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基于光學(xué)頻率梳的連續(xù)激光器光譜線寬測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)頻率梳的連續(xù)激光器光譜線寬測(cè)量裝置，特點(diǎn)是該裝置包括光學(xué)頻率梳控制模塊、光學(xué)頻率梳種子源、光梳頻譜展寬模塊、連續(xù)激光發(fā)生源、光學(xué)合束模塊、光學(xué)選頻濾波模塊、拍頻探測(cè)模塊及信號(hào)讀取模塊。精密控制的光學(xué)頻率梳經(jīng)過頻域展寬，其輸出光與連續(xù)激光發(fā)生源的輸出光一起入射到光學(xué)合束模塊，使出射的兩束激光光斑重合，再一同入射到光學(xué)選頻濾波模塊，濾取出的兩路激光通過拍頻探測(cè)模塊，整形光斑大小，將光斑集中于探測(cè)器上，相干合成為拍頻信號(hào)，通過信號(hào)讀取模塊能夠獲得待測(cè)連續(xù)激光的輸出光譜寬度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測(cè)量過程快速簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)獲得一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)激光的輸出線寬，應(yīng)用性強(qiáng)。
【專利說明】基于光學(xué)頻率梳的連續(xù)激光器光譜線寬測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超快激光領(lǐng)域，具體是講用精確控制的鎖模激光器產(chǎn)生脈沖線寬較窄的穩(wěn)定光學(xué)頻率梳，再利用此光學(xué)頻率梳與窄線寬連續(xù)激光器的輸出光進(jìn)行拍頻，以實(shí)時(shí)測(cè)量線寬在KHz至MHz量級(jí)的連續(xù)激光器輸出光譜線寬的一種快速有效的測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)激光與脈沖激光作為激光【技術(shù)領(lǐng)域】的兩大分支，一直備受科學(xué)研究與生產(chǎn)生活各領(lǐng)域的從業(yè)人員的密切關(guān)注。一方面，基于原子躍遷譜線的超窄線寬連續(xù)激光可以為諸多超快激光技術(shù)提供頻率標(biāo)準(zhǔn)參考，同時(shí)，新興的窄線寬連續(xù)光纖激光器以其良好的噪聲抑制特性、單縱模穩(wěn)定度與結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光遙感、激光通信與激光雷達(dá)等【技術(shù)領(lǐng)域】；另一方面，基于鎖模脈沖序列的光學(xué)頻率梳由于具有時(shí)域與頻率的高度穩(wěn)定性，可以用作高精度的頻率“標(biāo)尺”，為精密光譜測(cè)量與光梳測(cè)距等科學(xué)研究提供有力工具。光學(xué)頻率梳技術(shù)與窄線寬連續(xù)激光控制技術(shù)相融合，不僅能夠得到探測(cè)精度大幅提高的超窄線寬光學(xué)頻率梳，而且可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率傳遞，為小型光頻原子鐘技術(shù)及高精度微波原子鐘技術(shù)打下基礎(chǔ)。
[0003]光學(xué)頻率梳與連續(xù)激光相結(jié)合的技術(shù)之一是測(cè)量窄線寬連續(xù)激光的輸出光譜寬度。針對(duì)已有的連續(xù)激光線寬測(cè)量方法，傳統(tǒng)的反射光柵型的光譜分析儀與法布里-珀羅干涉儀的測(cè)量精度已不能滿足現(xiàn)行連續(xù)激光技術(shù)中，激光器的_3dBm線寬一般在KHz量級(jí)的高精度要求。而且高精度的F-B腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，對(duì)材料的熱漲控制、外界溫度控制、氣流與機(jī)械抖動(dòng)控制提出了苛刻要求。另外較為常用的延遲自外差法(DSHI)，在原理上需滿足光纖的延遲時(shí)間不小于激光器相干時(shí)間的3倍，如測(cè)量輸出線寬在千赫茲或赫茲量級(jí)的連續(xù)激光器，則所需延遲光纖長(zhǎng)度將達(dá)到幾十甚至上百公里。