本發(fā)明涉及光學(xué)-微波頻率精密傳遞、光學(xué)儀器制造領(lǐng)域，特別涉及一種小型化的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳發(fā)生器的光學(xué)裝置。

二、

背景技術(shù)：

光學(xué)頻率梳狀發(fā)生器(以下簡(jiǎn)稱光梳)是飛秒激光技術(shù)與激光頻率精密控制技術(shù)完美結(jié)合的結(jié)晶，它使得人類在微波頻率與光學(xué)頻率之間構(gòu)建了簡(jiǎn)單而精密的橋梁，光學(xué)頻率梳狀發(fā)生器的發(fā)明在光學(xué)精密測(cè)量與光學(xué)頻率與微波頻率精密傳遞領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的重大突破，為此2005年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了這項(xiàng)技術(shù)的主要發(fā)明人：德國(guó)科學(xué)家漢斯()與美國(guó)科學(xué)家江皓(J.Hall)。光梳技術(shù)的發(fā)展對(duì)許多應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)研究諸如時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞、精密光譜學(xué)研究、光鐘波長(zhǎng)測(cè)量及頻率轉(zhuǎn)換、物理常數(shù)(精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)、電子-質(zhì)子質(zhì)量比)的精確測(cè)定及基本物理定律的驗(yàn)證、阿秒脈沖產(chǎn)生、系外行星的探測(cè)、極紫外光梳的產(chǎn)生等方面發(fā)揮著重要作用。特別是隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖激光器的光學(xué)頻率梳(以下簡(jiǎn)稱光纖光梳)以其光束質(zhì)量好，體積小，重量輕，易集成，簡(jiǎn)單易操作，運(yùn)行成本低，可在工業(yè)環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)成為了目前光梳技術(shù)的主流。

在現(xiàn)有的光纖光學(xué)頻率梳技術(shù)中，種子鎖模激光的質(zhì)量直接決定了光纖光梳的最終性能，目前，光纖激光鎖模的方法很多，比如半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)鎖模、光纖環(huán)形鏡“8字型”鎖模、光纖放大環(huán)形鏡“9字型”鎖模等。其中，光纖環(huán)形鏡及光纖放大環(huán)形鏡鎖模具有較小的體積及較低的價(jià)格，但是此類鎖模激光的缺點(diǎn)是諧振腔的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍的頻率調(diào)諧；SESAM鎖模雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍腔長(zhǎng)的調(diào)諧，但是其慢飽和的鎖模機(jī)制以 及核心材料易損壞的特性限制了其進(jìn)一步的發(fā)展及應(yīng)用。在此基礎(chǔ)之上，發(fā)展起來(lái)的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPE)鎖模激光，憑借快飽和機(jī)制、高輸出功率、大范圍的腔長(zhǎng)調(diào)諧特性，構(gòu)成了目前光纖光學(xué)頻率梳的重要組成單元。然而，市場(chǎng)上的偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光為了保證腔長(zhǎng)的靈活可調(diào)特性，多采用大量的自由空間光路，一方面，使得光學(xué)頻率梳整機(jī)系統(tǒng)體積較大，鎖模激光的重復(fù)頻率無(wú)法提高；另一方面，大量自由光路光學(xué)元器件的使用降低了鎖模激光的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此，迫切需要改進(jìn)現(xiàn)有的非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光光路結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)在保留腔長(zhǎng)調(diào)諧的基礎(chǔ)上，具有較小的體積及優(yōu)異的長(zhǎng)期工作特性。

目前，國(guó)際上的光學(xué)頻率梳整機(jī)系統(tǒng)，采用的是分立的光路結(jié)構(gòu)，例如，獨(dú)立的鎖模種子激光單元以及獨(dú)立的初始頻率探測(cè)鎖定單元，未能將整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效地整合，整體的尺寸結(jié)構(gòu)偏大，不能滿足一些生物醫(yī)療現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)可搬運(yùn)便攜特性的需求，這些不足都限制了光學(xué)頻率梳更加廣泛的應(yīng)用。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(1)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小型化的光學(xué)頻率梳發(fā)生器裝置，該裝置通過(guò)在光纖光梳諧振腔中的波導(dǎo)型電光晶體實(shí)現(xiàn)腔長(zhǎng)的微調(diào)，進(jìn)而對(duì)重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，由于自由空間光路有限，結(jié)合高增益的摻鉺光纖，光梳的重復(fù)頻率可以很高；通過(guò)將光學(xué)頻率梳的各個(gè)組成部分進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)的整體尺寸，并提高光學(xué)頻率梳的頻率穩(wěn)定性。

