《基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装置.pdf（14页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103762496 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103762496 A (21)申请号 201410004852.8 (22)申请日 2014.01.06 H01S 3/23(2006.01) H01S 3/131(2006.01) H01S 3/10(2006.01) G02F 1/39(2006.01) (71)申请人 中国科学院物理研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村南三街八 号 (72)发明人 魏志义 侯磊 韩海年 张金伟 张龙 田文龙 (74)专利代理机构 北京智汇东方知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11391 代理。
2、人 范晓斌 薛峰 (54) 发明名称 基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装 置 (57) 摘要 本发明提供了一种基于全固态飞秒激光器 的天文光学频率梳装置， 包括 ： 全固态飞秒激光 器， 用于产生具有第一重复频率的第一激光脉冲 序列， 所述第一激光脉冲序列中包含一选定波长 的成分 ； 光纤放大器， 用于对所述第一激光脉冲 序列的功率进行放大， 所述光纤放大器的工作波 长包含所述选定波长 ； 以及法布里 - 珀罗腔滤波 器， 用于对所述第一激光脉冲序列进行滤波， 从而 输出具有第二重复频率的第二激光脉冲序列 ； 其 中， 所述第二重复频率大于所述第一重复频率。 本 发明主要用于高分辨天文光谱。
3、仪的高精度波长定 标， 相比传统定标方式和基于光纤激光器的天文 光梳定标方式而言， 本发明具有更低的相位噪声 和边模抑制， 可以使天文光谱仪获得更高的视向 速度精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 8 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书8页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103762496 A CN 103762496 A 1/1 页 2 1. 一种基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装置， 用于由具有第一纵模间隔的多 个纵模形成的第一光学频率梳作为光梳种子源形成具有第二纵模间隔的第二光学频率梳， 并。
4、且所述第二纵模间隔大于所述第一纵模间隔 ； 所述天文光学频率梳装置包括 ： 全固态飞秒激光器， 用于产生具有第一重复频率的第一激光脉冲序列， 所述第一激光 脉冲序列中包含一选定波长的成分 ； 其中， 由所述第一激光脉冲序列提供所述第一光学频 率梳 ； 光纤放大器， 用于对所述第一激光脉冲序列的功率进行放大， 所述光纤放大器的工作 波长包含所述选定波长 ； 法布里 - 珀罗腔滤波器， 用于对所述第一激光脉冲序列进行滤波， 从而输出具有第二 重复频率的第二激光脉冲序列 ； 其中， 所述第二重复频率大于所述第一重复频率， 并由所述 第二激光脉冲序列提供所述第二光学频率梳。 2. 根据权利要求 1 所。
5、述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 还包括第一锁定装置， 用 于将所述第一激光脉冲序列的所述第一重复频率及其载波包络相位漂移锁定至第一外部 信号参考源。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 还包括 ： 可调谐的连 续激光器， 用于提供一连续激光 ； 和第二锁定装置， 用于调节所述连续激光的频率并将其无 间隔地锁定至所述第一光学频率梳的所述多个纵模中的一个选定纵模的频率 ； 其中， 根据 所述连续激光的被锁定频率确定所述第一光学频率梳的所述选定纵模的频率。 4. 根据权利要求 3 所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 还包括第三锁定装置， 用 于根据。
