luò)相位漂移頻率探測(cè)子模塊與所述聲光移頻器連接；所述激光功率放大模塊分別連接所述重復(fù)頻率/；探測(cè)子模塊和載波包絡(luò)相位漂移頻率探測(cè)子模塊，所述聲光頻移器連接所述光梳頻譜展寬模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的裝置，其特征在于所述光學(xué)頻率梳種子源是被動(dòng)式鎖模激光器或主動(dòng)式鎖模激光器，所述激光器的激光腔中設(shè)置有壓電陶瓷晶體，所述壓電陶瓷晶體與所述外部信號(hào)加載模塊連接，以控制所述激光腔的腔長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的裝置，其特征在于所述光學(xué)合束模塊為空間半透半反鏡或光纖耦合器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的裝置，其特征在于所述拍頻探測(cè)模塊包括光學(xué)濾波裝置和信號(hào)探測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用高功率光纖光學(xué)頻率梳測(cè)量光頻率的裝置，其特征在于所述信號(hào)讀取模塊為快速傅里葉變換頻譜分析儀，或?yàn)橛呻妼W(xué)濾波與數(shù)據(jù)采集卡組成的電學(xué)快速讀取器件。
【文檔編號(hào)】H01S3/098GK103794980SQ201410039424
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】白東碧, 曾和平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)