(2)技術(shù)方案：

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：所述的光纖光學(xué)頻率梳裝置，其特征在于，它包括：鎖模激光產(chǎn)生模塊100、重復(fù)頻率/初始頻率探測(cè)模塊200以及耦合輸出模塊300。

所述鎖模激光產(chǎn)生模塊100，其特征在于由通過(guò)單模光纖依次連接的泵浦光源101、波分復(fù)用器102、增益光纖103、光纖偏振態(tài)控制器104、光纖隔離器105、波導(dǎo)型電光晶體調(diào)制器106、1×2光纖耦合器107、光纖隔離器108及1×2光纖耦合器109構(gòu)成。所述泵浦光源101的輸出端與波分復(fù)用器102的980nm復(fù)用輸入端相連，波分復(fù)用器102的輸出端連接至增益光纖103的輸入端，實(shí)現(xiàn)光放大，增益光纖103的輸出端連接至光纖偏振態(tài)控制器104，實(shí)現(xiàn)光束偏振態(tài)的調(diào)節(jié)，光纖偏振態(tài)控制器104的輸出端連接至光纖隔離器105，提供光束的單向傳播并保證光脈沖的峰值功率位置能夠通過(guò)，光纖隔離器105的輸出端與波導(dǎo)型電光晶體106的輸入端相連，利用晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光程的改變，電光晶體106的輸出端與1×2光纖耦合器107的輸入端相連，兩個(gè)輸出端中其中一路連接至波分復(fù)用器102的1550nm復(fù)用輸入端，構(gòu)成光纖環(huán)形腔；另外一路與光纖隔離器108的輸入端相連，抑制后向傳輸光對(duì)種子光源的影響，光纖隔離器108的輸出端連接至1×2光纖耦合器109的輸入端，其兩路輸出端作為鎖模激光產(chǎn)生模塊的兩路輸出。

所述1×2耦合器107的兩路輸出端的功率分配為30∶70。

所述重復(fù)頻率/初始頻率探測(cè)模塊200，其特征在于：由光纖偏振態(tài)控制器201、增益光纖202、泵浦光源203、波分復(fù)用器204、高非線性光纖205、光纖準(zhǔn)直器206、四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透鏡209、周期性極化鈮酸鋰晶體210、聚焦透鏡211、平面反射鏡212、濾光片213及光電探測(cè)器214構(gòu)成。1×2光纖耦合器109的一路輸出端連接至光纖偏振態(tài)控制器201，提供光束的偏振態(tài)調(diào)節(jié)，光纖偏振態(tài)控制器201的輸出端與增益光纖202的輸入端相連，提供光功率的放大，增益光纖202的另一端及泵浦光源203的輸出端分別連接至波分復(fù)用器204的1550nm及980nm復(fù)用輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)增益光纖 202的反向光泵浦，波分復(fù)用器204的復(fù)用輸出端連接至高非線性光纖205，利用其高階非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光譜的展寬，獲得倍頻程光譜，高非線性光纖205的輸出端與光纖準(zhǔn)直器206的輸入端相連，光束由光纖耦合至自由空間并準(zhǔn)直輸出，在光纖準(zhǔn)直器206的透射光路上放置依次放置四分之一波片207及二分之一波片208，實(shí)現(xiàn)光束偏振態(tài)的調(diào)節(jié)，所述聚焦透鏡209將光束聚焦至周期性極化鈮酸鋰晶體210，對(duì)位于長(zhǎng)波端的光譜成分進(jìn)行倍頻，所述聚焦透鏡211將聚焦光束準(zhǔn)直輸出，所述平面反射鏡212用于調(diào)節(jié)光束的方向，光束經(jīng)反射后透過(guò)濾光片213由光電探測(cè)器214接收，濾光片能夠通過(guò)光束的光譜成分中短波分量，使得原始的光譜成分中的短波成分以及長(zhǎng)波部分的倍頻光能夠入射至光電探測(cè)器214進(jìn)行拍頻，獲得重復(fù)頻率及初始頻率信號(hào)。