6、所述连续激光调节并锁定所述法布里 - 珀罗腔滤波器， 以使得所述连续激光的被锁 定频率成为所述法布里 - 珀罗腔滤波器的共振频率。 5. 根据权利要求 1-4 中任一项所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 还包括频率 变换器， 用于将所述第二光学频率梳进行光谱转换或者扩展。 6. 根据权利要求 1-5 中任一项所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 所述全固态 飞秒激光器的增益介质选自钛宝石晶体或掺 Yb 的晶体， 和 / 或， 所述光纤放大器的光纤介 质为掺 Yb 的单模或双包层光纤。 7.根据权利要求6所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 所述选定波长为1030nm。 8. 根据。
7、权利要求 1-7 中任一项所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 所述法布 里 - 珀罗腔滤波器包括一级或多级法布里 - 珀罗腔 ； 所述法布里 - 珀罗腔由两片高反镜组 成。 9. 根据权利要求 1-8 中任一项所述的天文光学频率梳装置， 其特征在于， 所述第一重 复频率选自 200MHz-1GHz 的范围内， 所述第二重复频率选自 20GHz-30GHz 的范围内。 权 利 要 求 书 CN 103762496 A 2 1/8 页 3 基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装置 技术领域 0001 本发明涉及超快激光技术领域， 特别是涉及一种基于全固态飞秒激光器的天文光 学频率梳装置。 背。
8、景技术 0002 近年来随着飞秒激光技术的发展， 基于飞秒激光的光学频率梳在精密光谱学、 光 频标、 基本物理常数测量、 光梳测距等领域都有着广泛的应用。特别是在天文领域， 天文学 家在进行类地行星探测、 宇宙膨胀速度测量等等需要高精度视向速度的研究中， 需要一种 能够对天文光谱仪进行高精度波长定标的技术， 天文光学频率梳就是这样一种合适的工 具。 0003 光学频率梳能够输出具有相同纵模间隔的一系列分离的光频率， 就像一把尺子一 样， 很适合做光谱仪的定标工具。 但是目前高分辨天文光谱仪的分辨性能在20GHz到30GHz 之间， 也就是说光学频率梳的纵模间隔 （又称重复频率） 也要在这个量级。
9、才能够被天文光谱 仪分辨出来， 而通常的光学频率梳重复频率是在 MHz 到 1GHz 量级， 因此需要采取一定的技 术提高光学频率梳的重复频率。通常采用法布里 - 珀罗腔 （简称 F-P 腔） 滤波技术 （参见 Theodore sizer， IEEE Journal of Quantum Electronics， Vol25.No.1， (1989)） ， 通过调节 F-P 腔的腔长实现对种子光学频率梳不匹配纵模的滤除， 从而提高纵模间距， 得到高重复频 率的天文光梳。这个技术被广泛采用， 并且为了改善滤波后天文光学频率梳的光谱窄化效 应、 提高F-P腔稳定性及提高边模抑制， 多个低精细度F。
10、-P腔级联的方案也被提出来并获得 了良好应用效果 （参见 T.Steinmetz et al， Appl Phys B96(2-3)， (2010)） 。 0004 目前典型的天文光学频率梳装置可以分为两类， 一类是采用掺 Er 或 Yb 光纤激光 器作为源的光纤光学频率梳装置， 另一类是采用钛宝石激光器作为源的全固态光学频率梳 装置。 前者的优点在于可以通过放大轻易补偿F-P腔引入的损耗， 因此可以采用两级F-P腔 滤波方案 ； 缺点在于相噪较高。后者的优点在于相噪较低 ； 缺点在于无法简单地放大功率， 必须采用复杂的放大装置才能放大 ； 并且由于目前天文光学频率梳上采用的钛宝石激光器 没有。
11、放大单元， 因此无法采用两级 F-P 腔滤波方案， 导致天文光学频率梳的功率很低。 发明内容 0005 本发明针对现有技术中的天文光学频率梳存在的上述缺陷， 提供一种基于全固态 飞秒激光器的天文光学频率梳装置。 该装置结合了全固态光学频率梳低相噪及光纤光学频 率梳易放大的优点， 将成为具有最高视向速度测量精度的天文光谱仪定标系统。 0006 为了实现上述目的， 本发明提供了一种天文光学频率梳装置， 用于由具有第一纵 模间隔的多个纵模形成的第一光学频率梳作为光梳种子源形成具有第二纵模间隔的第二 光学频率梳， 并且所述第二纵模间隔大于所述第一纵模间隔 ； 所述天文光学频率梳装置包 括 ： 0007。
