專利名稱：高穩(wěn)定高重復頻率單塊光學頻率梳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種相位穩(wěn)定的飛秒激光頻率梳技術(shù) 及裝置。
背景技術(shù)：
飛秒光學頻率梳技術(shù)是目前超短脈沖激光科學最前沿的研究內(nèi)容之一，自從上世 紀末的幾年里人們提出并實現(xiàn)對飛秒激光載波包絡相位漂移(Carrier-Envelope phase Offset，CEO)的鎖相控制以來，參見:D. J. Jones et al，2000 Science 288 635 ；Apolonski et al,Phys. Rev. 2000Lett85 740。該技術(shù)的發(fā)展不僅導致了光頻測量研究的革命性進展， 而且前所未有地實現(xiàn)了光學頻率與微波頻率的直接連接，并推動了阿秒激光物理和超快科 學的快速發(fā)展。2005年，美國國家計究院(NIST)的科學家J.Hall與德國馬普量子光學研 究所(MPQ)的科學家T. W. HSnsch因該工作在頻率測量領(lǐng)域的重要創(chuàng)新而榮獲諾貝爾物理 學獎，參見魏志義，物理2006 Vol 35 213。自Τ. W. HSnsch和J. Hall的開拓性工作起， 法國、英國、日本、韓國等也都相繼開展了飛秒激光CEO控制的研究，并建立了自己的飛秒 光學頻率梳裝置，特別是奧地利Femtolasers公司和德國MenloSystems等公司也進一步推 出了相應的飛秒光學頻率梳商業(yè)產(chǎn)品。需要指出的是，飛秒激光CEO的控制及光學頻率梳的實現(xiàn)，最初主要得益于光子 晶體光纖(Photon Crystal Fiber，PCF)的問世和采用。參見J. C. Knight et al，1996 Opt. Lett. 21，1547，目前國際上廣泛采用的光學頻率梳的核心正是以PCF為基礎的，包括 奧地利Femtolasers公司和德國MenloSystems生產(chǎn)的光學頻率梳產(chǎn)品。由于PCF可將飛秒 激光光譜展寬到一個倍頻程以上，因此使得人們第一次有可能通過所謂的自參考技術(shù)而實 現(xiàn)對CEO頻率的測量。但是PCF極小的芯徑(1 2μπι)和固有的高損耗(>70%)，不僅入 射激光微細的偏移都會導致輸出光譜的顯著變化，而且也限制了所能得到的輸出功率，特 別是PCF在高聚焦強度的激光入射下，表面極易損耗。由于這些因素，使得基于自參考技術(shù) 的飛秒激光CEO鎖定通常只能穩(wěn)定工作半小時左右，輸出功率也只有幾十mW，而且結(jié)構(gòu)復 雜、體積龐大、維護成本高，從而大大限制了光學頻率梳的實用性。2004年，德國馬普量子光 學研究所(MPQ)的科學家提出了一種通過差頻(Difference FrequencyGeneration, DFG) 超寬激光脈沖自身的不同光譜成分而測量并控制CEO的方法，參見Fuii Τ, et al. 2005 Opt. Lett. 30 332，該技術(shù)由于采用準相位匹配電極化周期的鈮酸鋰晶體(PPLN)中所產(chǎn)生 的差頻、自相位調(diào)制等非線性效應而實現(xiàn)對CEO頻率的測量，因此可以不要求光譜展寬到 一個倍頻程，這樣也就避免了必須采用PCF而帶來的低功率和穩(wěn)定性問題，原理上可以用 結(jié)構(gòu)大大簡化了的所謂單塊裝置得到短期和長期穩(wěn)定性大大改進的CEO結(jié)果，在飛秒光學 頻率梳及CEO控制的研究中具有更新?lián)Q代的意義。目前該技術(shù)在德國MPQ已得到成功實施， 但存在不足是所穩(wěn)定的飛秒激光重復頻率不到100MHz，而且 輸出可用功率只有幾十毫瓦。 由于光梳所需要的理想重復頻率一般要求大于200MHz，因此迄今還未能用于實際的光頻測 量中，特別是由于該方案所需要的高重復頻率亞IOfs寬帶激光的技術(shù)難度，國際上一直未見到同類的研究報導。