所述周期性極化鈮酸鋰晶體210，長(zhǎng)度為20mm，其工作中心波長(zhǎng)為2200nm，倍頻光的輸出的波長(zhǎng)為1100nm。

所述耦合輸出模塊300，其特征在于，包括：光纖偏振態(tài)控制器301、增益光纖302、泵浦光源303、波分復(fù)用器304及光纖準(zhǔn)直器305。1×2光纖耦合器109的一路輸入端連接至光纖偏振態(tài)控制器301，提供光束的偏振態(tài)調(diào)節(jié)，光纖偏振態(tài)控制器301的輸出端與增益光纖302的輸入端相連，提供光功率的放大，增益光纖302的另一端及泵浦光源303的輸出端分別連接至波分復(fù)用器304的1550nm及980nm復(fù)用輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)增益光纖302的反向光泵浦，波分復(fù)用器304的復(fù)用輸出端連接至光纖準(zhǔn)直器305，將光纖中的光束耦合至自由空間實(shí)現(xiàn)1560nm光學(xué)頻率梳的輸出。

(3)技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)利用波導(dǎo)型電光調(diào)制器的電光效應(yīng)，可用于微調(diào)諧振腔的腔長(zhǎng)，將頻率梳 的重復(fù)頻率鎖定至標(biāo)準(zhǔn)的微波源，波導(dǎo)型電光調(diào)制器的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓小，功耗低，調(diào)制帶寬廣，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率的快速鎖定，鎖定后的重復(fù)頻率抖動(dòng)優(yōu)于0.5mHz。

2)飛秒光學(xué)頻率梳的鎖模種子激光采用波導(dǎo)型電光晶體，自由空間光路元件少，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)合諧振腔的精密控溫，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳的長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3)將光學(xué)頻率梳的種子鎖模激光、重復(fù)頻率/初始頻率探測(cè)及耦合輸出部分進(jìn)行光路集成，具有體積小、集成度高、控制方便，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可為1560nm波段的分子及原子精密光譜測(cè)量、大尺寸絕對(duì)距離測(cè)量以及頻率標(biāo)準(zhǔn)建立發(fā)揮著重要作用。

四、附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的光路機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明獲得的初始頻率信號(hào)及重復(fù)頻率信號(hào)的頻譜圖

五、具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解：

如圖1-3：圖中標(biāo)記100-300分別為：鎖模激光產(chǎn)生模塊100、重復(fù)頻率/初始頻率探測(cè)模塊200以及耦合輸出模塊300，圖中標(biāo)記101-305分別為：980nm泵浦激光源101、980nm/1550nm波分復(fù)用器102、增益光纖103、光纖偏振態(tài)控制器104、光纖隔離器105、波導(dǎo)型電光調(diào)制器106、1×2光纖耦合器107、光纖隔離器108、1×2光纖耦合器109、光纖偏振態(tài)控制器201、增益光纖202、980nm泵浦激光源203、980nm/1550nm波分復(fù)用器204、高非線性光纖205、光 纖準(zhǔn)直器206、四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透鏡209、周期性極化鈮酸鋰晶體210、聚焦透鏡211、平面反射鏡212、濾光片213、光電探測(cè)器214、光纖偏振態(tài)控制器301、增益光纖302、980nm泵浦光源303、980nm/1550nm波分復(fù)用器304、光纖準(zhǔn)直器305。

實(shí)施例一：如圖1、2所示，本實(shí)施例具體涉及一種一體化光路設(shè)計(jì)的摻鉺光學(xué)頻率梳狀發(fā)生器裝置，該裝置包括鎖模激光產(chǎn)生模塊100、重復(fù)頻率/初始頻率探測(cè)模塊200以及耦合輸出模塊300，鎖模激光產(chǎn)生模塊100具有兩路輸出端，其中一路輸出端與重復(fù)頻率/初始頻率探測(cè)模塊的輸入端相連；另外一路輸出端與耦合輸出模塊相連，作為光學(xué)頻率梳的自由空間輸出以供人們使用。