12、 全固态飞秒激光器， 用于产生具有第一重复频率的第一激光脉冲序列， 所述第一 说 明 书 CN 103762496 A 3 2/8 页 4 激光脉冲序列中包含一选定波长的成分 ； 其中， 由所述第一激光脉冲序列提供所述第一光 学频率梳 ； 0008 光纤放大器， 用于对所述第一激光脉冲序列的功率进行放大， 所述光纤放大器的 工作波长包含所述选定波长 ； 0009 法布里 - 珀罗腔滤波器， 用于对所述第一激光脉冲序列进行滤波， 从而输出具有 第二重复频率的第二激光脉冲序列 ； 其中， 所述第二重复频率大于所述第一重复频率， 并由 所述第二激光脉冲序列提供所述第二光学频率梳。 0010 在一种实。
13、施方式中， 所述天文光学频率梳装置还可以包括第一锁定装置， 用于将 所述第一激光脉冲序列的所述第一重复频率及其载波包络相位漂移锁定至第一外部信号 参考源。 0011 在一种实施方式中， 所述天文光学频率梳装置还可以包括 ： 可调谐的连续激光器， 用于提供一连续激光 ； 和第二锁定装置， 用于调节所述连续激光的频率并将其无间隔地锁 定至所述第一光学频率梳的所述多个纵模中的一个选定纵模的频率 ； 其中， 根据所述连续 激光的被锁定频率确定所述第一光学频率梳的所述选定纵模的频率。 0012 在一种实施方式中， 所述第二锁定装置可以包括信号发射器， 声光移频器， 光电探 测器以及第二电子锁相电路， 所。
14、述信号发射器锁定至一射频参考源， 用于提供选定频率的 驱动信号至所述声光移频器 ； 所述声光移频器用于使所述连续激光产生与所述选定频率大 小相同的频移 ； 所述光电探测器用于探测所述连续激光产生所述频移后与所述第一光学频 率梳的所述选定纵模的拍频信号 ； 所述第二电子锁相电路用于将所述拍频信号锁定至所述 选定频率。 0013 在一种实施方式中， 所述天文光学频率梳装置还可以包括第三锁定装置， 用于根 据所述连续激光调节并锁定所述法布里 - 珀罗腔滤波器， 以使得所述连续激光的被锁定频 率成为所述法布里 - 珀罗腔滤波器的共振频率。 0014 在一种实施方式中， 所述天文光学频率梳装置还可以包括。
15、频率变换器， 用于将所 述第二光学频率梳进行光谱转换或者扩展。 0015 在一种实施方式中， 所述全固态飞秒激光器的增益介质可以选自钛宝石晶体或掺 Yb 的晶体， 和 / 或， 所述光纤放大器的光纤介质可以为掺 Yb 的单模或双包层光纤。在一种 实施方式中， 所述选定波长可以为 1030nm。 0016 在一种实施方式中， 所述法布里 - 珀罗腔滤波器可以包括一级或多级法布里 - 珀 罗腔 ； 所述法布里 - 珀罗腔由两片高反镜组成。 0017 在一种实施方式中， 所述第一重复频率可以选自 200MHz-1GHz 的范围内， 所述第 二重复频率可以选自 20GHz-30GHz 的范围内。 00。
16、18 本发明至少具有以下优点 ： 0019 1） 按照本发明， 采用全固态飞秒脉冲激光器发出的激光脉冲序列作为种子， 可以 获得具有更高重复频率的光学频率梳。这样， 当将重复频率提高至例如 20GHz 到 30GHz 的 水平时， 则可以实现低相位噪声的天文光学频率梳。 采用光纤放大器直接放大功率， 对于两 级或多级 F-P 腔的使用提供可能。两级低精细度 F-P 腔滤波器代替一级高精细度 F-P 腔滤 波器有利于系统的稳定和保持透射光谱宽度。 0020 2） 本发明装置结合了目前通用的光纤天文光学频率梳和钛宝石天文光学频率梳 说 明 书 CN 103762496 A 4 3/8 页 5 两者。
17、的优点， 使低相噪种子和光纤直接放大在一个装置中同时实现， 将成为具有最低相噪 的可见光天文光学频率梳。 0021 3） 本发明能够在输出端获得高重复频率， 高边模抑制比， 波长覆盖可见范围的天 文光学频率梳， 其波长稳定度与参考源相当， 并可长期保持稳定不变。 0022 4） 本发明主要用于高分辨天文光谱仪的高精度波长定标， 相比传统定标方式和基 于光纤激光器的天文光学频率梳定标方式而言， 本发明具有更低的相位噪声和边模抑制， 可以使天文光谱仪获得更高的视向速度精度， 从而为类地行星测量、 宇宙膨胀速度测量等 重要天文研究提供有力工具。 0023 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述。
