專利名稱：一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法
一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法。
背景技術(shù)：
時頻域精密控制的寬帶綠光脈沖光源目前在包括材料處理、醫(yī)療診斷、儀器制造、基礎(chǔ)研究、光存儲、娛樂、圖像記錄、檢測與控制、全色顯示、測向與指示、國防軍事等民用、工業(yè)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用日益突出。特別是近年來，隨著光盤存儲的高密度化和激光打印機的高精度化的發(fā)展，精密控制的綠光光源成了人們關(guān)注的焦點，另一方面，綠色脈沖激光也為激光雷達方法提供了一種理想的光源，并可以與成熟的可見光波段探測技術(shù)相結(jié)合，通過測量分析激光脈沖的返回時間來精確測量目標物體的位置(距離和角度)信息，甚至是物 體的運動狀態(tài)(速度、振動和姿態(tài))和形狀。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，綠光光梳激光器在很大程度上提高了激光雷達方法的探測精度，其自身穩(wěn)定的頻率和相位特性，使得在脈沖飛行時間測量技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合了相位差測量技術(shù)，并將整個方法的探測精度提高到了波長周期量級。此外，高功率的寬帶綠光光梳方法可以在非線性光學(xué)倍頻的基礎(chǔ)上擴展出藍光和紫外光梳脈沖，進一步加速精密紫外激光加工、紫外光刻和精密光梳光譜等技術(shù)的發(fā)展。目前產(chǎn)生綠色激光的方法有很多種，主要可以分三種( I)利用寬帶隙半導(dǎo)休材料直接激發(fā)產(chǎn)生綠光，并通過調(diào)制材料兩端電流實現(xiàn)調(diào)制的綠光脈沖輸出。這種方法的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，但它的缺點在于輸出功率較低，而且受到電路方法帶寬的限制，綠光脈沖寬度較寬，且不具備時頻域的相干特性。(2)在固體材料中摻人稀土離子，在半導(dǎo)體激光器或其他光源泵浦的條件下，直接利用稀土離子的能級躍遷而產(chǎn)生綠色激光。但這種方法的缺點在于脈沖的波長受到摻雜離子的限制，且不易得到高功率的脈沖光輸出。(3)利用光學(xué)晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生二次諧波或是倍頻光。例如利用摻Nd3+或Yb3+的激光器產(chǎn)生波長在1. 06um的近紅外激光，然后利用倍頻晶體，如KTP、BB0、LiNb03、LiTa03或是KNb03，產(chǎn)生530nm附近的倍頻光。這種方法的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)鎖模的超短脈沖，而且利用目前摻Nd3+或Yb3+的激光晶體或是雙包層增益光纖的發(fā)展優(yōu)勢，可以實現(xiàn)高功率的綠光輸出。非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換同樣存在一些難以克服的缺點，例如a)非線性光學(xué)倍頻效率較低，而且受到倍頻晶體損傷閾值的限制，倍頻綠光的功率有限；b)非線性光學(xué)倍頻過程有嚴格的相位匹配條件的限制，難以實現(xiàn)寬帶倍頻光輸出；c)由于倍頻是二階非線性光學(xué)效應(yīng)，所以倍頻效率嚴重受到入射光峰值功率的制約，同時綠光的光譜在倍頻過程中被窄化，無法實現(xiàn)寬帶的綠光輸出。d)在獲得高功率近紅外泵浦光的過程中，需要采用光放大器對脈沖功率進行放大，而放大器的增益譜寬同樣限制了倍頻綠光的光譜寬度。
e)高功率放大可以提高脈沖的能量，進而提高非線性倍頻的效率，但是高功率放大過程會破壞脈沖的時域分布，導(dǎo)致脈沖形變和分裂，同時也會影響脈沖的空間光斑質(zhì)量，以至于限制光束在晶體中的聚焦和傳輸過程，并降低倍頻光的產(chǎn)生效率。f)高功率放大過程會對脈沖引入多種非線性附加相位噪聲和自發(fā)輻射噪聲，影響脈沖的時間-頻譜穩(wěn)定性，為進一步實現(xiàn)光梳脈沖造成困難。綜上所述，雖然目前已有多種實現(xiàn)高功率綠光脈沖的技術(shù)與方法，但都存在著各種缺陷與不足。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，該方法克服了傳統(tǒng)綠光產(chǎn)生技術(shù)中的光譜窄、脈沖功率低、時頻特性難以控制等問題，該方法提高了綠光平均功率，增強了綠光亮度，提高了倍頻光的