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在問題，本發(fā)明提供一種基于周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，利用 差頻技術(shù)測量CEO的結(jié)構(gòu)緊湊、重復頻率為350MHz、輸出可用功率大于200mW的單塊光學頻 率梳技術(shù)及裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種高穩(wěn)定高重復頻率單塊光學頻率梳的制造方 法，其具 體步驟為(1)使用周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出高重復頻率、寬譜、7fs以下脈寬飛秒脈 沖；(2)使用單塊非線性晶體差頻測量飛秒脈沖CEO ；(3)使用電路反饋技術(shù)將重復頻率和CEO頻率同時鎖定到穩(wěn)定的外部微波參考源 上。進一步，所述單塊非線性晶體差頻測量的步驟為，將寬譜周期量級飛秒激光脈 沖聚焦到一塊非線性晶體中，飛秒脈沖的長波部分和短波部分在晶體中發(fā)生自差頻效應， 產(chǎn)生新的為0的紅外波譜區(qū)，與飛秒脈沖基波在該區(qū)重疊的紅外波譜成分相互拍頻，就 可得到穩(wěn)定的高信噪比的f。e。信號。進一步，所述的制作方法中使用電路反饋技術(shù)將重復頻率和CEO頻率同時鎖定到 穩(wěn)定的外部微波參考源上方法為，基于鎖相原理制成控制f;ep及f。e。的電路反饋系統(tǒng)，通過 安裝在振蕩器一個腔鏡上的壓電陶瓷PZT的伸縮改變腔長來控制frep，使用安裝在泵光路 中的聲光調(diào)制器AOM改變泵光功率來控制。一種高穩(wěn)定高重復頻率單塊光學頻率梳裝置，包括周期量級鈦寶石振蕩器、單塊 非線性晶體差頻測量f。e。裝置和基于鎖相原理控制的反饋電路裝置。進一步，所述裝置中的周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，為一種能夠直接輸出的飛秒 脈沖的裝置，其輸出的飛秒脈沖的光譜寬度接近一個光學倍頻程，能覆蓋eOOnm-lOOOnm的 范圍，重復頻率大于300MHz，經(jīng)過腔外若干啁啾鏡及一對尖劈進行色散補償后，周期量級飛 秒脈沖的脈寬在7fs以下。進一步，所述裝置中的單塊非線性晶體差頻測量具體裝置包括兩塊凹面銀 鏡，一塊非線性晶體，一塊紅外濾光片和一個紅外APD ；兩凹面銀鏡的焦距相同分別以小角 度放置，使激光均以小角度入射到兩凹面銀鏡上，并且兩凹面銀鏡的間距為第一凹面銀鏡 的兩倍焦距，非線性晶體設置在第一凹面銀鏡和第二凹面銀鏡的焦點處，紅外濾光片設置 在非線性晶體至第二凹面銀鏡輸出光路的反射輸出光路上。紅外APD放置在紅外濾光片的 透射光路中。進一步，所述裝置中的同時穩(wěn)定及f。e。的電路反饋裝置是基于鎖相環(huán)原理的 控制裝置，包括電路伺服控制器及壓電陶瓷PZT、聲光調(diào)制器Α0Μ，所述的壓電陶瓷PZT安裝 在振蕩器的一個腔鏡上，聲光調(diào)制器AOM安裝在泵光光路中。進一步，所述裝置中的第一凹面銀鏡和第二凹面銀鏡的焦距為25mm或30mm或 35mm0進一步，所述裝置中的非線性晶體為電極化周期的準相位匹配摻氧化鎂的鈮酸鋰PP-MgO-LN，其尺寸為3X2X 1mm，極化周期為17. 84 μ m或者11. 21 μ m ；所述紅外濾光片為 IOOOnm或2000nm以上波長透過的長波通紅外濾光片。進一步，所述裝置中的所述fMp及的反饋電路裝置包括一個穩(wěn)定的外部微波 參考源，這個參考源可以為銫鐘、氫鐘或銣鐘等微波原子鐘。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，由于本發(fā)明采用了周期量級飛秒鈦寶石振蕩器及差頻測量 CEO頻率這兩個創(chuàng)新技術(shù)，因而導致具有如下的突出特點1.穩(wěn)定度高，鎖定時間長；因無需使用腔外光子晶體光纖，因而大大提高了頻率 梳的穩(wěn)定性，相比自參考頻率梳通常半小時的鎖定時間，本發(fā)明的單塊光梳鎖定時間提高 到9小時以上。
