一种双频输出的小型化双光梳制备方法

摘要

本发明公开了一种双频输出的小型化双光梳制备方法，包括：构建“L”型激光环形腔：在光学面包板上，光梳的激光由发射光纤准直器出射，经第一1/4波片、第一1/2波片、第一偏振分束镜分为两束，一束经第二1/2波片作为输出激光，另一束经滤光片、第二1/4波片，由第一反射镜反射通过空间光隔离器，耦合进第一接收光纤准直器；双频光路输出设计：输出激光经由第二偏振分束镜将单一中心频率输出光分为平行两束，第一路输出为直接输出，第二路输出为倍频输出；温控系统设计：在光学面包板的每个侧面排布若干陶瓷加热片；通过反馈回路温控系统对台面温度预设一个温度值，当温控系统配备的传感器检测到温度小于预设值时会使陶瓷加热片加热，当温度高于预设值时停止加热。

权利要求

1.一种双频输出的小型化双光梳制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)构建“L”型激光环形腔：

在光学面包板上，光梳的激光由发射光纤准直器出射，经第一1/4波片、第一1/2波片、第一偏振分束镜分为两束，一束经第二1/2波片作为输出激光，另一束经滤光片、第二1/4波片，由第一反射镜反射通过空间光隔离器，耦合进第一接收光纤准直器；

2)双频光路输出设计

输出激光经由第二偏振分束镜将单一中心频率输出光分为平行两束，第一路输出为直接输出，第二路输出为倍频输出；

3)温控系统设计

在光学面包板上，每个侧面排布若干片陶瓷加热片；通过反馈回路温控系统对台面温度预设一个温度值，当温控系统配备的传感器检测到温度小于预设值时会使陶瓷加热片加热，当温度高于预设值时停止加热。

2.根据权利要求1所述的一种双频输出的小型化双光梳制备方法，其特征在于，所述直接输出为：输出激光经过第二偏振分束镜分为两束，其中一束经由第二反射镜反射耦合进第二接收光纤准直器以原有频率输出；

所述倍频输出为：

另一束激光经过第一透镜聚焦在倍频晶体上，随后通过第二透镜和扩束准直镜组以倍频激光输出。

3.根据权利要求1所述的一种双频输出的小型化双光梳制备方法，其特征在于，所述陶瓷加热片等间距排布。

说明书

一种双频输出的小型化双光梳制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及双光学频率梳仪器制备领域，尤其涉及一种双频输出的小型化双光梳制备方法。

背景技术

[0002] 光学频率梳为一种可基于光纤锁模技术制备出的新型光源。在频域内，它由众多的频率分量组成，并且分布的相邻分量间具有相同的频率间隔，如图1所示。由于光学频率梳包含的众多的频率成分都可以被精密锁定至时钟源，频率稳定性(即波长稳定性)可以达到10-12量级，实现了量值溯源。在时域内，它是一连串具有极其稳定时间间隔的窄脉冲，脉-15冲宽度可窄至飞秒(10 秒)。其中，两相邻脉冲之间的时间间隔为T，对应在频域内，两相邻模式之间的频率间隔为frep，重复频率frep＝1/T。双光梳基于光学频率梳的制备机理，通过调整两个光学频率梳的重复频率，使得两个光梳的重复频率fr1和fr2有着微小差异，差值为Δfr。

[0003] 基于双光梳测距及计量设备有着单一光学频率梳无法比拟的优势。首先基于双光梳的计量设备可通过两光梳间的重频差形成光学采样，即可获取如图2所示干涉条纹，无需为系统加装位移台等扫描设备，在保证系统高精度和稳定性的同时，减小了设备体积。其次基于光学采样的扫描方式，可完成光速测量。

[0004] 但针对于目前双光梳的制备方法，还存在着一定的改进空间。首先基于光纤锁模方式的双光梳制备方法大都采用直线型分布的几何光路设计，这样的方式不能有效地利用设计空间，造成设备体积过于庞大。另外普遍的双光梳为单一的中心频率，但其不能同时满足大气、水下等不同应用环境，而且考虑到温度对光纤的严重影响，也使得双光梳在实际应用中易受到周围环境对其干扰。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种双频输出的小型化双光梳制备方法，本发明借助几何光路和制备器件的改进，有效提高双光梳在工程应用上便携性、实用性和稳定性，在保证高精度的同时，实现仪器小型化，提升工程实用性，拓展双光梳的应用场景，详见下文描述：

[0006] 一种双频输出的小型化双光梳制备方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] 1)构建“L”型激光环形腔：

[0008] 在光学面包板上，光梳的激光由发射光纤准直器出射，经第一1/4波片、第一1/2波片、第一偏振分束镜分为两束，一束经第二1/2波片作为输出激光，另一束经滤光片、第二1/4波片，由第一反射镜反射通过空间光隔离器，耦合进第一接收光纤准直器；

[0009] 2)双频光路输出设计

[0010] 输出激光经由第二偏振分束镜将单一中心频率输出光分为平行两束，第一路输出为直接输出，第二路输出为倍频输出；

[0011] 3)温控系统设计

[0012] 在光学面包板上，每个侧面排布若干片陶瓷加热片；通过反馈回路温控系统对台面温度预设一个温度值，当温控系统配备的传感器检测到温度小于预设值时会使陶瓷加热片加热，当温度高于预设值时停止加热。

