全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，主要解決了現有方法對溫度、振動敏感的問題；該光纖光梳光源引入了精調和粗調鎖頻方法，實現了光頻梳的頻率鎖定有被動轉為主動方式，大大增強了抗干擾能力，同時實現了主動跟蹤頻率可調的功能。
【專利說明】全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，屬于激光【技術領域】。

【背景技術】
[0002]對飛秒激光器進行頻率鎖定和載波相位鎖定之后，其可產生間隔、幅度、功率都非常穩定的時域超短脈沖信號，該脈沖序列具有豐富的傅里葉變換頻譜，可實現微波頻率與光學頻率的直接連接。用一臺鎖模飛秒脈沖激光器就可實現了從近紅外到可見光區域的所有光學頻率的直接絕對測量，這一成果被公認為光頻測量領域具有革命性意義的突破。基于鎖模飛秒脈沖激光技術的梳狀光學頻率發生器被認為是實現光學頻率與微波頻率傳遞的光齒輪，利用飛秒光頻梳技術的光時鐘，不但擁有豐富的頻率，而且還具有可與原子鐘媲美的頻率穩定度，其不但在測量和計量中有十分廣泛的應用，還在醫藥檢測、光譜分析、顯微成像、測距、傳感、航天器對接，外太空衛星通信、地面大尺寸高精密光學機械加工、深空探測以及醫學診斷等方面顯示出越來越多的優勢。
[0003]近年，光纖光梳由于其體積小、工作穩定、抗干擾強、成本低廉、操作相對簡單、無需專業維護、容易大規模生產等特點得到廣泛的關注。隨著科研和工程應用的不斷拓展，其工作的環境越來越復雜，已經開放的光纖光梳光源，存在以下缺陷:(I)鎖模方式主要是非線性偏振旋轉鎖模(NPR)，其對溫度和振蕩敏感；(2) —般來說重復頻率是固定，不能調節，同時鎖頻時需要外部時鐘人為調節跟蹤；(3)超連續產生為非偏振保持的，因此在獲得fceo信號時需要，需要把倍頻信號和基頻信號分開，分別調節其偏振態和空間時延，造成產生的fceo信號對振動和溫度非常敏感。


【發明內容】

[0004]本發明提供一種全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，主要解決了現有方法對溫度、振動敏感的問題；該光纖光梳光源引入了精調和粗調鎖頻方法，實現了光頻梳的頻率鎖定有被動轉為主動方式，大大增強了抗干擾能力，同時實現了主動跟蹤頻率可調的功能。
[0005]本發明的具體技術解決方案如下:
[0006]該全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源包括用于使激光器輸出脈沖的重復頻率與參考頻率精確鎖定，且獲得較高的頻率穩定度的精調鎖頻反饋回路、用于使光纖光梳光源長期處于穩定的鎖頻范圍的粗調鎖頻反饋回路、以及用于增加鎖相的捕獲能力和控制能力的穩相反饋回路；當穩頻信號發生突變時，粗調鎖頻反饋回路將突變的穩頻信號補差至精調控制的范圍，進入精調鎖頻反饋回路進行精調，再經穩相反饋回路增加鎖相的捕獲能力和控制能力后輸出；當未穩頻信號發生突變或突變范圍未超出精調控制的范圍時，直接進入精調鎖頻反饋回路進行精調。
[0007]上述精調鎖頻反饋回路包括依次串聯的光纖振蕩器、隔離器、光放大器、光電探測器、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器、PID伺服控制器和壓電陶瓷驅動，壓電陶瓷驅動再與光纖振蕩器串聯形成回路。
[0008]上述粗調鎖頻反饋回路包括依次串聯的光纖振蕩器、隔離器、光放大器、光電探測器、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器、模數轉換器、基于FPGA和DSP的程序電路、光延遲線驅動電路，光延遲線驅動電路再與光纖振蕩器串聯形成回路。
[0009]上述光纖振蕩器、隔離器、光放大器、脈沖壓縮、超連續譜產生、色散補償、f_2f頻率轉換系統、低噪光電探測器、相位探測器、拓頻電路、PID伺服控制器、激光器電流源，激光器電流源再與光纖振蕩器串聯形成回路。
