基于自相似放大器的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超快光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自相似放大器的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]時(shí)-頻域精密控制的飛秒光學(xué)頻率梳是精密光譜、精密測(cè)量以及相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)飛躍，是提高了頻譜測(cè)量精度，發(fā)展比原子微波鐘更精確的時(shí)間/頻率標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)革新，同時(shí)作為一種有別于傳統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)頻激光的特殊激光光源，在激光頻率標(biāo)尺、絕對(duì)距離測(cè)量和精密光譜測(cè)量等光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)光頻率合成和物理常量的精確測(cè)定有重大意義。
[0003]飛秒光學(xué)頻率梳傳統(tǒng)上主要依靠鈦寶石激光振蕩器完成。但鈦寶石激光振蕩器體積龐大、不易維修、環(huán)境要求高、造價(jià)昂貴，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。同時(shí)，傳統(tǒng)鈦寶石激光振蕩器輸出功率在瓦量級(jí)，這很大程度地限制了光梳技術(shù)的應(yīng)用范圍。由于光纖技術(shù)和大模場(chǎng)光子晶體光纖放大技術(shù)的不斷發(fā)展使得人們將實(shí)現(xiàn)高功率光學(xué)頻率梳的重任從固體激光器擴(kuò)展到了光纖激光器上。光纖激光器具有體積小、重量輕、易集成、免維護(hù)、風(fēng)冷卻、操作簡(jiǎn)易、運(yùn)行成本低、穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)勢(shì)。
[0004]光纖光學(xué)頻率梳通過(guò)鎖定飛秒鎖模激光的重復(fù)頻率和載波包絡(luò)位相偏置頻率得至IJ。而基于大模場(chǎng)光子晶體光纖的功率放大是探測(cè)載波包絡(luò)位相偏置頻率和飛秒光學(xué)頻率梳鎖定的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)上采用的光纖啁啾級(jí)聯(lián)脈沖放大技術(shù)利用光纖中的色散效應(yīng)對(duì)種子光的脈沖寬度進(jìn)行時(shí)域的展寬，降低脈沖峰值功率然后進(jìn)行光纖級(jí)聯(lián)放大，在實(shí)現(xiàn)功率放大的同時(shí)達(dá)到減少非線性效應(yīng)的目的。
[0005]然而啁啾級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)也存在諸多的不足，限制著光學(xué)頻率梳向?qū)捁庾V、高精度等方向的發(fā)展。首先，增益光纖自身存在的增益窄化效應(yīng)在級(jí)聯(lián)放大中會(huì)明顯減少脈沖激光的光譜成分，減小脈沖的極限脈寬，影響載波包絡(luò)位相偏置頻率的探測(cè)信噪比，從而限制光學(xué)頻率梳的鎖定精度及光譜寬帶。其次，啁啾級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)往往需要較長(zhǎng)光纖在時(shí)域上對(duì)脈沖展寬，這將引入大量高階色散和非線性噪聲，不易補(bǔ)償，導(dǎo)致脈沖的失真，影響光學(xué)頻率梳的高精度鎖定。另一方面，基于栗浦電流反饋控制的傳統(tǒng)載波包絡(luò)位相鎖定技術(shù)存在帶寬窄、控制范圍有限和反應(yīng)速度較慢的特點(diǎn)，這些不足都限制著飛秒光學(xué)頻率梳更廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于自相似放大器的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳裝置，該光學(xué)頻率梳裝置通過(guò)采用基于自相似放大技術(shù)的脈沖放大及控制模塊，有效克服脈沖放大中的增益窄化、寬帶受限以及非線性相位畸變。
[0007]本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:
一種基于自相似放大器的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳裝置，其特征在于所述光學(xué)頻率梳裝置包括激光器種子源、脈沖放大及控制模塊、重復(fù)頻率鎖定模塊、載波包絡(luò)相位零頻信號(hào)測(cè)量模塊以及載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊，所述激光器種子源依次連接所述脈沖放大及控制模塊以及所述載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊，所述脈沖放大及控制模塊輸出端經(jīng)所述重復(fù)頻率鎖定模塊與所述激光器種子源連接形成后向閉環(huán)腔，所述脈沖放大及控制模塊輸出端經(jīng)所述載波包絡(luò)相位零頻信號(hào)測(cè)量模塊與所述載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊連接形成前向閉環(huán)腔。
[0008]所述脈沖放大及控制模塊由脈沖預(yù)放子模塊、啁啾管理子模塊、自相似主放子模塊和脈沖壓縮子模塊組成，各子模塊在光路上依次連接。
[0009]所述脈沖預(yù)防子模塊由光纖隔離器、波分復(fù)用器、光纖栗浦源和增益光纖組成，所述光纖隔離器、波分復(fù)用器以及增益光纖在光路上依次連接，所述光纖栗浦源連接所述波分復(fù)用器的短波輸入端。
[0010]所述啁啾管理子模塊和所述脈沖壓縮子模塊均由基于光柵對(duì)或者棱鏡對(duì)的色散補(bǔ)償裝置構(gòu)成。
[0011]所述自相似主放子模塊由基于大模場(chǎng)光子晶體光纖的放大裝置組成。
[0012]所述重復(fù)頻率鎖定模塊包括光電探測(cè)器、頻率標(biāo)準(zhǔn)源、混頻器以及誤差信號(hào)處理模塊，所述光電探測(cè)器、所述混頻器以及所述誤差信號(hào)處理模塊依次連接，所述頻率標(biāo)準(zhǔn)源同所述混頻器連接。