18、， 本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述以及其他目的、 优点和特征。 附图说明 0024 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解， 这些 附图未必是按比例绘制的。附图中 ： 0025 图 1 是根据本发明一个实施例的基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装置 的结构示意图 ； 0026 图 2 是根据本发明一个实施例的基于钛宝石飞秒激光器的天文光学频率梳装置 ； 0027 图 3 是根据本发明一个实施例的全固态飞秒激光器为掺 Yb 晶体激光器的天文光 学频率梳装置 ； 0028 图4a和。
19、图4b分别是根据本发明不同实施例的天文光学频率梳装置的两级光纤放 大的滤波方式 ； 0029 图 5a 和图 5b 分别是根据本发明不同实施例的天文光学频率梳装置的频率变换 器。 具体实施方式 0030 本发明的天文光学频率梳装置， 用于由具有第一纵模间隔的多个纵模形成的第一 光学频率梳作为光梳种子源形成具有第二纵模间隔的第二光学频率梳， 并且第二纵模间隔 大于第一纵模间隔。图 1 是根据本发明一个实施例的基于全固态脉冲激光器的天文光学频 率梳装置的结构示意图。 如图1 所示， 本发明的天文光学频率梳装置一般性地可包括 ： 全固 态脉冲激光器 1011， 光纤放大器 102， 连续激光器 10。
20、31， 法布里 - 珀罗腔滤波器 1041， 第一 锁定装置 1012， 第二锁定装置 1032 以及第三锁定装置 1042。 0031 全固态脉冲激光器 1011 用于产生具有第一重复频率的第一激光脉冲序列， 第一 激光脉冲序列中包含一选定波长的成分 ； 第一激光脉冲序列在频域中变换为第一光学频率 梳。 第一锁定装置1012用于将第一激光脉冲序列的第一重复频率110及其载波包络相位漂 移 （CEO） 111 锁定至第一外部信号参考源 （图中未示出） 。全固态脉冲激光器 1011 与第一锁 定装置 1012 的锁定关系如框图 101 所示。光纤放大器 102 用于对第一激光脉冲序列的功 率进行。
21、放大， 光纤放大器的工作波长包含选定波长。连续激光器 1031 是可调谐的， 用于提 供一连续激光。第二锁定装置 1032 用于调节连续激光的频率并将其无间隔地锁定至第一 说 明 书 CN 103762496 A 5 4/8 页 6 光学频率梳的多个纵模中的一个选定纵模的频率。其中， 根据连续激光的被锁定频率确定 第一光学频率梳的选定纵模的频率。连续激光器 1031 与第二锁定装置 1032 的锁定关系如 框图 103 所示。法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 用于对第一激光脉冲序列进行滤波， 从而输出 具有第二重复频率的第二激光脉冲序列 ； 其中， 第二重复频率大于第一重复频率， 并由第二 。
22、激光脉冲序列提供第二光学频率梳。第三锁定装置 1042 用于根据连续激光调节并锁定法 布里 - 珀罗腔滤波器 1041， 以使得连续激光的被锁定频率成为法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 的共振频率。法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 与第三锁定装置 1042 的锁定关系如框图 104。 频率变换器 105， 用于将第二光学频率梳进行光谱转换或者扩展。 0032 全固态脉冲激光器 1011 可以为全固态飞秒激光器。全固态飞秒激光器具有较低 相噪、 较高重复频率的特点， 经过放大滤波后这些特点还会保持， 因此可以为天光学频率梳 提供高品质的光梳种子源。全固态飞秒激光器的增益介质可以采用平面晶体或。