[0010]上述光纖振蕩器是以光纖光柵、半導體飽和吸收體作為反射鏡面形成諧振，半導體飽和吸收體作為被動鎖模起振元件，摻雜光纖作為增益介質，插入相移器和高精度電控光延遲作為頻率精調和粗調控制器件。
[0011]上述光纖光柵是用于反射及腔內色散補償的啁啾光纖光柵，或僅用于反射的非啁啾光纖光柵，或反射時不改變入射偏振態的保偏反射鏡或保偏反射裝置。
[0012]上述光纖光柵的腔內有摻雜光纖作為增益介質，摻雜增益光纖是摻Er，Nd，Yb，Bi，Er/Yb, Tm/Ho 或者 Yb/Tm 離子。
[0013]本發明的優點如下:
[0014]本發明以全保偏方案實現了光纖光梳光源，從振蕩器、放大器、壓縮器、超連續譜產生、fceo信號探測均為保偏系統；為了防止外界振動、大溫度變化對鎖頻造成影響，鎖頻采用主動跟蹤的辦法，實時監測系統頻率變化，通過粗調和精調電路相結合的辦法，即保證了鎖定時頻率精度，又抑制了外界環境對鎖頻的影響；在鎖定fceo信號時，反饋電路帶寬限制導致鎖定相位時困難且時間較短，我們通過設計微波電路，拓寬反饋電子線路的帶寬，增強其控制和捕獲fceo信號的能力，實現操作簡單的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為保偏光纖光梳光源系統不意圖；
[0016]圖2a為保偏線性腔(腔內帶光纖光柵)；
[0017]圖2b為保偏線性腔(腔內帶光纖光柵及反射鏡)；
[0018]圖2c環形腔；
[0019]圖2d σ 型腔；
[0020]圖3鉺光纖激光器產生的超連續譜；
[0021]圖4單臂f_2f系統方案示意圖；
[0022]圖5fceo信號的探測數據。

【具體實施方式】
[0023]本發明主要目的是提供一個能在工業、科研等不同環境使用的超穩定光纖光梳方案，傳統的光纖光梳光源已經在美國專利“Prequency combs source withlarge comb spacing”(Internat1nal pulicat1n number:W02012/074623A1, PCT/US2011/057567) “Pulse dlaser sources Patentnumber:US8599473B2), “Compactoptical frequency comb systems，，(Internat1nal pulicat1n number:W02012/166572Al,PCT/US2012/039509)詳細介紹，在此不再贅述，而重復頻率可調的方案已經在文章“Fiber-laser-based frequency comb with a tunable repetit1n rate” (Opticsexpress, vol.12.pp:4999, 2004)體現，在此也不詳細介紹。
[0024]全保偏光纖光梳光源示意圖見圖1，本系統形成了三個光電反饋回路，第一個反饋回路是精調鎖頻反饋回路，其線路:光纖振蕩器_>隔離器_>光放大器_>光電探測器_>帶通濾波器_>混頻器_>低通濾波器_>PID伺服控制器_>壓電陶瓷驅動_>光纖振蕩器，這個反饋環目的就是使激光器輸出脈沖的重復頻率與參考頻率精確鎖定，獲得較高的頻率穩定度；
[0025]第二個反饋回路是粗調鎖頻反饋回路，其線路:光纖振蕩器_>隔離器_>光放大器_>光電探測器_>帶通濾波器_>混頻器_>低通濾波器_>模數轉換器_>基于FPGA和DSP的程序電路_>光延遲線驅動電路_>光纖振蕩器，本電路主要功能是當外界干擾時(如振動、溫度等)引起腔長的變化超過精調電路控制范圍導致頻率鎖定失敗時，穩頻信號就會有個突變，這個變化量與腔長變化有一定關系，我們對這個信號進行數字化，再通過快速傅里葉變換，把這個信號變成頻域信號，基于FPGA和DSP的程序進行計算，找出當前腔長與標定腔長的差別，通過光延遲線控制電路補償回來，使激光器腔長回到精調控制的范圍，達到光纖光梳光源長期穩定的鎖頻范圍；