效率和綠光脈沖的平均功率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下述技術(shù)方案一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于⑴、將多臺摻鐿光學(xué)頻率梳鎖定在同一個頻率標準器上，每臺摻鐿光學(xué)頻率梳具有相同的脈沖重復(fù)頻率frl=fr2=…=frn,和相同的脈沖載波包絡(luò)相位零頻f01=f02=…=f0n ；⑵、采用平衡式光學(xué)互相關(guān)探測方法檢測各光梳脈沖之間的時間延時抖動，并將該抖動信號經(jīng)過電路濾波放大后，反饋控制延時光路中的壓電陶瓷器，實現(xiàn)對各路光脈沖時間延時的精密控制，使得倍頻后的綠光脈沖在相干合成過程中始終保持時間重合；⑶、利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生波長為525 535nm的倍頻綠光，根據(jù)每臺摻鐿光學(xué)頻率梳自身的中心波長特性，選擇對該波長具有最佳相位匹配角的倍頻晶體；⑷、各路倍頻脈沖在相對載波包絡(luò)相位精密鎖定和時間精確同步的條件下，通過多波長波分復(fù)用器進行多路脈沖的相干合成，獲得具有寬度光譜特性的綠光光梳輸出。如上所述光學(xué)頻率梳為重復(fù)頻率和脈沖載波包絡(luò)相位零頻同時被精密鎖定的鎖模激光器。如上所述頻率標準器為一個穩(wěn)頻的連續(xù)激光器。如上所述頻率標準器為一個射頻原子鐘。如上所述光學(xué)倍頻是指利用非線性晶體中的二階非線性效應(yīng)，對入射光的光頻率 進行倍頻，進而產(chǎn)生頻率為2o的倍頻光。如上所述非線性晶體為偏硼酸鋇晶體。如上所述非線性晶體為周期性極化鈮酸鋰晶體。利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生波長為532nm的倍頻綠光。本發(fā)明的有益效果是I、綠光的時頻域控制精度高；方法中采用了載波包絡(luò)相位的反饋控制技術(shù)和相位噪聲實時補償技術(shù)，解決了相位零頻快變和慢變的問題，有效抑制了功率放大和脈寬壓縮過程中的附加相位噪聲。2、采用時間-頻率特性穩(wěn)定的光梳光源倍頻產(chǎn)生綠光，并在此基礎(chǔ)上進行綠光的相干合成，提高了綠光平均功率的同時增強了綠光亮度。3、本發(fā)明采用了多束綠光相干合成的方式，實現(xiàn)了多波長綠光脈沖的光譜合成，并最終獲得一束寬帶綠光輸出，解決了單束激光倍頻光譜較窄的問題。4、本發(fā)明中針對每路高功率光梳脈沖進行獨立的倍頻過程，可以針對每路光的特定波長選擇合適的倍頻晶體，從而實現(xiàn)高效率的激光倍頻。5、可以較好地與目前發(fā)展成熟的光纖放大技術(shù)相結(jié)合，利用雙包層光纖放大方法的優(yōu)勢，有效提高倍頻光的效率和綠光脈沖的平均功率。6、克服了非線性倍頻和光脈沖放大過程對脈沖光譜的窄化作用，通過一種新的光譜相干合成方式實現(xiàn)了寬帶綠光光源。7、穩(wěn)定的綠光光梳脈沖輸出，可以作為獨立光源并通過一種相干網(wǎng)絡(luò)合成的方式進一步將多個綠光光源合成為更高功率的綠光輸出。8、可以拓展新的光譜范圍，進一步實現(xiàn)高功率的寬帶藍光和紫外光梳光源。

圖1為脈沖相干合成產(chǎn)生寬帶綠光光梳的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為聞功率光梳的種子源不意圖；圖3為載波包絡(luò)相位零頻控制與相位噪聲預(yù)補償式放大的裝置示意圖；圖4為壓縮器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為多路脈沖延時控制方法示意圖； 圖6為互相關(guān)脈沖時間抖動的測量裝置示意圖；圖7為光學(xué)倍頻裝置示意圖；圖8為偏振合束的裝置示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述如圖1至圖8所示，一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，⑴、將多臺摻鐿光學(xué)頻率梳鎖定在同一個頻率標準上，每臺摻鐿光學(xué)頻率梳具有相同的脈沖重復(fù)頻率frl=fr2=…=frn,和相同的脈沖載波包絡(luò)相位零頻f01=f02=…=f0n ；⑵、采用平衡式光學(xué)互相關(guān)探測方法檢測各光梳脈沖之間的時間延時抖動，并將該抖動信號經(jīng)過電路濾波放大后，反饋控制延時光路中的壓電陶瓷器，實現(xiàn)對各路光脈沖時間延時的精密控制，使得倍頻后的綠光脈沖在相干合成過程中始終保持時間重合；⑶、利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生525 535nm的倍頻綠光，根據(jù)每臺摻鐿光學(xué)頻率梳自身的中心波長特性，選擇對該波長具有最佳相位匹配角的倍頻晶體；⑷、各路倍頻脈沖在相對載波包絡(luò)相位精密鎖定和時間精確同步的條件下，通過多波長波分復(fù)用器進行多路脈沖的相干合成，獲得具有寬度光譜特性的綠光光梳輸出。