23、布儒斯特 角切割的晶体， 可以是钛宝石晶体， 掺 Yb 的晶体或者其它晶体， 例如可以是 Yb:KGW 晶体、 Yb:YGG 晶体或 Yb:KYW 晶体等。全固态飞秒激光器提供的的飞秒激光优选为包括波长为 1030nm 的激光脉冲序列。激光脉冲序列通过第一锁定装置 1012 将激光脉冲序列的重复频 率 110 和 CEO111 与一外部信号参考源如微波参考源锁定。微波参考源可以为铯钟、 氢钟或 铷钟等。 光纤放大器102可以由高功率半导体泵浦的光纤介质组成， 可以直接对MHzGHz 量级的激光脉冲序列进行放大。针对超短脉冲激光的波长， 光纤放大器的光纤介质可以采 用单模光纤直接放大， 也可以选。
24、取掺Yb的单模或双包层光纤， 在1030nm中心波长处将激光 脉冲序列的功率高效放大到 1W 以上， 以补偿后续 F-P 腔滤波的能量损失。 0033 连续激光器 1031 通过第二锁定装置 1032 将连续激光与激光脉冲序列达到无间 隔的完全锁定。连续激光器 1031 提供的连续激光实际上是用来确定光学频率梳的某个梳 齿频率， 通过确定光学频率梳中某个纵模的纵模数， 从而确定其频率， 为光学频率梳的绝对 频率定标。连续激光器 1031 可以是半导体连续激光器、 全固态连续激光器或光纤连续激光 器。 可以采用半导体泵浦或全固态连续激光泵浦， 腔型可以是直腔或者环形腔， 利用克尔透 镜锁模或饱和。
25、吸收体锁模实现超短脉冲输出。输出的超短脉冲的重复频率大于 200MHz， 可 以在 200MHz 1GHz 范围内。连续激光的中心波长可以在激光脉冲序列的光谱范围内， 连 续激光的光谱中可以包含 1030nm 光谱成份。连续激光的脉冲宽度可以在 150fs 以下。对 于连续激光的线宽也没有太高的要求， 在 kHz 量级就可以。连续激光作为确定光学频率梳 的光学频率的校准波长， 与激光脉冲序列一同经过法布里 - 珀罗腔滤波器 1041。 0034 法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 在连续激光与激光脉冲序列达到无间隔的完全锁定 之后， 由连续激光确定法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 的腔长。通。
26、过第三锁定装置 1042 将法 布里-珀罗腔滤波器1041与连续激光锁定， 从而使得经功率放大的光脉冲序列由所述法布 里 - 珀罗腔滤波器 1041 提高重复频率。法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 是通过对某些纵模的 滤波实现纵模间隔扩大， 从而提高重复频率。法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 可以包括单级或 多级法布里 - 珀罗腔 （分别对应单级滤波器和多级滤波器） 。法布里 - 珀罗腔可以由两片高 反镜或凹面镜组成。可以在高反镜的表面镀制的高反膜对超短脉冲零色散。法布里 - 珀 罗腔的腔长可以是全固态飞秒激光器腔长的 1/n， 则得到滤波后的光学频率梳的重复频率 为飞秒激光重复频率的 n。
27、 倍。为了得到高的边模抑制比， 单级滤波器要求法布里 - 珀罗腔 的精细度高 （即镜片反射率高） ， 而多级滤波器采用低精细度就可以达到单级的边模抑制效 说 明 书 CN 103762496 A 6 5/8 页 7 果， 同时又可以得到大于高精细单级滤波器的透过光谱宽度。因此， 采用两级法布里 - 珀罗 腔滤波器更为合适。对于两级及以上滤波器来说， 镜片反射率的要求可以降低， 85% 以上的 反射率就可以， 精细度的降低有力于滤波器的调节和稳定， 同时还可以保证高的边模抑制 比和宽的透射光谱范围。 0035 频率变换器 105 可以为非线性晶体， 如 BBO、 PPLN 等 ； 也可以是高非线。
28、性的光纤材 料， 如光子晶体光纤， 拉锥单模光纤等。 通过飞秒激光的倍频、 自相位调制、 四波混频等非线 性效应实现光谱的转换或扩展。为了保证高的峰值功率发生非线性效应， 可以先采用光栅 对或者棱镜对对飞秒脉冲进行压缩， 然后采用非线性晶体或高非线性的特殊光纤经过倍频 或超连续光谱产生可见光波长。 0036 第一锁定装置 1012、 第二锁定装置 1032 和第三锁定装置 1042 分别将飞秒激光锁 定到外部微波参考源、 连续激光锁定到飞秒激光、 法布里 - 珀罗腔锁定到连续激光， 从而实 现整个光学频率梳的闭环稳定， 提供长期稳定的大于 20GHz 以上的天文光学频率梳输出。 这三个锁定装置。