[0026]第三個光電反饋回路是穩相反饋回路，其沿著光纖振蕩器_>隔離器_>光放大器_>脈沖壓縮_>色散補償->f-2f頻率轉換系統_>低噪光電探測器_>相位探測器_>拓頻電路_>PID伺服控制器_>激光器電流源_>光纖振蕩器，本反饋回路光路是全保偏的，特別是f_2f頻率轉換系統，采用了單臂保偏方案，大大增加了系統的穩定性和fceo信號的抗干擾能力，而在電路處理過程中使用電子拓頻方案，增加了鎖相的捕獲能力和控制能力。
[0027]本系統以保偏光纖為主線，下面逐步介紹各個部分實現的方案。
[0028]圖2a是一種線性腔的保偏激光器(即光纖振蕩器)，其主要由光纖光柵和半導體飽和吸收體作為反射鏡面形成諧振，半導體飽和吸收體作為被動鎖模起振元件，在腔內有摻雜光纖作為增益介質，插入相移器和高精度電控光延遲作為頻率精調和粗調控制器件，此處需要申明的是:
[0029](I)光纖光柵可以是啁啾光纖光柵，此時該器件不但有反射鏡的作用，還有腔內色散補償的作用，根據需要可以實現孤子鎖模、展寬鎖模或者孤子展寬鎖模，光纖光柵也可以是非啁啾的，只作為反射鏡使用，也可以不使用光纖光柵，使用一個保偏反射鏡或保偏反射裝置，其反射時不改變入射時的偏振態即可，這個方案如圖2b ；
[0030](2)摻雜增益光纖可以是摻Er，也可以是Nd，Yb，Bi, Er/Yb，Tm/Ho或者Yb/Tm離子;
[0031](3)起振元件可以是半導體飽和吸收體，可以是碳納米管，可以是強度調整器也可以是彭浦源加電微擾；
[0032](4)腔型除了線性腔，也可以是環形腔(見圖2c)，σ型(見圖2d)，“8”字型腔；
[0033](5)腔內的色散補償可以采用補償光纖，也可以選擇色散相反的增益光纖和啁啾鏡;
[0034](6)腔內所有器件均為保偏器件。
[0035]從激光器出來的脈沖信號經保偏放大器放大壓縮后，進入保偏的超連續譜產生器件產生超連續譜，使其產生至少一個倍頻程見圖3是摻鉺光脈沖產生的超連續譜，產生超連續譜的器件可以是保偏的高非線性光纖、超高非線性系數的保偏波導(例如硫化物玻璃)、也可以是納米線等。
[0036]超連續譜產生后，f的光信號和2f的光信號有相對時延，為了補償時延采用非增益保偏光纖的方法，比相干儀的方法簡單、穩定，而倍頻信號和fceo信號的產生采用了單臂的方法，見圖4 ;有保偏光纖輸入，聚焦透鏡系統使f信號聚焦到倍頻晶體，然后再使用聚焦透鏡系統把倍頻的2f和原有的2f信號耦合到光纖中。輸入到低噪探測器上探測fceo信號見圖5，在晶體和后端聚焦透鏡系通之間插入窄帶濾波器，以提高fceo信號的信噪比。此處需要強調的是:
[0037](I)前端聚焦系統可能包括準直透鏡、聚焦透鏡等，這些器件是對f和2f增透，而后端聚焦系統也包括準直透鏡、聚焦透鏡等，這些器件只對2f增透；
[0038](2)倍頻晶體可以是ppln，KTP, KDP等倍頻晶體；(3)這個倍頻系統可以是波導結構，對保證系統的穩定更好，也有可能是一段特殊高非線性光纖。
[0039]精調電路不再敘述，在專利“Compact optical frequency combsystems”(Internat1nal pulicat1n number:W02012/166572 Al, PCT/US2012/039509)已經有很詳細介紹，粗調反饋電路中主要是判讀程序和控制電路，在進行信號處理過程中，采用快速傅里葉變換、誤差校準和實時采樣等方法，保證了粗調完全自動、實時處理，同時我們可以通過改變參考信號的頻率來大范圍自動調節光梳的重復頻率鎖定，實現了頻率的主動跟蹤，這一點利于多系統間的協作。
[0040]穩相電路中主要是光電反饋環的電子帶寬拓展問題，我們采用了 fceo信號與高頻信號混頻在減頻的辦法，是反饋電子帶寬相對拓展，同時達到噪聲的相對抑制。
[0041]該方案能確保光纖光梳光源有很強的抗干擾能力(溫度、振動、壓力等)，在受到外界干擾時，能自動根據外界情況修改自身參數，保證系統穩定的鎖定和輸出。該激光器系統操作簡單，工作穩定，適合在工業、科研等領域廣泛應用。
【權利要求】