這不僅為實(shí)際操作帶來不便，還會(huì)增強(qiáng)激光傳輸過程中的受激布里淵散射(SBS, stimulated Brillouin scattering)效應(yīng)，從而造成光纖激光器輸出功率降低，光束質(zhì)量劣化等不利影響；同時(shí)，現(xiàn)有方法無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光線寬短期穩(wěn)定性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種以穩(wěn)定的飛秒光學(xué)頻率梳作為頻率計(jì)來測(cè)量窄線寬連續(xù)激光的光譜寬度的新裝置。該裝置在實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳的精密控制與頻譜展寬的基礎(chǔ)上，完成脈沖線寬在KHz量級(jí)的光學(xué)頻率梳與窄線寬激光的拍頻，通過光學(xué)濾波，在測(cè)量裝置上獲取拍頻信號(hào)，便可直接讀取待測(cè)連續(xù)光的光學(xué)頻率線寬。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測(cè)量過程快速簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)獲得一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)激光的輸出線寬，應(yīng)用性強(qiáng)。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種基于光學(xué)頻率梳的連續(xù)激光器光譜線寬測(cè)量裝置，特點(diǎn)是該裝置包括光學(xué)頻率梳控制模塊、光學(xué)頻率梳種子源、光梳頻譜展寬模塊、連續(xù)激光發(fā)生源、光學(xué)合束模塊、光學(xué)選頻濾波模塊、拍頻探測(cè)模塊及信號(hào)讀取模塊，所述光學(xué)頻率梳控制模塊與光學(xué)頻率梳種子源之間電連接，光學(xué)頻率梳種子源、光梳頻譜展寬模塊、光學(xué)合束模塊、光學(xué)選頻濾波模塊及拍頻探測(cè)模塊依次光路連接，連續(xù)激光發(fā)生源與光學(xué)合束模塊光路連接，拍頻探測(cè)模塊與信號(hào)讀取模塊之間電連接，其中:
所述光學(xué)頻率梳控制模塊為可以提供激光脈沖功率放大、脈沖寬度壓縮與脈沖重復(fù)頻率f；和載波包絡(luò)相位漂移頻率fo探測(cè)與反饋控制的元件。通過電子反饋系統(tǒng)把f；與fo鎖定到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)上，使f；與fo之間的相位固定，保證光學(xué)頻率梳的時(shí)頻域穩(wěn)定性。
[0006]所述光學(xué)頻率梳種子源為飛秒鎖模脈沖序列的發(fā)生器，利用發(fā)生器內(nèi)的色散控制，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率在幾十MHz的寬頻譜飛秒激光的輸出，每個(gè)脈沖在頻域的線寬在KHz量級(jí)。
[0007]所述光梳頻譜展寬模塊一般為蜂窩狀周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，其非線性程度高，可根據(jù)其零色散點(diǎn)的位置為不同波段的光梳脈沖提供不同的色散量，使光梳的輸出頻譜拓展到覆蓋可見至近紅外的較寬波段。
[0008]所述連續(xù)激光發(fā)生源為從可見至紅外的寬波段范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)的單縱模激光器及保證單縱模激光器高效運(yùn)轉(zhuǎn)的隔離器與偏振控制器件，單縱模激光器的輸出功率在IOmff?500mW量級(jí)范圍，輸出線寬在KHz至MHz量級(jí)。
[0009]所述光學(xué)合束模塊為與連續(xù)激光發(fā)生源輸出波長(zhǎng)相吻合的空間半透半反鏡或光纖耦合器，將光梳的輸出光與待測(cè)線寬的連續(xù)激光合束，達(dá)到光場(chǎng)的高度重合。
[0010]所述光學(xué)選頻濾波模塊為空間反射式光柵與小孔光闌組合或者是與連續(xù)激光發(fā)生源輸出波長(zhǎng)相應(yīng)波段的光纖濾波器，將進(jìn)行拍頻的兩路激光提取出來。
