一种提高双光梳光谱系统频率稳定性的装置

摘要

本发明涉及一种提高双光梳光谱系统频率稳定性的装置，包括光学部分和电学部分，所述光学部分包括目标光频梳、参考光频梳、光学回路和混频器，所述目标光频梳与参考光频梳经过光学回路耦合在所述混频器上实现混频，产生微波双光梳；所述电学部分用于提取所述微波双光梳中的一根梳齿，并将所述梳齿进行相位锁定。本发明能够提高目标光频梳的频率稳定性，进而实现稳定的双光梳光谱系统。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种提高双光梳光谱系统频率稳定性的装置。

背景技术

光频梳是指在频域上由一系列等间距分布且高度稳定的频率线组成的宽带相干光源。光频梳具有两大重要特性：稳定的频域梳齿(频率线)及大光学带宽。这两种特性使得光频梳可以作为一种理想的光谱探测光源，极大促进了精密光谱领域的发展。双光梳是一种由光频梳发展而来的多外差探测技术，顾名思义，双光梳由两个光谱重叠的光频梳组成。双光梳技术作为枢纽，以一种简单的相干关系衔接了光学波段和电子学波段，其带来的重要现实应用价值之一是：双光梳光谱技术不需要任何移动的组件就能快速地获得高分辨率光谱信息。

基于光频梳技术的双光梳光谱系统，得益于独特的相干探测方案，具有设备体积小、无需机械扫描装置、光路简单、可实现实时光谱检测以及超高分辨率等优势。另外以量子级联激光器等高功率半导体激光器作为辐射源的双光梳光谱系统，还具备探究高能量密度下物质光谱特性的能力。

双光梳光谱系统需要光频梳具有极高的频率稳定性，然而激光器泵浦源(电流或光)的随机波动、工作温度、机械振动等干扰因素导致光频梳梳齿具有较大的频率波动。目前光频梳锁相的方案多采用与本振源直接锁定，该方案对作为参考源的本振本身提出很高的要求，不仅要具有超高的频率稳定性，而且对本振的频率、功率等方面有诸多限制，此外还需要倍频器、光学滤波器等额外的有源/无源器件构建光学锁相环路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高双光梳光谱系统频率稳定性的装置，提高目标光频梳的频率稳定性，进而实现稳定的双光梳光谱系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种提高双光梳光谱系统频率稳定性的装置，包括光学部分和电学部分，所述光学部分包括目标光频梳、参考光频梳、光学回路和混频器，所述目标光频梳与参考光频梳经过光学回路耦合在所述混频器上实现混频，产生微波双光梳；所述电学部分用于提取所述微波双光梳中的一根梳齿，并将所述梳齿进行相位锁定。

所述光学回路包括第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜和分束镜；所述目标光频梳和参考光频梳发出的激光脉冲分别经第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜准直，汇聚于所述分束镜，而后由所述第三离轴抛物面镜将汇聚的激光脉冲聚焦于所述混频器。

所述混频器的中频带宽大于所述目标光频梳与参考光频梳的梳齿间距。

所述电学部分包括带通滤波器、锁相环电路和射频源；所述带通滤波器用于从所述微波双光梳中提取一根梳齿；所述锁相环电路的RF端与所述带通滤波器的输出端相连，LO端与所述射频源相连，输出端与所述参考光频梳的电流源相连，用于根据所述射频源提供的本振信号对所述梳齿进行相位锁定。

所述射频源信号范围覆盖所述目标光频梳与参考光频梳的梳齿间距。

所述带通滤波器与锁相环电路的RF端之间还包括微波低噪声放大器，所述微波低噪声放大器用于放大提取出的一根梳齿。

所述锁相环电路中压控振荡器输出信号的作用对象为所述目标光频梳的偏置电流、工作温度以及激光器谐振腔腔长。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用混频器将目标光频梳(待稳定光频梳)与参考光频梳下转换至微波波段，形成微波双光梳，采用匹配微波带通滤波器，提取双光梳的一根梳齿，并将其通过电学锁相环与射频源提供的本振信号锁定，从而提高目标光频梳的频率稳定性，进而实现稳定的双光梳光谱系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种提高双光梳光谱系统频率稳定性的装置，包括光学部分和电学部分，所述光学部分包括目标光频梳、参考光频梳、光学回路和混频器，所述目标光频梳与参考光频梳经过光学回路耦合在所述混频器上实现混频，产生微波双光梳；所述电学部分用于提取所述微波双光梳中的一根梳齿，并将所述梳齿进行相位锁定。

所述光学回路包括第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜和分束镜；所述目标光频梳和参考光频梳发出的激光脉冲分别经第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜准直，汇聚于所述分束镜，而后由所述第三离轴抛物面镜将汇聚的激光脉冲聚焦于所述混频器。

本实施方式中，所述目标光频梳为目标对象，目的是实现目标光频梳的频率锁相，提高双光梳光谱系统频率稳定性。所述目标光频梳具有频率微调谐的特点，如通过驱动电流、温度、谐振腔腔长的改变实现准线性频率调谐。所述参考光频梳具有较高的频率稳定性，具备作为参考源的性能指标。所述目标光频梳与参考光频梳均以光频梳模式工作。所述目标光频梳与参考光频梳的电学偏置模式不受限定，本实施方式既适用于连续波模式工作的光频梳，也适用于脉冲波模式工作的光频梳。

