一种中红外光学频率梳产生的方法及装置
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种中红外光学频率梳产生的方法及装置。
背景技术：
锁模超快脉冲激光器在时域上为一周期性的超短脉冲序列串，在频域上表现为等间隔的频率梳光谱。飞秒光学频率梳上的任一频率谱线可以表示为fn＝n×fr+f0，其中fr为锁模脉冲激光的重复频率，f0为光谱的载波偏移频率。如果谱线频率中的两个参数(fr和f0)都被精密锁定的话，那么该光学频率梳的所有频率成分都能够确定。此时，光学频率梳就像人们使用的参考直尺，可以将它用于未知光谱的精密测量。因此，基于超快激光器的光频梳在国防安全、工业应用、社会生活中起到非常重要的作用。特别是在大气环境监测的应用中，具有很高的应用前景。空气中大量分子的转动-振动跃迁能级集中在中红外波段。气体成分如CO2、CO和NO2在2.8μm，2.4μm，2.9μm波段有很强的吸收线。各种碳氢化合物、盐酸化合物、氢氯化合物及有机溶剂在3.2-3.6μm范围表现出强烈的吸收特性。所以，为了实现对大气环境中温室气体、有毒气体、污染物及药品的检测，急需一种稳定的2-5μm波段范围的中红外光学频率梳。
目前常见的光学频率梳主要通过近红外的波段的锁模掺镱光纤激光器(1μm)和锁模掺铒光纤激光器(1.5μm)产生。将这两种激光注入非线性光纤，产生的频率梳范围能覆盖500nm-2μm的范围，并不能满足上述中红外光频梳的波长范围需求。间接的办法是，采用掺镱光纤激光激发光学参量振荡器(OPO)。OPO能实现2-5μm范围的中红外光频梳。但是OPO的光学参量振荡腔非常灵敏，需要与泵浦激光的腔模式精密锁定，加大了使用的难度。而且，在特定的相位匹配条件下，只能输出一个波段范围的激光。而采用光学差频(DFG)的方法，也能获得生3-5μm范围的中红外光频梳。但是，不可避免存在空间光路，系统复杂的缺点。产生的中红外光频梳的稳定性也受到影响。比较直接办法是，采用长波长的脉冲激光激发中红外的非线性光纤，可以获得2-5μm波段的光源。进一步将载波偏移频率和重复频率锁定，可获得中红外光学频率梳。例如利用2微米掺铥锁模光纤激光或者2.8μm波段Er-ZEBLAN锁模光纤激光激发非线性光纤有望满足所述中红外光频梳的需求。但是，相对于掺铒、掺镱光纤激光器，掺铥或者Er-ZEBLAN光纤激光器存在锁模稳定性差、转换效率低、器件不成熟的缺点。并且光纤在长波长波段，呈现较大的负色散，缺少有效的色散补偿机制。掺铥或者Er-ZEBLAN光纤激光器的脉冲宽度比较难压缩，对超连续谱的产生以及载波偏移频率f0的探测带来较多的困难。
因此，鉴于当前锁模掺镱光纤激光和锁模掺铒光纤激光器所具备的稳定性高、器件成熟、脉冲宽度窄等优点，能否基于这类近红外的锁模光纤激光器来产生中红外频率梳的是激光技术领域待解决的问题。
发明内容：
为解决中红外频率梳产生的问题和改变现有方案的缺点，本发明目的是，提出一种中红外光频梳产生的方法。该方法通过近红外的锁模光纤激光获得了中红外的超连续谱光源，进一步将该中红外光谱光源的载波偏移频率及重复频率锁定，从而获得了精密锁定的中红外光学频率梳。
本发明的技术方案是：一种中红外光学频率梳产生的方法，包括：1.5μm超短脉冲光纤激光激发近红外非线性光纤产生2μm中心波长的超短脉冲激光源；2μm超短脉冲源经过掺铥光纤放大器后激发中红外非线性光纤获得倍频光谱宽度的中红外超连续光谱；中红外超连续光谱通过f-2f自参考系统，获得频率梳的载波偏移频率f0；通过反馈控制锁模种子源的泵浦光功率，实现偏移频率f0锁定；进一步将1.5μm超短脉冲激光与精密稳定的1.5μm连续激光拍频获得重复频率fr的误差信号；该误差信号反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的重复频率锁定；f0和fr精密锁定后中红外超连续谱光源即为中红外的光频梳。
所述1.5μm超短脉冲光纤激光由可饱和吸收体、非线性环形镜或非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤激光器提供。所述1.5μm超短脉冲光纤激光通过色散管理的掺铒光纤放大器进行光功率放大。
放大后的1.5μm超短脉冲激光入射至近红外高非线性光纤，通过光谱自相位调制或拉曼过程产生2μm波长的超短脉冲激光；2μm波长的超短脉冲激光通过色散管理的掺铥光纤放大器进行光功率放大。