如圖1所示，980nm泵浦光源101的輸出端與980nm/1550nm波分復(fù)用器102的980nm復(fù)用輸入端相連，所述980nm/1550nm波分復(fù)用器102的復(fù)用輸出端經(jīng)單模光纖依次連接增益光纖103、光纖偏振態(tài)控制器104、光纖隔離器105、波導(dǎo)型電光晶體調(diào)制器106及1×2光纖耦合器107，所述1×2光纖耦合器107具有兩個(gè)輸出端：其中一路輸出端直接連接至980nm/1550nm波分復(fù)用器102的1550nm復(fù)用輸入端，形成光纖環(huán)形腔；另外一路輸出端獲得30％功率輸出通過(guò)光纖隔離器108連接至1×2光纖耦合器109的輸入端。1×2光纖耦合器109的一路輸出端通過(guò)單模光纖依次連接光纖偏振態(tài)控制器301、增益光纖302、泵浦光源303、980nm/1550nm波分復(fù)用器304及光纖準(zhǔn)直器305，實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳的輸出；1×2光纖耦合器109的另外一路輸出端通過(guò)單模光纖依次連接光纖偏振態(tài)控制器201、增益光纖202、泵浦光源203、980nm/1550nm波分復(fù)用器204、高非線性光纖205及光纖準(zhǔn)直器206，在光纖準(zhǔn)直器的透射光路上，依次放置四分之一波片207、二分之一波片208、聚焦透鏡209、周期性極化鈮酸鋰210、聚焦透鏡211、平面反射鏡212、濾光片213及光電探測(cè)器214，由光電探測(cè)器獲得光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率信號(hào)及初始頻率信號(hào)。

本發(fā)明的工作原理是這樣的：泵浦光源101輸出980nm的連續(xù)光，通過(guò)波分復(fù)用器102耦合進(jìn)入光纖環(huán)形腔對(duì)增益光纖103進(jìn)行光泵浦，進(jìn)而可以對(duì)1560nm的信號(hào)光脈沖進(jìn)行光放大，光纖偏振態(tài)控制器104可以對(duì)光纖中傳輸?shù)? 光束的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保光脈沖的峰值功率位置能夠通過(guò)光纖隔離器105，抑制兩翼的光功率，實(shí)現(xiàn)光脈沖的窄化，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激光鎖模。波導(dǎo)型電光晶體106具有很高的電光系數(shù)，通過(guò)對(duì)其施加電壓可以進(jìn)行等效光程的控制，進(jìn)而對(duì)鎖模激光的重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧。1×2光纖耦合器107的輸出端提供70％的光脈沖功率耦合進(jìn)入波分復(fù)用器102，形成鎖模種子激光的光纖環(huán)形腔，提供穩(wěn)定的激光鎖模機(jī)制；1×2光纖耦合器107同時(shí)輸出30％的光功率用于后級(jí)輸出，其輸出光束由光纖隔離器108抑制后向傳輸?shù)墓馐鴮?duì)鎖模種子激光的影響，進(jìn)入1×2光纖耦合器109，其輸出分為獨(dú)立的兩個(gè)分支，其中一個(gè)分支用于探測(cè)鎖模激光的重復(fù)頻率及初始頻率，進(jìn)而可以將這兩個(gè)頻率成分鎖定至標(biāo)準(zhǔn)的微波頻率源，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的摻鉺光學(xué)頻率梳；另外一個(gè)分支，經(jīng)過(guò)光纖偏振態(tài)控制器301對(duì)輸出光束的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)整，由泵浦光源303泵浦的增益光纖302對(duì)光束進(jìn)行光放大，放大后的光束由光纖準(zhǔn)直器305耦合至自由空間進(jìn)行輸出，通過(guò)控制泵浦光源303的功率可以靈活地根據(jù)需要調(diào)節(jié)光學(xué)頻率梳的輸出功率。