[0011]所述拍頻探測(cè)模塊由聚焦透鏡與雪崩光電探測(cè)器組成，將提取出的拍頻光波進(jìn)行探測(cè)。
[0012]所述信號(hào)讀取模塊為快速傅里葉變換頻譜分析儀或由電學(xué)濾波與數(shù)據(jù)采集卡組成的電學(xué)快速讀取器件，合理選取測(cè)量?jī)x器的帶寬與分辨率，可讀取拍頻信號(hào)的線寬。
[0013]本發(fā)明的工作流程:光學(xué)頻率梳種子源產(chǎn)生的鎖模激光脈沖序列由光學(xué)頻率梳控制模塊完成脈沖重復(fù)頻率與載波包絡(luò)相位的鎖定，使光梳的輸出脈沖寬度在KHz量級(jí)；再通過光梳頻譜展寬模塊實(shí)現(xiàn)寬光譜的穩(wěn)定光梳輸出，其輸出光與連續(xù)激光發(fā)生源的輸出光一起入射到光學(xué)合束模塊，通過合理選擇光纖耦合器的分束比或調(diào)整半透半反鏡的俯仰角度，使出射的兩束激光光斑重合，一同入射到光學(xué)選頻濾波模塊，將較寬的光學(xué)頻率梳輸出光譜中與待測(cè)連續(xù)激光波段相同的部分選取出來，以減少測(cè)量系統(tǒng)中的雜散光，提高探測(cè)信號(hào)的信噪比，濾取出的激光波再通過拍頻探測(cè)模塊，整形光斑大小，將光斑高度集中于探測(cè)器上，相干合成為拍頻信號(hào)，通過信號(hào)讀取模塊可以在測(cè)量?jī)x器上獲得待測(cè)連續(xù)激光的輸出光譜寬度。
[0014]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理為:由理論計(jì)算可知，當(dāng)參考激光(本發(fā)明中的光學(xué)頻率梳)的頻率與待測(cè)連續(xù)激光的頻率相近，且參考激光的線寬足夠窄時(shí)，所得的拍頻頻譜與待測(cè)激光頻譜線型完全相同，且譜線寬度即為待測(cè)激光線寬。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
I)可測(cè)量多種工作原理的連續(xù)激光發(fā)生源的輸出光譜線寬，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)連續(xù)激光的發(fā)生源沒有特殊要求，可適用于發(fā)射單頻連續(xù)激光的諸如光纖激光器、半導(dǎo)體激光器與塊狀固體激光器等多種類型激光器的輸出線寬測(cè)量；
2)經(jīng)過頻域拓展的光學(xué)頻率梳具有從可見到紅外的較寬光譜輸出范圍，可完成輸出波長(zhǎng)在不同波段的多種連續(xù)激光器的線寬測(cè)量，可利用范圍廣；
3)能夠在同一時(shí)刻完成對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的寬帶連續(xù)激光線寬的實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)光學(xué)頻率梳測(cè)控多臺(tái)連續(xù)激光器，這在光頻原子鐘技術(shù)及高精度微波原子鐘技術(shù)中具有重要應(yīng)用；
3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在較短的作用距離內(nèi)，實(shí)現(xiàn)窄線寬激光輸出線寬的測(cè)量，有效抑制了以往方法中光纖過長(zhǎng)而引起的受激布里淵散射效應(yīng)；
4)可以采用全光纖式結(jié)構(gòu)，不僅為待測(cè)激光與參考激光的高度重合與同向傳播提供了直接有效的媒介，而且便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量裝置的集成化，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
[0016]5)可借助光梳的聞功率放大，聞功率飛秒光梳的每根梳齒能量聞，可以在較低重復(fù)頻率的情況下完成對(duì)光譜線寬的測(cè)量，避免脈沖振蕩級(jí)重復(fù)頻率在幾百M(fèi)Hz甚至GHz的復(fù)雜調(diào)整；