29、都是通过电子反馈控制实现整个天文光学频率梳的频率稳定， 上述锁定的 顺序是先将飞秒激光锁定到外部微波参考源， 再将连续激光锁定到飞秒激光上， 最后将法 布里 - 珀罗腔锁定到连续激光上， 从而保证最后得到的是频率长期稳定到外部微波参考源 的天文光学频率梳。 0037 下面结合图 1 示例性地描述本发明的天文光学频率梳装置的工作过程。 0038 将全固态脉冲激光器 1011 输出的飞秒激光的重复频率和 CEO 同时锁定到一个外 部微波钟上， 这里需要两个锁相环电路分别控制重复频率和 CEO， 锁定方法与传统光学频率 梳锁定方法相同。将与微波钟锁定后的飞秒激光作为种子注入到光纤放大器 102 中，。
30、 可以 采用非球面透镜耦合到光纤中， 经过一级或多级光纤放大后， 飞秒激光再经过一个偏振光 束分束器 （PBS） 进入法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 中。将连续激光锁定到与微波钟锁定后 的飞秒激光上， 这里提取的是连续激光与飞秒激光的拍频信号， 将此拍频信号与外部微波 钟进行鉴相得到误差信号， 然后误差信号再经过比例积分环路进行滤波得到控制电压， 将 此控制电压直接输给连续激光泵浦源的电流驱动控制泵浦光功率， 达到连续激光锁定到飞 秒激光的目的。 0039 与飞秒激光锁定后的连续激光通过同一块PBS与飞秒激光一同耦合到法布里-珀 罗腔滤波器 1041 中。法布里 - 珀罗腔滤波器 1041。
31、 的 F-P 腔是实现重复频率提高的关键部 分， 可以在 F-P 腔的两个镜片上分别安装压电陶瓷 （PZT） ， 通过外部函数发生器驱动其中一 个 PZT 做低频扫描， 同时这个 PZT 用作锁相环控制 F-P 腔长的致动器， 另一个做几十 kHz 的 振荡提供锁定所需的调制。将 F-P 腔锁定到连续激光上， 这里是利用 F-P 腔两个镜片上安 装的 PZT ： 一个 PZT 用于调制激光， 另一个 PZT 用于扫描和锁定， 提取透过 F-P 腔的连续激 光， 经过本振调制信号解调得到误差信号， 然后误差信号再经过比例积分环路进行滤波得 到控制电压， 将此控制电压输入给PZT的高压驱动器控制P。
32、ZT的伸缩， 从而驱动镜片伸缩改 变 F-P 腔的腔长， 达到 F-P 腔锁定到连续激光的目的。可以将一个 F-P 腔的镜片装在平移 台上， 通过调节平移台调整 F-P 腔的腔长， 使之与全固态飞秒激光器 1011 的振荡腔长成 1/ n关系， 则得到F-P腔的透射峰为重复频率提高到n倍的飞秒光学频率梳。 调整连续激光和 飞秒激光使它们在 F-P 腔中共线， 则可以利用连续激光与飞秒激光的拍频测量出飞秒激光 某个纵模的绝对频率， 实现连续激光为天文光学频率梳的波长定标。经过一级 F-P 腔滤波 说 明 书 CN 103762496 A 7 6/8 页 8 后， 由于滤波后重复频率提高 n 倍的。
33、同时功率变为原来的 1/n， 为了补偿损耗的功率， 可以 再将脉冲经过光纤放大后再注入二级 F-P 腔进行滤波， 二级 F-P 腔的腔长可以根据最终想 要得到的重复频率来确定， 一般天文光学频率梳重复频率提高到 20-30GHz 比较合适。为了 将天文光学频率梳的中心波长从红外变换到可见， 将经过两级滤波后的飞秒激光耦合进频 率变换器 105， 如果功率不够可以经过光纤放大和压缩， 然后聚焦到非线性晶体中倍频产生 可见光天文光学频率梳， 或者直接入射到高非线性光纤中将光谱扩展到可见波段。 0040 图2是根据本发明一个实施例的全固态飞秒激光器为5fs宽谱钛宝石飞秒激光器 的光学频率梳装置。 5。
34、fs宽谱钛宝石飞秒激光器包括泵浦源01， 以及由第三平面反射镜10、 第二平面反射镜09、 第一平凹镜03， 钛宝石增益介质04， 第二平凹镜05， 第一平面反射镜06 以及输出镜 07 组成的谐振腔。5fs 宽谱钛宝石飞秒激光器的锁模机制是克尔透镜锁模， 经 过精细的色散补偿后， 实现包括 1030nm 成分的一个倍频程光谱范围的 5fs 宽谱脉冲。第一 锁定装置 1012 可以包括 CEO 探测装置 12， 光电探测器 （PD） 11， 第一电子锁相电路 1013， 声 光调制器 （AOM） 02 以及设置在第三平面反射镜 10 面向谐振腔外侧的一面的 PZT。 0041 CEO探测装置1。