所述混频器的响应波段与所述目标光频梳、参考光频梳的激射波段匹配，如针对太赫兹光频梳时，所述混频器可用肖特基混频器。所述混频器具有一定的中频带宽，能够覆盖微波双光梳波段。如目标光频梳与参考光频梳的梳齿间距相差3GHz，即微波双光梳载波为3GHz，要求混频器的中频带宽大于3GHz。

所述电学部分包括带通滤波器、锁相环电路和射频源；所述带通滤波器用于从所述微波双光梳中提取一根梳齿；所述锁相环电路的RF端与所述带通滤波器的输出端相连，LO端与所述射频源相连，输出端与所述参考光频梳的电流源相连，用于根据所述射频源提供的本振信号对所述梳齿进行相位锁定。所述带通滤波器与锁相环电路的RF端之间还包括微波低噪声放大器，所述微波低噪声放大器用于放大提取出的一根梳齿。

所述微波带通滤波器具有窄带宽，具备滤出单一双光梳梳齿的能力。如目标光频梳与参考光频梳的重复频率分别为6GHz和6.01GHz，产生的微波双光梳梳齿间距为10MHz，即要求带通滤波器带宽小于20MHz。

所述锁相环电路要求与微波双光梳载波频率匹配，如微波双光梳载波为3GHz，即要求锁相环电路中输入RF信号范围需覆盖3GHz。所述锁相环电路中压控振荡器输出信号的作用对象为目标光频梳的偏置电流、工作温度以及激光器谐振腔腔长等。

由此可见，本发明利用混频器将目标光频梳(待稳定光频梳)与参考光频梳下转换至微波波段，形成微波双光梳，采用匹配微波带通滤波器，提取双光梳的一根梳齿，并将其通过电学锁相环与射频源提供的本振信号锁定，从而提高目标光频梳的频率稳定性，进而实现稳定的双光梳光谱系统。

下面通过一个具体的实施例进一步说明本发明。值得一提的是，本领域技术人员可以对本实施例做各种改动或修改，包括但不限于更换激光器类(如气体激光器、半导体激光器等)，更换混频器类，更换工作波段等。此改动将作为本实施例的等价形式，同样落于本申请所附权利要求书所限定范围。

步骤S1：本实施例中待锁相光频梳(即目标光频梳)为太赫兹量子级联激光器光频梳，中心频率为4.2THz，光频梳重复频率为6GHz，激光器的激射频率随驱动电流呈现线性移动，记为光频梳1(如图1，光频梳1)。参考光频梳是重复频率为6.01GHz的太赫兹光频梳，记为光频梳2(如图1，光频梳2)。光频梳1与光频梳2对应的最小梳齿对间距为3GHz，即光频梳1与光频梳2混频产生的双光梳载波为3GHz。

步骤S2：提供低温超导热电子混频器作为混频器，其中频带宽为4GHz，工作温度为10K。

步骤S3：提供三个离轴抛物面镜、一个分束镜，构建光学回路。将光频梳1和光频梳2发出的激光脉冲分别经两个离轴抛物面镜准直，汇聚于分束镜，而后由第三个离轴抛物面镜将汇聚的激光脉冲聚焦于低温超导热电子混频器，产生载波为3GHz、重复频率为10MHz的微波双光梳。

步骤S4：提供带通滤波器(品牌：COM-MW,型号：ZBF5-D3000-20-181)、微波低噪声放大器(品牌：CONNPHY，型号：CLN-1G18G-4030S)。该带通滤波器的通带频率为2.99GHz～3.01GHz，该微波低噪声放大器的增益为40dB。低温超导热电子混频器通过高频同轴线缆连接带通滤波器，带通滤波器通过高频同轴线缆连接微波低噪声放大器。

步骤S5：提供两个电流源，分别给光频梳1和光频梳2供电。

步骤S6：提供锁相环电路、射频源(品牌：ROHDE&SCHWARZ，型号：SMA100B)。微波低噪声放大器通过高频同轴线缆连接锁相环电路的RF端，射频源通过高频同轴线缆连接锁相环电路的LO端，与光频梳2连接的电流源通过同轴线缆与锁相环电路的输出端连接，即光频梳2的驱动电流受锁相环电路调控。

步骤S7：带通滤波器滤出一根双光梳(3GHz光梳梳齿)后，射频源提供给锁相环的本振信号频率为3GHz、功率为10dBm。利用锁相环电路对这根双光梳进行相位锁定。利用光频梳的强相干性，进而实现高频率稳定性的双光梳系统。

不难发现，本发明利用双光梳技术将光学波段的光频梳下转换至微波波段，借助成熟的微波探测、滤波、放大等技术，将下转换的微波信号由电学锁相环锁定，进而避开在光学波段复杂的锁相操作。本发明极大地提高了双光梳光谱系统的频率稳定性，可应用于物质的精密光谱测量中。频率稳定性提高后的双光梳光谱系统是高速高分辨率成谱的较佳解决方案，有巨大的应用潜力。