6)由于光學(xué)頻率梳能夠?qū)崿F(xiàn)每根梳齒線寬在Hz量級(jí)的更高精度的頻率鎖定，故可以拓展至輸出線寬在Hz量級(jí)的超窄線寬連續(xù)激光的線寬測(cè)量；同時(shí)，基于對(duì)寬帶連續(xù)激光的快速響應(yīng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)等特性，可實(shí)現(xiàn)光梳對(duì)連續(xù)激光的反饋控制，實(shí)現(xiàn)激光頻率的鎖定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1光學(xué)頻率梳測(cè)量1064nm固體激光器輸出線寬示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2光學(xué)頻率梳測(cè)量1550nm光纖激光器輸出線寬示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例3光學(xué)頻率同時(shí)測(cè)量657nm與423nm連續(xù)激光器輸出線寬示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]參閱圖1，本發(fā)明包括光學(xué)頻率梳控制模塊1、光學(xué)頻率梳種子源2、光梳頻譜展寬模塊3、連續(xù)激光發(fā)生源4、光學(xué)合束模塊5、光學(xué)選頻濾波模塊6、拍頻探測(cè)模塊7及信號(hào)讀取模塊8，所述光學(xué)頻率梳控制模塊I與光學(xué)頻率梳種子源2之間電連接，光學(xué)頻率梳種子源2、光梳頻譜展寬模塊3、光學(xué)合束模塊5、光學(xué)選頻濾波模塊6及拍頻探測(cè)模塊7依次光路連接，連續(xù)激光發(fā)生源4與光學(xué)合束模塊5光路連接，拍頻探測(cè)模塊7與信號(hào)讀取模塊8之間電連接。
[0020]光學(xué)頻率梳控制模塊I的功能包括激光功率放大、激光脈沖寬度壓縮，并可以通過電子反饋元件控制安裝于激光腔內(nèi)部的伸縮器來調(diào)整激光器腔長(zhǎng)，鎖定光梳種子源輸出脈沖的重復(fù)頻率；通過采用控制泵光功率或聲光移頻器等方法來進(jìn)行誤差補(bǔ)償，鎖定光梳種子源輸出脈沖的載波包絡(luò)相位漂移頻率。
[0021]光學(xué)頻率梳種子源2為飛秒鎖模脈沖序列的發(fā)生器，能夠產(chǎn)生超短脈沖序列的多種激光振蕩器均可用作光梳種子源，如非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模光纖振蕩器、基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)激光振蕩器，Σ腔型光纖振蕩器等。[0022]光梳頻譜展寬模塊3為蜂窩狀周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，根據(jù)待測(cè)激光的波長(zhǎng)與光梳種子源的中心波長(zhǎng)選擇合理光子晶體光纖的零色散點(diǎn)，保證經(jīng)頻域展寬后的光梳輸出光具有與待測(cè)激光頻率重合的部分。
[0023]連續(xù)激光發(fā)生源4為輸出波長(zhǎng)從可見至紅外的單縱模激光器與保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的隔離器與偏振控制器件，單縱模激光器可以為塊狀固體激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等多種工作原理的激光器。
[0024]光學(xué)合束模塊5是與連續(xù)激光波段相吻合的空間半透半反鏡或者光纖耦合器，控制空間光路的俯仰角度與光纖耦合器的光纖長(zhǎng)度，使兩路激光達(dá)到光場(chǎng)的重合。
[0025]光學(xué)選頻濾波模塊6采用空間反射式光柵與小孔光闌組合或者是與連續(xù)激光發(fā)生源輸出波長(zhǎng)相應(yīng)波段的光纖濾波器，將激光的光譜寬度展開，進(jìn)行噪聲抑制并選擇出待測(cè)的兩路激光。
[0026]拍頻探測(cè)模塊7采用聚焦透鏡與雪崩光電探測(cè)器組成，將提取出的拍頻光波進(jìn)行探測(cè)。其中透鏡可以選擇單片透鏡或透鏡組，對(duì)空間光斑大小、光束質(zhì)量進(jìn)行靈活控制，使聚焦后的光斑便于進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)器件為高速雪崩光電探測(cè)器。