2.重復頻率高；相比國際上同類技術(shù)的光梳，本發(fā)明將重復頻率提高到300MHz以 上，這是目前國際同類光梳的最高重復頻率，有利于頻率測量的應用。3.輸出功率高；本發(fā)明典型的輸出功率可達200mW以上，相比因光子晶體光纖的 高損耗導致的只有幾十毫瓦的自參考光梳系統(tǒng)，本發(fā)明單塊光梳在輸出功率方面具有明顯 的優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2為中本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為差頻后所獲得的中紅外曲線4為差頻測量CEO頻率頻譜圖；圖5為重復頻率鎖定后的艾倫方差曲線；圖6為CEO頻率鎖定后的艾倫方差曲線。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明原理框圖。如圖1所示，采用532nm單頻連續(xù)全固化倍頻釩酸釔激光器作為泵浦源，泵浦光經(jīng) 過AOM后進入周期量級鈦寶石振蕩器，然后振蕩器輸出的飛秒脈沖分出一小部分由PIN管 接收重復頻率信號，大部分進入差頻晶體測量CEO頻率，經(jīng)過差頻測量系統(tǒng)后的光脈沖再 分成兩部分，紅外光由紅外APD接收得到CEO頻率信號，可見光部分作為光梳的可用光脈 沖輸出。最后為了得到絕對穩(wěn)定的光梳輸出，將PIN接收到的重復頻率及紅外APD接收到 的CEO頻率電信號分別送入鎖相環(huán)I及鎖相環(huán)II，外部參考源輸出的IOMHz信號經(jīng)頻率綜 合器后得到合適的參考信號也分別進入鎖相環(huán)I及鎖相環(huán)II，經(jīng)過鑒相濾波后獲得控制信 號，進而通過控制AOM達到控制CEO頻率的目的，通過控制安裝在一個端鏡上的PZT達到控 制重復頻率的目的。圖2為光路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明一種高穩(wěn)定高重復頻率的單塊光學頻率梳，包括周期量級飛 秒鈦寶石振蕩器，差頻測量f·裝置及穩(wěn)定重復頻率及CEO頻率的電路反饋控制系 統(tǒng)。泵浦光經(jīng)過AOM 01，再經(jīng)爬高鏡02將光路抬高，然后再經(jīng)一個轉(zhuǎn)折銀鏡03入射到周期 量級飛秒鈦寶石振蕩器中，其中AOM的電調(diào)制頻率為80MHz，放置時使激光垂直入射晶體表面，微調(diào)AOM改變?nèi)肷浣嵌仍谝患壯苌涔庾顝姷奈恢霉潭é?Μ。周期量級飛秒鈦寶石振蕩 器由泵浦鏡04、兩個平凹啁啾鏡05，06、一塊鈦寶石晶體07、兩個平面啁啾鏡08，09、一對尖 劈10，11及一個平面輸出耦合鏡12構(gòu)成，其中泵浦鏡04的焦距為50mm，口徑為25. 4mm ；晶 體07為布儒斯特角切割的摻鈦藍寶石晶體，尺寸為3*2. 8*1. 85mm ；平凹啁啾鏡05，06為曲 率半徑為50mm，口徑為12. 7mm，厚度為6. 35mm的熔石英玻璃材料，鍍膜參數(shù)為凹面鍍有對 503-535nm波段增透及700-950nm波段高反的雙色介質(zhì)膜，且提供680-940nm波段二階色 散(GVD)-50fs2，背面鍍有503-535nm波段的增透膜；平面啁啾鏡08、09的鍍膜參數(shù)相同， 均對650-980nm波段高反，650-980nm波段提供二階色散-40fs2，啁啾鏡08為厚度6. 35mm, 口徑25. 4mm的熔石英基片，但是啁啾鏡09厚度2mm，口徑為6mm，安裝在一個柱狀長約5cm 的PZT上，用于改變腔長控制重復頻率；一對 尖劈10，11為30*20mm，頂尖角度為2° 48，， 最薄處為200 μ m的熔石英基片。輸出耦合鏡12為口徑12. 7，厚度為Imm的熔石英基片，鍍 有660-920nm波段內(nèi)透過率為10%的介質(zhì)膜。上述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器從結(jié)構(gòu)，元 件參數(shù)到安裝方法和調(diào)節(jié)方法都與已申請專利(申請?zhí)枮?00810115910. 