如圖1所示,在本實施例中，所述光學(xué)頻率梳為重復(fù)頻率和脈沖載波包絡(luò)相位零頻同時被精密鎖定的鎖模激光器。如圖2所示，在本實施例中，所述頻率標準為一個穩(wěn)頻的連續(xù)激光器，作為本發(fā)明的另一種實施方式，所述頻率標準為一個射頻原子鐘。如圖7所示，在本實施例中，所述光學(xué)倍頻是指利用非線性晶體中的二階非線性效應(yīng)，對入射光的光頻率《進行倍頻，進而產(chǎn)生頻率為2 的倍頻光。在本實施例中，所述非線性晶體為偏硼酸鋇晶體，作為本發(fā)明的另一種實施方式，所述非線性晶體為亦可以為周期性極化鈮酸鋰晶體。在本實施例中，利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生波長優(yōu)選為532nm的倍頻綠光。如圖2所示，方案采用摻鐿光纖激光器205作為高功率光梳的種子源，激光脈沖由一個環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的摻鐿光纖激光器205產(chǎn)生，通過調(diào)整兩個偏振控制器207可以實現(xiàn)激光器的鎖模，耦合器206輸出的脈沖用于激光器重復(fù)頻率的監(jiān)測，經(jīng)探測器209后與一個標準頻率在混頻器中混頻產(chǎn)生誤差信號，并經(jīng)過低通濾波器201和低頻放大器202后用于控制激光腔內(nèi)的壓電陶瓷，壓電陶瓷PZT203上纏繞了光纖，通過PZT203的伸縮可以改變光纖的長度，從而實現(xiàn)對激光腔長反饋控制和脈沖重復(fù)頻率的鎖定。如圖2、3所示，載波包絡(luò)相位零頻控制與相位噪聲預(yù)補償式放大的實現(xiàn)，放大方法的輸出光經(jīng)過半透半反鏡BS303后與穩(wěn)頻連續(xù)激光CW空間重合，并在探測器D301和D302上產(chǎn)生拍頻信號f0，級聯(lián)放大方法采用兩個或者兩個以上的摻鐿雙包層光纖放大器首尾連接而成，其中每個放大器之間放置一個光隔離器208用于防止后繼放大器的反向傳輸光對前級放大器和振蕩器的破壞，其中，各級放大器均由保偏光纖構(gòu)成，其目的在于確保放大過程中脈沖的偏振態(tài)保持不變。如圖3、圖4所示，放大后的光脈沖經(jīng)過一個脈沖壓縮器E，實現(xiàn)對色散補償與脈寬壓縮，壓縮器采用兩個透射式光柵，通過調(diào)整兩個光柵402之間的距離可以實現(xiàn)對合束后脈沖的有效壓縮，振蕩器A產(chǎn)生的種子光經(jīng)過驅(qū)動頻率為fx的聲光頻移器B后，其一級衍射光被頻移fx，并被送入級聯(lián)放大方法進行功率放大；然后放大輸出光經(jīng)過1:99的分束片后，1%的光被送入零頻探測方法并產(chǎn)生的拍頻信號f0，其中，探測器D-1產(chǎn)生的拍頻信號經(jīng)過電路濾波放大后，用于驅(qū)動聲光頻移器，即使得fx=f0，這樣整個方法的輸出光將會被頻移_f0，從而輸出載波包絡(luò)相位頻率為0的脈沖序列，其結(jié)果相當于對零頻快變量的精確鎖定，同時，探測器D-2產(chǎn)生的拍頻信號經(jīng)過電路濾波放大后用于調(diào)制振蕩器泵浦源G的電流，進而達到調(diào)制泵浦光功率，實現(xiàn)對脈沖載波包絡(luò)相位零頻慢漂量的精確鎖定。如圖5所示，每一路高功率光梳脈沖，經(jīng)過一個1:99的分束片后，其中1%用于互相關(guān)時間抖動測量，產(chǎn)生誤差信號At ;其余99%的光經(jīng)過一個延時控制器后用于脈沖倍頻與合束，延時器中的反射鏡對M-2放置在一個壓電陶瓷PZT503控制的平臺上，通過將誤差信號At反饋控制PZT506，可以實時控制脈沖相對延時，進而達到使合束脈沖時間精確重合的目的，方案采用平衡式光學(xué)互相關(guān)探測方法實現(xiàn)對多路脈沖之間的時間抖動進行精密測量。如圖6所不，方案中，參考光與放大光偏振方向互相垂直，并通過偏振分束器PBS601合為一路，通過雙色鏡604和透鏡606聚焦在第II類相位匹配的PPKTP晶體607中，并在晶體兩端產(chǎn)生倍頻信號，將這兩個倍頻信號經(jīng)過探測器605后，由一個差分放大器609求差即可得到互相關(guān)輸出信號，通過調(diào)節(jié)反射鏡的位置，可以改變兩輸入脈沖的初始位置，從而可以保證在一定相對時延范圍內(nèi)，平衡互相關(guān)器輸出的倍頻信號近似正比于時間抖動大小，其中參考光為高功率光梳-1的輸出；待測光為高功率光梳-X的輸出光，X代表2，3, n,如圖7所示，將入射光通過焦距為50mm的透鏡701聚焦于一塊倍頻晶體BB0702上，其在二階非線性效應(yīng)作用下將會產(chǎn)生入射光的倍頻光，即532nm附近的綠光，然后通過一個相同焦距的透鏡703將發(fā)散光整形為平行光，并通過一塊低通濾波，704濾去近紅外光，僅使綠光通過。