[0027]信號(hào)讀取模塊8為快速傅里葉變換分析儀或經(jīng)電學(xué)濾波的電學(xué)快速響應(yīng)器件，讀取儀器的頻域測(cè)量范圍需大于光梳的重復(fù)頻率。
[0028]精密控制的光學(xué)頻率梳輸出脈沖序列經(jīng)頻譜拓展后與連續(xù)激光經(jīng)過合束，保證兩路光場(chǎng)的高度疊加，同向傳播，兩者共同傳播至光學(xué)濾波器件，濾去干擾光，選取出光頻相同的部分，進(jìn)行聚焦探測(cè)；由于光學(xué)頻率梳光場(chǎng)中與連續(xù)激光頻率相同的成分會(huì)與連續(xù)光波自發(fā)相干成拍，故光電探測(cè)器可以探測(cè)到兩者在頻率譜上的拍頻信號(hào)?；诠鈱W(xué)頻率梳每個(gè)脈沖的線寬小于連續(xù)激光器的輸出線寬，故光梳與待測(cè)連續(xù)激光的拍頻信號(hào)寬度即可以反應(yīng)為連續(xù)激光的光譜寬度。通過本發(fā)明，光梳與連續(xù)激光的相干拍頻可以將位于幾百GHz量級(jí)的光頻率轉(zhuǎn)化為可方便探測(cè)的射頻頻率，選取合適頻段的頻譜分析儀，便可以直接讀取連續(xù)激光的輸出光譜寬度。
[0029]實(shí)施例1
參閱圖2，為采用1064nm固體激光器作為待測(cè)激光器，實(shí)現(xiàn)用光學(xué)頻率梳測(cè)量其輸出光譜寬度的示意圖，圖中:1_光學(xué)頻率梳控制模塊；2-光學(xué)頻率梳種子源；3_光梳頻譜展寬模塊即光子晶體光纖；4_連續(xù)激光發(fā)生源(由1064nm連續(xù)激光器模塊15、1064nm偏振隔離器16、1064nm空間半波片17構(gòu)成);5_光學(xué)合束模塊(由金鏡18、近紅外波段半透半反鏡19構(gòu)成)；6_光學(xué)選頻濾波模塊(由I μ m波段反射式光柵9、小孔光闌10構(gòu)成)；7_拍頻探測(cè)模塊(由匯聚透鏡ll、1064nm高反鏡12、雪崩光電探測(cè)器13構(gòu)成)；8_信號(hào)讀取模塊(由快速傅里葉變換分析儀14構(gòu)成)。
[0030]實(shí)施細(xì)節(jié):
(I)光學(xué)頻率梳種子源2在重復(fù)頻率與載波包絡(luò)相位精密控制的條件下，輸出時(shí)域與頻域高度穩(wěn)定的鎖模脈沖序列，每個(gè)脈沖在頻率上的寬度在KHz量級(jí)。
[0031](2)根據(jù)測(cè)量要求，選用零色散點(diǎn)在890nm附件的光子晶體光纖3對(duì)光梳脈沖進(jìn)行頻域展寬，調(diào)整輸入光子晶體光纖3前脈沖序列的功率、偏振態(tài)與脈沖寬度，使光子晶體光纖3達(dá)到最佳的頻域展寬效果，并在1064nm波段具有較強(qiáng)的輸出光。
[0032](3)為防止輸出連續(xù)激光中的回返光影響激光腔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在連續(xù)激光器的輸出端使用1064nm波段的偏振隔離器16，隔離器的透過率在80%以上。
[0033](4)使用1064nm波段空間半波片17調(diào)整輸出的連續(xù)激光的偏振態(tài)，以獲得最佳信噪比的拍頻信號(hào)。
[0034](5)通過金鏡18與半透半反鏡19調(diào)整光學(xué)頻率梳輸出激光與連續(xù)激光的空間光路分布，使通過半透半反鏡19輸出的兩路激光在空間上完全重合。
[0035](6)重合后的兩路激光一同入射到反射式光柵9上，一般要求光柵刻線數(shù)在6001ines/mm以上。調(diào)整光柵的角度，使光柵的某一衍射級(jí)次效率最高，最大程度上實(shí)現(xiàn)光譜成分的分離；光柵后配合使用小孔光闌10，將由光柵分散開的各個(gè)光譜成分中的待測(cè)激光選取出來，雜散光濾除掉，調(diào)整小孔光闌10的通過孔徑，使特定波段的兩束激光剛好完全通過。
[0036](7)選擇焦距與雪崩光電探測(cè)器13匹配的匯聚透鏡11，將光斑整形，提高光束質(zhì)量，使其便于光電探測(cè)器13進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。探測(cè)器的輸出信號(hào)輸送至傅里葉變換分析儀14，直接讀取光梳與連續(xù)激光器的拍頻信號(hào)，反應(yīng)為待測(cè)連續(xù)激光的輸出光譜寬度。