[0013] 其中，所述直接输出为：

[0014] 输出激光经过第二偏振分束镜分为两束，其中一束经由第二反射镜反射耦合进第二接收光纤准直器以原有频率输出；

[0015] 所述倍频输出为：

[0016] 另一束激光经过第一透镜聚焦在倍频晶体上，随后通过第二透镜和扩束准直镜组以倍频激光输出。

[0017] 进一步地，所述陶瓷加热片等间距排布。

[0018] 本发明提供的技术方案的有益效果是：

[0019] 1、针对双光梳小型化需求，本发明将几何光路设计为“L”型激光环形腔，减小了原本直线型几何光路的纵向长度，设备体积及质量均减少了约1/2；

[0020] 2、在信号输出上，采取了双路反射的输出方式，同时输出双频光学频率梳。在其中一个反射光路中引入倍频晶体，将由泵浦输入的波长为1060nm的红外光信号倍频生成波长为530nm的绿光信号，因此实现双光梳的双频信号在两个平行光路中同时输出；

[0021] 3、应对双光梳对温度控制的严格要求，本发明通过PID控制陶瓷加热片为双光梳提供稳定的工作温度，以便于通过压电陶瓷(PZT)保持双光梳重复频率的稳定，控制精度为±0.1℃；

[0022] 4、本发明克服传统双光梳仪器体积庞大，无法同时适应多种工作场景的问题，为双光梳产品化以及制备方式提供新的思路，满足工业计量中高精度、高实用性和高稳定性等内在需求，也将为涉及双光学频率梳的制备与应用提供技术储备；

[0023] 5、针对双光梳在工程计量以及生产制造上保证其便携性、实用性和稳定性的仪器制备的需求，在双光梳器件排列方式上，摆脱直线型几何光路设计框架，利用几何光路的反射性，提高空间利用效率，实现仪器设备小型化，提升其工程应用潜力；

[0024] 6、围绕不同应用场景的适应能力，将单频输出改进为双频输出，提高仪器设备的实用性。同时考虑到温度对双光梳稳定性的影响，采用实时温控的方式。

附图说明

[0025] 图1为光学频率梳的时域和频域特性的示意图；

[0026] 图2为双光梳干涉示意图；

[0027] 图3为“L”型几何光路示意图；

[0028] 图4为“L”型几何光路装配图；

[0029] 图5为双频双路输出示意图；

[0030] 图6为“L”型激光环形腔与双频输出的组合示意图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0032] 本发明实施例基于光纤锁模技术生成光学频率梳，借助于压电陶瓷控制器输出一个电压驱动信号控制压电陶瓷(PZT)运动，PZT伸缩的过程中，会抵消外部温度、湿度等环境因素对整个激光环形腔长度的影响，使得环形腔长度保持稳定，从而能够对双光梳重复频率进行精确锁定。所用到的激光器设计如图3所示，制备步骤如下：

[0033] 步骤一：“L”型激光环形腔设计

[0034] 如图3所示，以光学面包板11作为承载的双光梳中，自由空间光按图中箭头指向传播，经过由1/4波片2、1/2波片3、滤光片5和1/4波片6的锁模系统，在这其中借助第一反射镜7，调整反射的自由空间光在预设的角度范围内进行俯仰和偏摆，以使得光束耦合进接收第一光纤准直器10构成激光环形腔，完成对锁模光路的反射延伸。

[0035] 其中，完整的光路描述如下：在所承载的光学面包板11上，有2路光梳，其中一路光梳的激光由发射光纤准直器1出射，经由1/4波片2、1/2波片3，随后经过第一偏振分束镜4分为两束，其中一束经由1/2波片8作为输出激光，另一束经过滤光片5、1/4波片6，经由第一反射镜7反射通过空间光隔离器9，耦合进第一接收光纤准直器10。

[0036] 其中，2路光梳的结构均相同，本发明实施例对此不做赘述。

[0037] 如图4所示的结构装配图，在保证光学频率梳生成的前提下，减少系统纵向体积，有效提高横向空间利用效率。

[0038] 其中，上述的预设角度范围可以为-4°～+4°，也可以根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

[0039] 步骤二：双频光路输出设计

[0040] 如图5所示，将双光梳改进为光路如图中箭头所示的双频双路输出，图5中由1/2波片8出射的输出激光经由第二偏振分束镜12将单一中心频率输出光分为平行两束，其中一束经过焦点位置为倍频晶体14中心的第一透镜13，经过倍频晶体14倍频后，通过第二透镜15和扩束准直镜组16扩束整形得到双频输出双光梳。

[0041] 其中，完整的光路描述如下：

[0042] 第一路输出为直接输出，即：输出激光经过第二偏振分束镜12分为两束，其中一束经由第二反射镜17反射耦合进第二接收光纤准直器18以原有频率输出；

[0043] 第二路输出为倍频输出，即：另一束激光经过第一透镜13聚焦在倍频晶体14上，随后通过第二透镜15和扩束准直镜组16以倍频激光输出。

[0044] 步骤三：温控系统设计

[0045] 根据双光梳中光纤分布情况，在承载激光器的光学面包板11上，每个侧面以等间距的形式排布3片陶瓷加热片，四个侧面总计排布12片，做到整个双光梳承载台面的稳定控温。同时通过反馈回路(PID)温控系统对台面温度预设一个温度值如26℃，并进行实时监控。当温控系统配备的传感器检测到温度小于26℃时会使陶瓷加热片迅速加热，当温度高于26℃时会停止加热，由此借助PID温控系统使得激光器工作温度保持稳定。稳定的工作温度使得环形腔长变动范围较小，满足PZT的可调整范围(19μm)，因此能够实现重复频率的长时间锁定以满足计量要求。

[0046] 上述的陶瓷加热片的数量、布置方式、以及台面温度预设值均根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

[0047] 上述PID温控系统为本领域技术人员所公知，可选择如型号为XH-W2023的PID温控系统，本发明实施例对该器件的型号不做限制。

[0048] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

[0049] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。