1.一種全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:包括用于使激光器輸出脈沖的重復頻率與參考頻率精確鎖定，且獲得較高的頻率穩定度的精調鎖頻反饋回路、用于使光纖光梳光源長期處于穩定的鎖頻范圍的粗調鎖頻反饋回路、以及用于增加鎖相的捕獲能力和控制能力的穩相反饋回路；當穩頻信號發生突變時，粗調鎖頻反饋回路將突變的穩頻信號補差至精調控制的范圍，進入精調鎖頻反饋回路進行精調，再經穩相反饋回路增加鎖相的捕獲能力和控制能力后輸出；當穩頻信號未發生突變或突變范圍未超出精調控制的范圍時，直接進入精調鎖頻反饋回路進行精調。
2.根據權利要求1所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述精調鎖頻反饋回路是依次由光纖振蕩器、隔離器、光電探測器、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器、PID伺服控制器和壓電陶瓷驅動形成的反饋環。
3.根據權利要求2所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述隔離器和光電探測器之間還設置有光放大器。
4.根據權利要求1所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述粗調鎖頻反饋回路是依次由光纖振蕩器、隔離器、光電探測器、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器、模數轉換器、基于FPGA和DSP的程序電路、光延遲線驅動電路形成的反饋環。
5.根據權利要求4所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述隔離器和光電探測器之間還設置有光放大器。
6.根據權利要求1所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述穩相反饋回路是依次由光纖振蕩器、隔離器、色散補償、f_2f頻率轉換系統、低噪光電探測器、相位探測器、拓頻電路、PID伺服控制器、激光器電流源形成的反饋環。
7.根據權利要求6所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述隔離器和色散補償之間還需進行光放大器、脈沖壓縮、超連續譜產生的處理；用于產生超連續譜的器件是保偏的高非線性光纖、超高非線性系數的保偏波導或納米線。
8.根據權利要求1至7任一所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述光纖振蕩器是以光纖光柵、半導體飽和吸收體作為反射鏡面形成諧振，半導體飽和吸收體作為被動鎖模起振元件，摻雜光纖作為增益介質，插入相移器和高精度電控光延遲作為頻率精調和粗調控制器件； 或所述光纖振蕩器是以反射時不改變入射偏振態的保偏反射鏡或保偏反射裝置、半導體飽和吸收體作為反射鏡面形成諧振，半導體飽和吸收體作為被動鎖模起振元件，摻雜光纖作為增益介質，插入相移器和高精度電控光延遲作為頻率精調和粗調控制器件。
9.根據權利要求8所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述光纖光柵是用于反射及腔內色散補償的啁啾光纖光柵，或僅用于反射的非啁啾光纖光柵。
10.根據權利要求9所述的全保偏主動跟蹤型光纖光梳光源，其特征在于:所述光纖光柵的腔內有摻雜光纖作為增益介質，摻雜增益光纖是摻Er，Nd, Yb，Bi, Er/Yb, Tm/Ho或者Yb/Tm離子；所述光纖振蕩器的腔型是線性腔、環形腔、σ型或8字型腔。
【文檔編號】H01S3/106GK104184037SQ201410363793
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】王屹山, 劉元山, 趙衛, 馮野, 徐昕, 胡曉鴻, 張偉, 楊直, 李飛濤, 王向林 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所