[0037](8)通過光梳脈沖的色散特性、連續(xù)激光的偏振態(tài)，各個(gè)鏡片、光柵、小孔光闌與透鏡的位置與俯仰角度，優(yōu)化傅里葉變換分析儀上顯示的拍頻信號(hào)強(qiáng)度，得到精確的待測(cè)連續(xù)激光的線寬值。
[0038]實(shí)施例2
參閱圖3，為采用1550nm光纖激光器作為待測(cè)激光器，實(shí)現(xiàn)用光學(xué)頻率梳測(cè)量其輸出光譜寬度的示意圖，圖中:1_光學(xué)頻率梳控制模塊；2-光學(xué)頻率梳種子源；3_光梳頻譜展寬模塊即光子晶體光纖；4_連續(xù)激光發(fā)生源(由1550nm連續(xù)激光器模塊13、1550nm光纖隔離器14及光纖偏振控制器15構(gòu)成)；5_光學(xué)合束模塊(由光纖準(zhǔn)直器16、1550nm波段光纖率禹合器17構(gòu)成);6_光學(xué)選頻濾波模塊(由1550nm波段光纖窄帶濾波器9構(gòu)成);7_拍頻探測(cè)模塊(由光纖準(zhǔn)直器10、雪崩光電探測(cè)器11構(gòu)成)；8_信號(hào)讀取模塊(由電學(xué)濾波器和數(shù)據(jù)采集卡12構(gòu)成)。
[0039]實(shí)施細(xì)節(jié):
(I)光學(xué)頻率梳種子源2在重復(fù)頻率與載波包絡(luò)相位精密控制的條件下，輸出時(shí)域與頻域高度穩(wěn)定的鎖模脈沖序列，每個(gè)脈沖在頻率上的寬度在KHz量級(jí)。
[0040](2)根據(jù)測(cè)量要求，選用零色散點(diǎn)在1550nm附件的光子晶體光纖3對(duì)光梳脈沖進(jìn)行頻域展寬，控制輸入光子晶體光纖3前脈沖序列的功率、偏振態(tài)與脈沖寬度，使光子晶體光纖3達(dá)到最佳的頻域展寬效果，并在1550nm波段具有較強(qiáng)的輸出光。
[0041](3)為防止輸出連續(xù)激光中的回返光影響激光腔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在連續(xù)激光器的輸出端使用1550nm波段的光纖偏振無關(guān)隔離器14，隔離器14的透過率在80%以上。
[0042](4)使用光纖偏振控制器15調(diào)整輸出的連續(xù)激光的偏振態(tài)，調(diào)整時(shí)注意力度不宜過大，防止光纖發(fā)生損壞。
[0043](5)為配合本實(shí)施例中光纖激光器13的使用，一般通過與連續(xù)激光波長(zhǎng)相吻合的光纖準(zhǔn)直器16將光梳的空間輸出光轉(zhuǎn)化為光纖光，并用相應(yīng)波段的光纖耦合器17將兩路光耦合到一起，根據(jù)兩路激光的強(qiáng)度選擇光纖耦合器的分束比，使耦合后在光纖中傳播的兩路激光強(qiáng)度大致相同。
[0044](6)經(jīng)耦合后的兩路激光一同輸入光纖窄帶濾波器9，根據(jù)測(cè)量精度選擇濾波器的通頻帶寬，一般要求帶寬越窄越好。也可以選用光纖型可調(diào)節(jié)帶通濾波器，根據(jù)探測(cè)到的拍頻信號(hào)的強(qiáng)弱，微調(diào)濾波器的通頻波段，使拍頻信號(hào)的強(qiáng)度增強(qiáng)。
[0045](7)為達(dá)到較高的探測(cè)效率，可以將經(jīng)過光學(xué)濾波模塊選取出的待測(cè)激光通過光纖準(zhǔn)直器10轉(zhuǎn)化為空間光，本實(shí)施例中光纖準(zhǔn)直器10的波段選擇1550nm。
[0046](8)本實(shí)施例中的雪崩光電探測(cè)器11內(nèi)部自帶與探測(cè)器相匹配的匯聚透鏡，將光斑整形，提高光束質(zhì)量，使其便于雪崩光電探測(cè)器11進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。探測(cè)器的輸出信號(hào)輸送至經(jīng)電學(xué)濾波與數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)快速讀取模塊，測(cè)量光梳與連續(xù)激光器的拍頻信號(hào)。
[0047](9)為抑制光梳脈沖寬度的展寬，減少連續(xù)激光的受激布里淵散射，需控制測(cè)量裝置中光纖鏈路的長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，并將光纖緊密排布，光纖的彎曲半徑不宜過小。