35、2采用的f-to-2f干涉法来探测CEO信号。 第一电子锁相电路1013 用来将 5fs 宽谱钛宝石飞秒激光器的重复频率和 CEO 频率锁定。5fs 宽谱脉冲经分束镜 08 分出一束激光， 入射至 CEO 探测装置 12。CEO 探测装置 12 探测到一定的 CEO 信号 （例如大 于35dB） ， 并将CEO信号输入第一电子锁相电路1013中， 通过负反馈控制AOM02将CEO信号 锁定到微波参考信号 （图中未示出） ， 其稳定性与微波参考信号的稳定性相当。同理将光电 探测器 （PD） 11 探测的重复频率信号通过第一电子锁相电路 1013 锁定在稳定的微波参考信 号上， 这样就实现宽谱钛宝。
36、石光梳的闭环锁定， 其稳定性与微波参考信号稳定性相当。 从分 束镜 08 分出的另一束激光的一部分经第六平面反射镜 15 到达 PBS16。 0042 连续激光器选取为半导体连续激光器 22， 其调谐范围在 980-1075nm 内连续可调， 其线宽可以在 500kHz 左右。半导体连续激光器 22 的输出波长选择飞秒激光中包含的波 长， 例如可以选择波长为 1040nm 成分与飞秒激光做拍频。拍频锁定采用的是第二锁定装置 1032 和稳定的射频参考源 （图中未示出） 两部分。第二锁定装置 1032 可以包括信号发射器 20， 声光移频器 （AOFS） 21， 光电探测器 19 以及第二电子锁。
37、相电路 1033。信号发射器 20 锁 定至一外部射频参考源， 用于提供选定频率的驱动信号至声光移频器21。 声光移频器21用 于使连续激光产生与选定频率大小相同的频移。光电探测器 19 用于探测连续激光产生频 移后与第一光学频率梳的选定纵模的拍频信号。第二电子锁相电路 1033 用于将拍频信号 锁定至选定频率。具体地， 首先将信号发生器 20 锁定在一个稳定的射频参考源上， 这样就 可以保证与射频参考源具有相同的稳定度， 然后射频参考源输给声光移频器 21 选定频率 如 80MHz 的驱动信号， 从半导体连续激光器中出来的连续激光经过 AOFS21 后的频率被加 / 减 80MHz， 再经第。
38、七平面反射镜 23 与光学频率梳在 PBS16 中共线并一同经过二分之一玻片 17 保证其具有相同的偏振态， 之后在 PBS18 中做拍频。PD19 采集拍频信号并传送至第二电 子锁相电路 1033， 由第二电子锁相电路 1033 将拍频信号锁定到 80MHz 的射频参考源上， 从 而将连续激光锁定到飞秒激光上。 这样就达到光学频率梳的某一梳齿与连续光的无间隔锁 定。 0043 在光学频率梳和拍频锁定的基础上， 将光学频率梳的 1030nm 附近光谱成分耦合 到光纤放大器 102 中， 其中光纤放大器 102 的增益光纤采用 12cm 长的单模增益光纤作为预 说 明 书 CN 10376249。
39、6 A 8 7/8 页 9 放大， 然后再经过 3m 长双包层增益光纤的主放大， 将其功率放大到 2W。放大后的飞秒激光 经第四平面反射镜13反射后与连续激光通过PBS14共线传输， 紧接着经第五平面反射镜24 反射后同时通过法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 最终达到大于 20GHz 重复频率。法布里 - 珀 罗腔滤波器 1041 的法布里 - 珀罗腔包括高反射率镜片和 PZT 两部分， 其中滤波器采用平凹 腔， 其反射率为 99.5%， 镀膜范围在 1000-1100nm， 色散为 0fs2， 平镜直径为 7.5mm， 凹面镜曲 率为 500， 直径为 12.7mm。采用紫外胶将 7.5m。
40、m 的平面镜粘在环形 PZT 上。连续激光与法 布里 - 珀罗腔滤波器 1041 共振信号经 PBS26、 PD25 输入第三电子锁相电路 1043 后， 通过控 制法布里 - 珀罗腔上的 PZT 来实现对其腔长的精细控制最终达到锁定。第三电子锁相控制 电路 1043 采用的是 PDH 锁定方式， 主要包括鉴相器和比例积分微分控制电路两部分。 0044 从滤波器中出来的高重复频率的光学频率梳经平面反射镜 27、 28 反射后进入频 率变换器 105 实现宽谱的可见天文光学频率梳的输出。频率变换器 105 包括光纤放大器 29、 透镜 30、 非线性晶体 31、 透镜 32。光纤放大器 29 的。
41、参数可以与光纤放大器 102 相同， 将 光学频率梳功率放大到 2W。非线性晶体 31 采用的是 BBO， 从而实现 500nm 附近的可见光。 这样就实现一个完整的基于钛宝石飞秒激光的天文光学频率梳。图 2 中的三个电子锁相电 路都是通过电子反馈控制实现整个天文光梳的频率稳定， 这三个电子锁相电路组成基本相 同， 都包括鉴相、 比例积分环路及致动控制三个部分。 0045 图 3 是根据本发明一个实施例的全固态飞秒激光器为掺 Yb 晶体激光器的天文光 学频率梳装置。在该实施例中， 除了全固态飞秒激光器不同外， 其余与图 2 示出的天文光学 频率梳装置相同。图 3 示出的部分相当于图 2 中的框。