9)的“產(chǎn)生高重 復頻率周期量級飛秒脈沖的摻鈦藍寶石激光器”相同，唯一不同點在于安裝在PZT上的啁啾 鏡09，為了配合PZT的承載負荷采用了尺寸和厚度都較小的鏡片以減輕重量，同時將一個 尖劈安裝在平移臺上，可以幫助粗調(diào)鎖定前CEO頻率的位置，在啁啾鏡08后放置一個PIN 接收少量透射光得到重復頻率信號。從輸出耦合鏡12透射出的激光脈沖再經(jīng)過一個轉(zhuǎn)折銀鏡13，被反射到一對腔外 啁啾鏡對14、15上并進行三次小角度反射，以得到足夠的色散補償量，啁啾鏡對14、15鍍有 580-1020nm波段高反膜，620-1000nm波段提供二階色散-50fs2。接著激光被反射到一對腔 外尖劈16、17上，尖劈參數(shù)與腔內(nèi)尖劈10、11相同，尖劈16、17以布儒斯特角插入激光光路 中，并且兩個尖劈平行放置，頂尖相對，其中一個尖劈16固定，另外一個尖劈17裝在一個一 維平移臺上，平移臺移動方向與光路垂直，通過移動平移臺可以改變尖劈17的插入量，進 而調(diào)節(jié)色散量。透過尖劈后的激光經(jīng)轉(zhuǎn)折銀鏡18入射到第一個凹面銀鏡19上，凹面銀鏡 19焦距為25mm，保證從尖劈射出的激光以小角度入射到第一凹面銀鏡19，并且其凹面在尖 劈17輸出光路上，第二凹面銀鏡20的焦距也為25mm，其凹面與第一凹面銀鏡19的凹面相 對放置，兩個鏡面之間的距離大約為50mm，一塊長方體摻氧化鎂的PPLN晶體21放置在第一 凹面銀鏡19和第二凹面銀鏡20之間的焦點處，晶體21的極化周期為17. 84 μ m，通光厚度 為2mm，通光面大小為3*lmm，從第一凹面銀鏡19以小角度反射出的激光聚焦在晶體21上， 為了細調(diào)晶體的位置，可以將晶體安裝在一個一維平移臺上，平移臺移動方向與光路平行， 第二凹面銀鏡20的反射輸出光路上設置一啁啾鏡22，其鍍有580-1020nm波段高反膜，垂直 反射光作為光學頻率梳的可用輸出光，在透射光路上放置一個鍍有700nm-800nm高反膜的 平面鏡23，反射光路上放置一 PIN24管，用于監(jiān)測重復頻率信號，透過平面鏡23的透射光入 射到一對平行放置的銀鏡25，26上轉(zhuǎn)折光路，紅外濾光片27、聚焦透鏡28及紅外APD29依 次放在轉(zhuǎn)折上，所述紅外濾光片的參數(shù)為IlOOnm以上通過，以下截止，聚焦透鏡28焦距為 30mm,材料采用紅外光透過性好的氟化鈣。最后將PIN24及APD29接收到的重復頻率及CEO頻率信號分別采用兩套鎖相環(huán)電 路系統(tǒng)鎖定到同一臺外部微波參考源上，本實施例使用的參考源是IOOs穩(wěn)定度為10_12的 銣原子鐘，鎖定后的重復頻率為350MHz，CEO頻率為20MHz。
部分實驗結(jié)果圖如下說明圖3為經(jīng)過差頻晶體后所獲得的近紅外光譜，通過APD探測這部分光譜的飛秒脈 沖拍頻，就可得到CEO頻率信號。圖4為APD接收后由頻譜儀記錄到的CEO頻率信號，信噪比高達45dB。圖5為鎖定后重復頻率的艾倫方差曲線，鎖定時間9小時。圖6為鎖定后CEO頻率的艾倫方差 曲線，鎖定時間9小時。
權(quán)利要求
一種高穩(wěn)定高重復頻率單塊光學頻率梳的制造方法包括(1)使用周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出高重復頻率、寬譜和7fs以下脈寬飛秒脈沖；(2)使用單塊非線性晶體差頻測量飛秒脈沖CEO；(3)使用電路反饋技術(shù)將重復頻率和CEO頻率同時鎖定到穩(wěn)定的外部微波參考源上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征為所述單塊非線性晶體差頻測量f·的步驟 為，將寬譜周期量級飛秒激光脈沖聚焦到一塊非線性晶體中，飛秒脈沖的長波部分和短波 部分在晶體中發(fā)生自差頻效應，產(chǎn)生新的fre。為0的紅外波譜區(qū)，與飛秒脈沖基波在該區(qū)重 疊的紅外波譜成分相互拍頻，就可得到穩(wěn)定的高信噪比的f。e。信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征為所述的使用電路反饋技術(shù)將重復頻率和 CEO頻率同時鎖定到穩(wěn)定的外部微波參考源上的方法為基于鎖相原理制成控制及f。e。 的電路反饋系統(tǒng)，通過安裝在振蕩器一個腔鏡上的壓電陶瓷PZT的伸縮改變腔長來控制 frep，使用安裝在泵光路中的聲光調(diào)制器AOM改變泵光功率來控制f。ra.。