[0048](10)控制光梳脈沖的色散特性、連續(xù)激光的偏振態(tài)，穩(wěn)固各個(gè)光纖器件，優(yōu)化電學(xué)濾波與數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)快速讀取模塊上顯示的拍頻信號(hào)強(qiáng)度，獲得具有最佳信噪比的拍頻信號(hào)。調(diào)整測(cè)量范圍與分辨率帶寬，即可直接讀取拍頻信號(hào)的線寬，反應(yīng)為待測(cè)連續(xù)激光的輸出光譜寬度。
[0049]實(shí)施例3
參閱圖4，為用光學(xué)頻率梳同時(shí)測(cè)量657nm與423nm兩臺(tái)連續(xù)激光器輸出線寬的示意圖。在基于鈣原子的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊中，需首先用一束423nm的激光激發(fā)鈣離子，使其實(shí)現(xiàn)能級(jí)在657nm的激光躍遷，故實(shí)時(shí)測(cè)控423nm與657nm激光的線寬十分重要。圖中:1_光學(xué)頻率梳控制模塊；2_光學(xué)頻率梳種子源；3_光梳頻譜展寬模塊即光子晶體光纖；4-連續(xù)激光發(fā)生源(由423nm連續(xù)激光器模塊20、可見光波段偏振隔離器22、可見光波段半空間波片24及透鏡組10構(gòu)成);4’_連續(xù)激光發(fā)生源(由657nm連續(xù)激光器模塊21、可見光波段偏振隔離器23、可見光波段空間半波片9及透鏡組11構(gòu)成);5_光學(xué)合束模塊(由可見光波段半透半反鏡12、13構(gòu)成);5’_光學(xué)合束模塊(由可見光波段半透半反鏡12、13構(gòu)成);6 -光學(xué)選頻濾波模塊(由可見光波段反射式光柵14、小孔光闌15構(gòu)成)；7-拍頻探測(cè)模塊(由匯聚透鏡16、可見光波段高反鏡17、雪崩光電探測(cè)器18構(gòu)成);8_信號(hào)讀取模塊(由快速傅里葉變換分析儀19構(gòu)成)。
[0050]實(shí)施細(xì)節(jié):
(I)光學(xué)頻率梳種子源2在重復(fù)頻率與載波包絡(luò)相位精密控制的條件下，輸出時(shí)域與頻域高度穩(wěn)定的鎖模脈沖序列，每個(gè)脈沖在頻率上的寬度在KHz量級(jí)。
[0051](2)根據(jù)測(cè)量要求，選用零色散點(diǎn)在750nm附件的光子晶體光纖3對(duì)光梳脈沖進(jìn)行頻域展寬，控制輸入光子晶體光纖3前脈沖序列的功率、偏振態(tài)與脈沖寬度，使光子晶體光纖3達(dá)到最佳的頻域展寬效果，并在657nm波段與423nm波段具有較強(qiáng)的輸出光。
[0052](3)為防止輸出連續(xù)激光中的回返光影響激光腔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在每個(gè)連續(xù)激光輸出模塊20、21輸出端使用可見光波段空間隔離器22、23，隔離器的透過率在70%以上。
[0053](4)使用423nm波段的空間半波片24和657nm波段的空間半波片9調(diào)整兩臺(tái)激光輸出模塊輸出的連續(xù)激光的偏振態(tài)，以獲得最佳信噪比的拍頻信號(hào)。
[0054](5)為適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合下光斑尺寸的要求，獲得更優(yōu)異的光束質(zhì)量，將連續(xù)激光輸出模塊的輸出光輸入到透鏡組10、11,實(shí)現(xiàn)所有光斑大小的統(tǒng)一；
(6)通過可見光波段的半透半反鏡12和13，調(diào)整兩路連續(xù)激光與光學(xué)頻率梳輸出激光的空間光路分布，使三路激光合束，通過鏡片13輸出的三路激光在空間上完全重合。
[0055](7)重合后的三路激光一同入射到反射式光柵14上，調(diào)整光柵的角度，使光柵的某一衍射級(jí)次效率最高，最大程度上實(shí)現(xiàn)光譜成分的分離；光柵后配合使用小孔光闌15，將由光柵分散開的各個(gè)光譜成分中的待測(cè)激光選取出來，雜散光濾除掉，合理調(diào)整小孔光闌15的通過孔徑,使待測(cè)的423nm與657nm波段的激光均完全通過。