所述的中红外超连续光谱为2μm波长超短脉冲激光激发氟系或硫系的中红外光纤产生，产生的中红外超连续光谱范围覆盖2-5μm。
所述的f-2f自参考系统将中红外光谱中的长波长分量倍频后与连续谱中的短波长分量拍频，获得载波偏移频率f0。所述载波偏移频率f0通过调制1.5μm锁模光纤激光器的泵浦光电流实现f0锁定。具体过程如下：中红外超连续光谱通过一个双色镜，长波长分量反射，短波长分量透射。长波长分量经过倍频PPLN晶体倍频后，产生与短波长分支光路同样波长的光；两路光合束后通过滤光片(2μm带通)入射至探测器进行拍频；探测器连接至一RF射频谱仪；仔细调节2μm分支光路的延时，在RF射频谱仪中观察到差频射频信号，该信号即为中红外频梳的载波偏移频率f0；在获得偏移频率f0后，通过锁相环将f0频率锁定至稳定的射频信号源。
所述的重复频率fr误差信号通过电子锁相环路控制1.5μm脉冲激光器的谐振腔长度，实现中红外光频梳的重复频率锁定。在稳定了载波偏移频率f0后，对fr进行锁定即完成整个中红外光频梳的锁定。具体过程如下：将待稳定的脉冲光源与稳波长的连续激光进行拍频锁定fr；即将1.5μm锁模脉冲种子源的一部分输出和精密稳频的1.5μm连续激光器进行拍频；拍频获得的频差信号然后被锁定至稳定的射频源上；锁定调整的变量为1.5μm锁模脉冲种子源的激光腔长；种子激光的腔长反馈调节采用电驱动压电陶瓷(PZT)拉伸光纤实现；锁定后的中红外光频梳的频率精度可以达到mHz量级。1.5μm超短脉冲的在HNLF中的自相位调制及拉曼效应较强，非线性光纤(HNLF)采用负色散的掺锗非线性单模光纤或者光子晶体光纤。
所述2μm分量种子光的脉冲功率放大采用双包层掺铥光纤放大器；过程如下，2μm信号光通过光纤隔离器耦合至放大器系统；放大器的泵浦源采用793nm的多模半导体激光器；双包层光纤合束器将2μm信号光及793nm泵浦光合束耦合至双包层掺铥光纤中；信号光在掺铥光纤的纤芯中传输的过程并被包层中的793nm泵浦光放大；通过管理放大器光纤链路的色散，输出的2μm脉冲光平均功率达到W量级，脉冲宽度为～200fs。
所述的中红外的超连续光谱是将放大后的2μm超短脉冲激光入射至中红外的非线性光纤中获得；中红外高非线性光纤选择高非线性系数的硫系光纤或ZBLAN光纤；光谱展宽产生了2-5μm光谱范围的超连续光谱；该中红外超连续光谱的最长波长大于2倍最短波长，即获得了倍频层的光谱范围。装置是基于上述方法搭建而成。
有益效果：本发明获得的中红外光学频率梳利用1.5μm的锁模激光做为整个系统的种子源，其稳定性更好，更容易实现全光纤结构，具有很高的实用价值。此外，激发中红外非线性光纤的2μm激光脉冲宽度可以做到很窄，从而频率梳的噪声系数有望更小，有利于提高中红外光学频率梳在精密测量领域的精确性。能够获得重复频率fr的误差信号；反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的重复频率锁定。
附图说明：
图1为一种中红外光学频率梳的功能组成示意图。
图2为中红外光谱光频梳的产生及稳频过程示意图。上图为所述光源的波长区域示意图；下图为光源的频域区域及频率稳定的过程示意图。
图3为1.5μm锁模种子激光、光纤放大器及2μm激光产生的示意图。
图4为掺铥光纤放大器及中红外超连续光谱产生示意图。
图5为中红外超连续光谱f-2f自参考载波偏移频率探测示意图。
图6为中红外光频梳的重复频率误差信号探测示意图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下通过实施例并参照附图对本发明的内容进一步详细说明，但是本发明的实施方式不仅限于此。
图1展示了一种中红外光学频率梳产生的装置示意图。该装置主要包括以下几个组成部分：1.5μm超短脉冲锁模光纤激光种子源10，1.5μm波段掺铒光纤放大器11，近红外非线性光纤光谱展宽12，掺铥光纤放大器13，中红外非线性光纤的光谱展宽14，f-2f自参考系统及f-2f自参考载波偏移频率探测系统15，重复频率误差探测系统16。
图2展示了中红外光学频率梳产生的方法是：1.5μm超短脉冲激光201激发近红外非线性光纤，通过光谱展宽即近红外非线性光纤的光谱展宽12产生2μm波长的超短脉冲激光源202。2μm超短脉冲源202经过掺铥光纤放大器后激发中红外非线性光纤即中红外非线性光纤光谱展宽14获得2f倍频光谱宽度的中红外超连续光谱203。中红外超连续光谱203通过f-2f自参考系统204，获得频率梳的载波偏移频率(f0)205。反馈控制锁模种子源的泵浦光功率，实现载波偏移频率的锁定。进一步将1.5μm脉冲种子源激光201与精密稳频的连续激光206拍频，获得重复频率的误差信号。反馈控制激光器的腔长，实现中红外光频梳的频率锁定。