如圖8所不,倍頻光-1與倍頻光-2經(jīng)過一個偏振分束器802合成一束光,其中每路倍頻光中放置一個二分之一波片，可以用于調(diào)整倍頻光的偏振態(tài)，使它們彼此偏振態(tài)相互垂直，其結(jié)果是，倍頻光-1可以透過偏振分束器PBS，而倍頻光-2從PBS另一端入射后，近1/4波片、反射鏡、1/4波片轉(zhuǎn)成水平光，并被PBS反射，進而實現(xiàn)與倍頻光-1的空間重合，利用該方法將倍頻光-1和2的合束光與倍頻光-3以相同方式合束，并依此類推可以實現(xiàn)n束光的偏振合束。
權(quán)利要求
1.一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于 (1)、將多臺摻鐿光學(xué)頻率梳鎖定在同一個頻率標準器上，每臺摻鐿光學(xué)頻率梳具有相同的脈沖重復(fù)頻率frl=fr2=…=frn,和相同的脈沖載波包絡(luò)相位零頻f01=f02=…=fOn ； ⑵、采用平衡式光學(xué)互相關(guān)探測方法檢測各光梳脈沖之間的時間延時抖動，并將該抖動信號經(jīng)過電路濾波放大后，反饋控制延時光路中的壓電陶瓷器，實現(xiàn)對各路光脈沖時間延時的精密控制，使得倍頻后的綠光脈沖在相干合成過程中始終保持時間重合； ⑶、利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生波長為525 535nm的倍頻綠光，根據(jù)每臺摻鐿光學(xué)頻率梳自身的中心波長特性，選擇對該波長具有最佳相位匹配角的倍頻晶體； ⑷、各路倍頻脈沖在相對載波包絡(luò)相位精密鎖定和時間精確同步的條件下，通過多波長波分復(fù)用器進行多路脈沖的相干合成，獲得具有寬度光譜特性的綠光光梳輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于所述光學(xué)頻率梳為重復(fù)頻率和脈沖載波包絡(luò)相位零頻同時被精密鎖定的鎖模激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于所述頻率標準器為一個穩(wěn)頻的連續(xù)激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于所述頻率標準器為一個射頻原子鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于所述光學(xué)倍頻是指利用非線性晶體中的二階非線性效應(yīng)，對入射光的光頻率ω進行倍頻，進而產(chǎn)生頻率為2ω的倍頻光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于所述非線性晶體為偏硼酸鋇晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于所述非線性晶體為周期性極化鈮酸鋰晶體。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生波長為532nm的倍頻綠光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種獲得高功率寬帶綠光光學(xué)頻率梳的方法，包括⑴、將多臺摻鐿光學(xué)頻率梳鎖定在同一個頻率標準器上；⑵、采用平衡式光學(xué)互相關(guān)探測方法檢測各光梳脈沖之間的時間延時抖動，使得倍頻后的綠光脈沖在相干合成過程中始終保持時間重合；⑶、利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學(xué)頻率梳的輸出脈沖進行光學(xué)倍頻，產(chǎn)生波長為525～535nm的倍頻綠光；⑷、通過多波長波分復(fù)用器進行多路脈沖的相干合成，獲得具有寬度光譜特性的綠光光梳輸出，該方法克服了傳統(tǒng)綠光產(chǎn)生技術(shù)中的光譜窄、脈沖功率低、時頻特性難以控制等問題，提高了綠光平均功率，增強了綠光亮度，提高了倍頻光的效率和綠光脈沖的平均功率。
文檔編號H01S3/109GK102981345SQ201210506360
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 閆明 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司