42、图 101。 0046 在图 3 中， 采用全固态 Yb:YGG 飞秒光学频率梳代替图 2 中的宽谱钛宝石光学频率 梳， 构成一台基于 Yb:YGG 飞秒激光器的新的天文天文光学频率梳装置。如图 3 所示， 全固 态 Yb:YGG 飞秒激光器包括 LD 泵浦源 33， 以及由输出耦合镜 38， 第四平凹镜 36， Yb ： YGG 晶 体 35， 第三平凹镜 34， 平面反射镜 40， 平面反射镜 10 组成的谐振腔。全固态 Yb:YGG 飞秒 激光器采用Yb:YGG晶体的克尔透镜锁模， 其发射光谱成分包括1030nm的飞秒激光成分， 其 色散主要采用 GTI 镜补偿， 使其工作在零色散区域附。
43、近。从谐振腔出射的飞秒激光由反射 镜 39 输送至 CEO 探测装置 12。CEO 探测装置 12 和第一电子锁相电路 1013 与图 2 所示的 实施例相同。采用第一电子锁相电路 1013 将 CEO 探测装置 12 测定 CEO 和 PD37 测得的重 复频率锁定在稳定的信号源上。这样就实现一台稳定的基于 Yb:YGG 飞秒激光器的天文光 学频率梳装置。 0047 图4a和图4b分别是根据本发明两个实施例的天文光学频率梳装置的两级光纤放 大的滤波方式。图 4a 先采用第一个光纤放大器 102 将全固态脉冲激光器 1011 产生的激光 脉冲序列的功率放大到 2W， 然后经过第一级法布里 - 。
44、珀罗腔滤波器 1041 得到 4.5GHz 重复 频率， 接着将空间光耦合到第二个光纤放大器 102 中将功率放大到 2W 左右， 随后经过第二 级法布里 - 珀罗腔滤波器 1041 得到重复频率大于 20GHz 的光学频率梳输出。图 4b 中的激 光脉冲序列连续经过两级光纤放大将其功率放大到约 5W 后， 然后先后经过第一级和第二 级法布里 - 珀罗腔滤波器 （相当于二级法布里 - 珀罗腔滤波器） 得到重复频率大于 20GHz 的 光学频率梳输出。对于上述的两种滤波方式， 都可以实现基于全固态飞秒激光器的光学频 率梳输出。 0048 图 5a 和图 5b 分别是根据本发明两个实施例的天文光学。
45、频率梳装置的频率变换 说 明 书 CN 103762496 A 9 8/8 页 10 器。图 5a 中所示的频率变换器是将滤波后的高重复频率的光学频率梳经光纤放大器 29 将 光功率放大到 15W 左右， 然后再采用光栅对 41、 42 对脉冲进行压缩， 然后在 BBO 非线性晶体 32 中实现 500nm 的高重复频率的光谱输出， 最后采用高非线性光子晶体光纤对 43、 44 光谱 进行展宽。图 5b 中所示的频率变换器是将滤波后的高重复频率的光学频率梳经光纤放大 器 29 将光功率放大到 15W 左右， 再采用光栅对 41、 42 对脉冲进行压缩， 然后直接经过高非 线性光子晶体光纤对 4。
46、3、 44 进行光谱展宽， 使其展宽到可见光波段。这两种方式都可以实 现从红外光到可见光的频率变换。可以将图 2 中的频率变换器 105 替换为图 5 示出的任一 个频率变换器， 均能实现基于全固态飞秒激光器的天文光梳的频率转换。 0049 至此， 本领域技术人员应认识到， 虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例， 但是， 在不脱离本发明精神和范围的情况下， 仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此， 本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有这些其他变型或修改。 说 明 书 CN 103762496 A 10 1/4 页 11 图 1 说 明 书 附 图 CN 103762496 A 11 2/4 页 12 图 2 说 明 书 附 图 CN 103762496 A 12 3/4 页 13 图 3 图 4a 图 4b 说 明 书 附 图 CN 103762496 A 13 4/4 页 14 图 5a 图 5b 说 明 书 附 图 CN 103762496 A 14 。