[0056](8)選擇焦距與雪崩光電探測(cè)器18匹配的匯聚透鏡16，將光斑整形，提高光束質(zhì)量，使其便于雪崩光電探測(cè)器18進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。探測(cè)器的輸出信號(hào)輸送快速傅里葉變換分析儀19，調(diào)整光梳脈沖的色散特性、連續(xù)激光的偏振態(tài)，各個(gè)鏡片、光柵、小孔光闌與透鏡的位置與俯仰角度，優(yōu)化快速傅里葉變換分析儀上顯示的拍頻信號(hào)強(qiáng)度，獲得具有最佳信噪比的拍頻信號(hào)。
[0057](9)調(diào)整傅里葉變化分析儀19的測(cè)量范圍與分辨率帶寬，可以在光梳每?jī)蓚€(gè)重復(fù)頻率信號(hào)之間觀測(cè)到兩組拍頻信號(hào)，分別為423nm激光與657nm激光與光梳拍頻而成。直接讀取拍頻信號(hào)的線寬，即為待測(cè)連續(xù)激光的輸出光譜寬度，從而實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)光梳同時(shí)測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)激光的線寬，整個(gè)測(cè)量過程快速有效。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)頻率梳的連續(xù)激光器光譜線寬測(cè)量裝置，其特征在于該裝置包括光學(xué)頻率梳控制模塊、光學(xué)頻率梳種子源、光梳頻譜展寬模塊、連續(xù)激光發(fā)生源、光學(xué)合束模塊、光學(xué)選頻濾波模塊、拍頻探測(cè)模塊及信號(hào)讀取模塊，所述光學(xué)頻率梳控制模塊與光學(xué)頻率梳種子源之間電連接，光學(xué)頻率梳種子源、光梳頻譜展寬模塊、光學(xué)合束模塊、光學(xué)選頻濾波模塊及拍頻探測(cè)模塊依次光路連接，連續(xù)激光發(fā)生源與光學(xué)合束模塊光路連接，拍頻探測(cè)模塊與信號(hào)讀取模塊之間電連接，其中: 所述光學(xué)頻率梳控制模塊為能夠提供激光脈沖功率放大、脈沖寬度壓縮與脈沖重復(fù)頻率f；和載波包絡(luò)相位漂移頻率fo探測(cè)與反饋控制的元件，實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳各個(gè)脈沖序列之間的相位鎖定，使光學(xué)頻率梳在時(shí)間域與頻率域具有高度穩(wěn)定性； 所述光學(xué)頻率梳種子源為飛秒鎖模脈沖序列發(fā)生器，利用發(fā)生器內(nèi)的色散控制，能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)頻率在幾十MHz的寬頻譜飛秒激光的輸出，每個(gè)脈沖在頻域的線寬在KHz量級(jí)；所述光梳頻譜展寬模塊將光學(xué)頻率梳的輸出頻率譜拓展到覆蓋可見光至近紅外光的范圍，由蜂窩狀周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)； 所述連續(xù)激光發(fā)生源為從可見至紅外的寬波段范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)的單縱模激光器及保證單縱模激光器高效運(yùn)轉(zhuǎn)的隔離器與偏振控制器件，單縱模激光器的輸出功率在IOmW?500mW量級(jí)范圍，輸出線寬在KHz至MHz量級(jí)； 所述光學(xué)合束模塊為與連續(xù)激光波段相吻合的空間半透半反鏡或光纖耦合器，將光梳的輸出光與待測(cè)線寬的連續(xù)激光合束，達(dá)到光場(chǎng)的重合； 所述光學(xué)選頻濾波模塊為空間反射式光柵與小孔光闌組合或者是與連續(xù)激光波段相吻合的光纖濾波器，將進(jìn)行拍頻的兩路激光提取出來； 所述拍頻探測(cè)模塊由聚焦透鏡與雪崩光電探測(cè)器組成，將提取出的拍頻光波進(jìn)行探測(cè)； 所述信號(hào)讀取模塊為快速傅里葉變換頻譜分析儀或由電學(xué)濾波與數(shù)據(jù)采集卡組成的電學(xué)快速讀取器件，能夠讀取拍頻信號(hào)的線寬。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103712689SQ201410000510
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】白東碧, 曾和平 申請(qǐng)人:上海朗研光電科技有限公司