[0013]所述載波包絡(luò)相位零頻信號(hào)測(cè)量模塊由基于光子晶體光纖的共線或非共線拍頻結(jié)構(gòu)組成。
[0014]所述載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊由基于聲光晶體移頻器的載波包絡(luò)相位零頻控制裝置組成。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(I)基于自相似放大技術(shù)，適用于多種鎖模方式產(chǎn)生脈沖的放大，能夠?qū)崿F(xiàn)基于多種鎖模機(jī)制的光學(xué)頻率梳；
⑵基于自相似放大技術(shù)，啁啾管理子模塊優(yōu)化后的脈沖在非線性相移、光纖增益和光纖色散等效應(yīng)作用下，光譜有效展寬，引入的線性啁啾能有效補(bǔ)償壓縮，相比傳統(tǒng)光纖啁啾級(jí)聯(lián)脈沖放大技術(shù)，相同功率下輸出脈沖寬度更窄，鎖定的飛秒光學(xué)頻率梳光譜范圍更寬，鎖定精度更高；
(3)基于自相似放大技術(shù)，無(wú)需使用大量光纖展寬脈沖寬度來(lái)減小脈沖峰值功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效利用放大中的非線性效應(yīng)；
(4)基于自相似放大技術(shù)，提高輸出功率，縮短脈沖寬度，獲得高功率飛秒脈沖，有利于非線性頻率轉(zhuǎn)換拓展到短波段，獲得短波段高功率飛秒光學(xué)頻率梳；
(5)基于自相似放大技術(shù)的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳，適用于I微米和1.5微米波段，也可以拓展到其他波段；
(6)基于聲光晶體移頻器的載波包絡(luò)相位零頻鎖定技術(shù)，具有較高的響應(yīng)帶寬和快速響應(yīng)特性，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)鎖模激光脈沖和高功率放大脈沖載波包絡(luò)相位零頻的實(shí)時(shí)控制；
(7)基于聲光晶體移頻器的載波包絡(luò)相位零頻鎖定技術(shù)，分離式控制結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)避免載波包絡(luò)相位零頻控制對(duì)激光器種子源鎖模狀態(tài)的影響；
(8)采用的放大技術(shù)適用于多種光譜范圍，因此適用于產(chǎn)生不同波段的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳，能夠滿足不同領(lǐng)域的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明中高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳裝置系統(tǒng)框圖；
圖2為本發(fā)明中基于光柵對(duì)預(yù)啁啾的反向栗浦自相似放大和非共線自參考結(jié)構(gòu)的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)不意圖；
圖3為本發(fā)明中基于光柵對(duì)預(yù)啁啾的反向栗浦自相似放大和共線結(jié)構(gòu)的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明中基于光柵對(duì)預(yù)啁啾的雙向栗浦自相似放大和非共線自參考結(jié)構(gòu)的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)不意圖；
圖5為本發(fā)明中基于棱鏡對(duì)預(yù)啁啾的雙向栗浦自相似放大和非共線自參考結(jié)構(gòu)的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]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1-5，圖中標(biāo)記100-500分別為:
激光器種子源100;
脈沖放大及控制模塊200 ；脈沖預(yù)放子模塊210、光纖隔離器211、半導(dǎo)體激光器212、波分復(fù)用器213、摻鐿增益光纖214;啁啾管理子模塊220、全反鏡221、全反鏡222、光柵對(duì)223、全反鏡224、棱鏡對(duì)235;自相似主放子模塊230、空間隔離器231、摻鐿大模場(chǎng)光子晶體光纖232、雙色鏡233、栗浦源234、雙色鏡235、栗浦源236、雙色鏡237、栗浦源238;脈沖壓縮子模塊240、全反鏡241、全反鏡242、光柵對(duì)243、全反鏡244、部分反射部分透射鏡245 ；
重復(fù)頻率鎖定模塊300、部分反射鏡301、全反鏡302、光電探測(cè)器303、混頻器304、頻率標(biāo)準(zhǔn)源305、誤差信號(hào)處理模塊306 ；
載波包絡(luò)相位零頻信號(hào)測(cè)量模塊400、耦合透鏡401、光子晶體光纖402、耦合透鏡403、雙色鏡404、BB0倍頻晶體405、全反鏡406、雙色鏡407、全反鏡408、周期性極化氧化鎂鈮酸鋰晶體409、帶通濾波片410;
載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊500、全反鏡501、全反鏡502、全反鏡503、光電倍增管504、濾波電路模塊505、放大及驅(qū)動(dòng)模塊506、聲光晶體移頻器507。
[0018]實(shí)施例1:如圖1所示，本實(shí)施例具體涉及一種基于自相似放大器的高功率超短脈沖光學(xué)頻率梳裝置，該光學(xué)頻率梳裝置包括激光器種子源100、脈沖放大及控制模塊200、重復(fù)頻率鎖定模塊300、載波包絡(luò)相位零頻信號(hào)測(cè)量模塊400以及載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊500，其中，激光器種子源100依次連接脈沖放大及控制模塊200以及載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊500;同時(shí)脈沖放大及控制模塊200的輸出端通過(guò)重復(fù)頻率鎖定模塊300與激光器種子源100連接形成后向閉環(huán)腔，脈沖放大及控制模塊200的輸出端通過(guò)載波包絡(luò)相位零頻信號(hào)測(cè)量模塊400與載波包絡(luò)相位零頻鎖定模塊500連接形成前向閉環(huán)腔。
[0019 ]激光器種子源100用于輸出鎖模脈沖，其鎖模方法可以為主動(dòng)鎖模或被動(dòng)鎖模，結(jié)構(gòu)上包含壓電陶瓷，該壓電陶瓷為空間結(jié)構(gòu)或光纖結(jié)構(gòu)，能夠反饋鎖定飛秒光