4.一種高穩(wěn)定高重復頻率單塊光學頻率梳裝置，包括周期量級鈦寶石振蕩器、單塊 非線性晶體差頻測量f。e。裝置和基于鎖相原理控制的反饋電路裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的裝置，其特征為所述周期量級飛秒鈦寶石振蕩器，為一種 能夠直接輸出的飛秒脈沖的裝置，其輸出的飛秒脈沖的光譜寬度接近一個光學倍頻程，能 覆蓋600nm IOOOnm的范圍，重復頻率大于300MHz，經(jīng)過腔外若干啁啾鏡及一對尖劈進行 色散補償后，周期量級飛秒脈沖的脈寬在7fs以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的裝置，其特征為所述單塊非線性晶體差頻測量f。TO具體 裝置包括兩塊凹面銀鏡，一塊非線性晶體，一塊紅外濾光片和一個紅外APD ；兩凹面銀鏡 的焦距相同分別以小角度放置，使激光均以小角度入射到兩凹面銀鏡上，并且兩凹面銀鏡 的間距為第一凹面銀鏡的兩倍焦距，非線性晶體設置在第一凹面銀鏡和第二凹面銀鏡的焦 點處，紅外濾光片設置在非線性晶體至第二凹面銀鏡輸出光路的反射輸出光路上，紅外APD 放置在紅外濾光片的透射光路中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的裝置，其特征為所述同時穩(wěn)定frep及f。ra的電路反饋裝置 是基于鎖相環(huán)原理的控制裝置，包括電路伺服控制器、壓電陶瓷PZT和聲光調(diào)制器Α0Μ，所 述的壓電陶瓷PZT安裝在振蕩器的一個腔鏡上，聲光調(diào)制器AOM安裝在泵光光路中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的裝置，其特征為所述第一凹面銀鏡和第二凹面銀鏡的焦 距為 25mm 或 30mm 或 35mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的裝置，其特征為所述非線性晶體為電極化周期的準相 位匹配摻氧化鎂的鈮酸鋰PP-MgO-LN，其尺寸為3X2Xlmm，極化周期為17. 84μπι或者 11. 21 μ m ；所述紅外濾光片為IOOOnm或2000nm以上波長透過的長波通紅外濾光片。
10.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的裝置，其特征為所述及f。TO的反饋電路裝置包括一 個穩(wěn)定的外部微波參考源，這個參考源可以為銫鐘、氫鐘或銣鐘等微波原子鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高穩(wěn)定高重復頻率單塊光學頻率梳的制作方法及設備，所述方法的具體步驟為使用周期量級飛秒鈦寶石振蕩器輸出高重復頻率、寬譜、7fs以下脈寬飛秒脈沖；使用單塊非線性晶體差頻測量飛秒脈沖CEO；使用電路反饋技術(shù)將重復頻率和CEO頻率同時鎖定到穩(wěn)定的外部微波參考源上。所述設備主要由周期量級鈦寶石振蕩器、單塊非線性晶體差頻測量fceo裝置和基于鎖相原理控制的反饋電路裝置組成。本發(fā)明具有設備結(jié)構(gòu)緊湊；鎖定時間長、輸出可用功率高、相位噪聲小等特點。主要應用在光頻絕對測量、構(gòu)成光鐘、阿秒產(chǎn)生等科學研究中。
文檔編號H01S3/16GK101846861SQ20091008070
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者張煒, 杜強, 滕浩, 趙研英, 韓海年, 魏志義 申請人:中國科學院物理研究所