在重復(fù)頻率及初始頻率的探測(cè)分支中，鎖模激光首先經(jīng)過(guò)光纖偏振態(tài)控制器201對(duì)其偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，泵浦光源203由波分復(fù)用器204耦合入光路對(duì)增益光纖202進(jìn)行后向光泵浦，完成鎖模激光的光功率放大，放大后的鎖模激光激發(fā)高非線性光纖205的非線性效應(yīng)獲得倍頻程光譜(1030nm～2500nm)，擴(kuò)譜后的鎖模激光由光纖準(zhǔn)直器206耦合至自由空間輸出，在光纖準(zhǔn)直器206的透射光路中，首先由四分之一波片207和二分之一波片208實(shí)現(xiàn)光束偏振態(tài)的調(diào)節(jié)，保證光束的偏振特性與周期性極化鈮酸鋰晶體210的倍頻特性相匹配，并由聚焦透鏡209將光斑尺寸壓縮至約100μm，聚焦至周期性極化鈮酸鋰晶體210上，獲得非常高的功率密度，鎖模激光位于長(zhǎng)波段的光譜成分(～2100nm)經(jīng)過(guò)倍頻后波長(zhǎng)變?yōu)?050nm，進(jìn)而由聚焦透鏡211準(zhǔn)直輸出，兩個(gè)平面反射鏡212用于微調(diào)光束的傳播方向，213濾光片的作用是濾出光束中1050nm的光譜成分，于是2100nm光束的倍頻光(150nm)可以與鎖模激光中原先位于1050nm的光譜成分在光電探測(cè)器214的光敏面相遇，進(jìn)行拍頻探測(cè)，同時(shí)獲得鎖模激光的 重復(fù)頻率及初始頻率。

如圖2所示，為本發(fā)明小型化的光纖光學(xué)頻率梳狀發(fā)生器的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，鎖模激光產(chǎn)生模塊100采用單獨(dú)的物理封裝單元，固定各光學(xué)器件的底板110采用純銅材質(zhì)，四周的側(cè)面板的內(nèi)外表面111均采用為黑色磨砂塑料，側(cè)面板的中間隔層112為絕緣特氟龍材料，這種特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使得鎖模激光產(chǎn)生模塊100具有很好的物理絕熱功能，在實(shí)際使用中可以很方便的進(jìn)行精密恒溫控制，保證了光學(xué)頻率梳的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。3路泵浦光源101、203及303分別通過(guò)導(dǎo)熱硅脂113依次固定在激光管座114及整機(jī)系統(tǒng)的底座115上，激光管座采用純銅材料，有利于大功率泵浦光源的散熱并進(jìn)行精密的恒溫控制，研制出的光學(xué)頻率梳裝置的總體積為380mm×380mm×140mm。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了1560nm的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳，并由光電探測(cè)器獲得的光纖光梳的重復(fù)頻率f_r及初始頻率f_ceo，初始頻率信號(hào)的信噪比為45dB，重復(fù)頻率信號(hào)的信噪比為75dB，滿足頻率鎖定的要求(大于30dB)。

本發(fā)明相對(duì)目前市場(chǎng)上的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)傳統(tǒng)的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳均采用電動(dòng)平移臺(tái)結(jié)合壓電陶瓷的方式進(jìn)行重復(fù)頻率的調(diào)諧，由于腔長(zhǎng)在改變的過(guò)程中存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)論是重復(fù)頻率的穩(wěn)頻或是掃描，系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬一般在kHz量級(jí)，而且往往需要高壓大功率的驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明中采用波導(dǎo)型電光晶體，驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小，大大簡(jiǎn)化了光學(xué)頻率梳電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于伺服帶寬可達(dá)10GHz，能夠獲得更優(yōu)異的短期頻率穩(wěn)定度。

2)本發(fā)明針對(duì)飛秒光學(xué)頻率梳的種子鎖模激光，提出了特殊的物理機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合精密的恒溫控制，使得研制的光學(xué)頻率梳具有很好的可靠性及重復(fù)性。

本發(fā)明制作的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳狀發(fā)生器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可以提供1560nm附近的精密光頻標(biāo)準(zhǔn)，作為高精度的波長(zhǎng)計(jì)使用，由于整機(jī)系統(tǒng)尺寸小，指標(biāo)出色，具有很好的應(yīng)用前景。