图3展示了1.5μm种子激光30、放大器31及2μm种子激光32产生的实施例示意图。1.5μm波段的锁模掺铒光纤激光器30作为中红外光频梳的脉冲种子源。该激光器采用全光纤的线性腔结构。泵浦光为单模980nm激光器301，泵浦光通过波分复用器(WDM)302耦合至激光腔内。半导体可饱和吸收体(SESAM)303加载在激光器的一端启动激光器的被动锁模。锁模脉冲种子源的平均输出功率为2mW，重复频率为80MHz，脉冲宽度为200fs，中心波长为1550nm。种子脉冲光进一步通过掺铒光纤放大器31，将脉冲的平均功率放大至100mW。光纤放大器通过色散管理及非线性过程，在放大过程中将1.5μm脉冲光宽度压缩至<100fs。放大后的1.5μm脉冲激光进一步入射至近红外的非线性光纤(HNLF)321。入射的脉冲光峰值功率高，并且非线性光纤321的非线性系数高，1.5μm超短脉冲的在HNLF中的自相位调制及拉曼效应较强，输出光谱会发生明显的展宽或者长波长的频移。在本实施例中为获多的2μm波长分量，非线性光纤(HNLF)采用负色散的掺锗非线性单模光纤或者光子晶体光纤，光纤长度约为20cm。自相位/拉曼产生的2μm光谱分量对应的傅里叶变换极限脉冲宽度小于100fs。该分量激光作为下一级的种子源进行后续功率放大。
2μm分量种子光的脉冲功率放大采用双包层掺铥光纤放大器。光纤放大器40的典型实施例如图4所示。2μm信号光通过光纤隔离器401耦合至放大器系统。放大器的泵浦源402采用793nm的多模半导体激光器。双包层光纤合束器403将2μm信号光及793nm泵浦光合束耦合至双包层掺铥光纤404中。信号光在掺铥光纤的纤芯中传输的过程并被包层中的793nm泵浦光放大。通过管理放大器光纤链路的色散，输出的2μm脉冲光平均功率达到W量级，脉冲宽度为～200fs。
为获得中红外的超连续光谱，将放大后的2μm超短脉冲激光入射至中红外的非线性光纤411中。中红外高非线性光纤411选择高非线性系数的硫系光纤。本实施例中选择As2S3光纤，非线性系数为20W-1m-1，零色散点位于1.8μm。此外，本实施例中的中红外非线性光纤411还可选择高非线性系数的氟系光纤，例如ZBLAN光纤。2μm高功率超短脉冲激光经过中红外非线性光纤后，光谱展宽产生了2-5μm光谱范围的超连续光谱42。该中红外超连续光谱42的最长波长大于2倍最短波长，即获得了倍频层的光谱范围。
获得倍频层的中红外超连续光谱后，进一步通过f-2f的自参考装置可以获得中红外光频梳的载波偏移频率f0。典型的f-2f的自参考载波偏移频率测量装置如图5所示。中红外超连续光谱42通过一个双色镜501，长波长分量(例如4μm)反射，短波长(2μm)分量透射。4μm长波长分量经过倍频PPLN晶体502倍频后，产生与短波长分支同样波长的光。两路光合束后通过滤光片(2μm带通)503入射至探测器504进行拍频。探测器连接至一RF射频谱仪。仔细调节2μm分支光路的延时505，在RF射频谱仪中可以观察到小于重复频率(80MHz)的20MHz左右的射频信号(注：f0在
在稳定了载波偏移频率f0后，此时中红外的光学频率梳的稳定性仅受到重复频率fr的影响。因此还需进一步将中红外频率梳的重复频率稳定。常用的方法为：将待稳定的脉冲光源与稳波长的连续激光进行拍频锁定。重复频率误差测量装置如图6所示。
在本实施例中，由于中红外稳定波长的连续激光器不容易获得，可将1.5μm锁模脉冲种子源的一部分输出306和精密稳频(线宽为mHz量级)的连续激光器601进行拍频。拍频得到的频差信号602然后被锁定至稳定的射频源上。锁定调整的变量为1.5μm锁模脉冲种子源的激光腔长。种子的激光的腔长反馈调节采用电驱动压电陶瓷(PZT)305拉伸光纤实现。锁定后的中红外光频梳的频率精度可以达到mHz量级。
以上所述实施例，近红外1.5μm锁模脉冲激光首先通过级联的非线性光谱展宽过程获得了中红外的超连续谱光源。然后通过f-2f的自参考以及重复频率测量装置，将中红外超连续谱光源的频率精密锁定。锁定的后的中红外光频梳线宽可达mHz量级。因此，利用该中红外光频梳进行测量的精度可达到10-18量级。该光学频率梳产生的方法和装置在中红外分子精密测量方面具有重要的意义。
