重复频率锁定的783 nm飞秒光纤激光器研制

设计并搭建了重复频率长时精确锁定的783 nm飞秒光纤激光器。该激光器基于全保偏非线性干涉环镜(NALM),实现掺铒光纤振荡器锁模脉冲输出,由与脉冲分离器级联的环境稳定掺铒光纤双级放大器进行功率放大,实现了平均功率1.30 W、脉冲宽度130 fs、重复频率77.1 MHz、1560 nm脉冲输出;通过周期极化铌酸锂(PPLN)光学晶体倍频,获得了平均功率为0.52 W、脉冲宽度为140 fs、783 nm脉冲输出。通过重复频率监测及锁相环技术,进一步将掺铒光纤振荡器的重复频率溯源至参考铷原子钟,12 h内频率抖动峰-峰值为5 mHz、标准偏差为1.2 mHz。该激光器系统具有稳定性高、集成度高、体积小的特点。

面向室外应用的重复频率锁定皮秒脉冲光纤激光器

本文报道了一种可满足室外应用的具有重复频率锁定功能的皮秒脉冲光纤激光器。通过选用Figure-9光纤激光器结构,并通过优化腔结构来调控非线性,确保了激光器的快速锁模自启动功能;采用低导热材料绝热封装创建“恒温”微环境,松弛了室外环境下锁定重复频率对PZT频率调谐执行器件调谐量的要求。以此为基础,设计并研制了质量仅为3 kg的10 MHz、20 ps锁模光纤激光器样机。在室温、极端温度(-40℃或50℃)和振动(加速度为1.5g)环境下,该激光器样机都能保持快速锁模自启动和重复频率锁定功能;在室外环境下,该激光器样机的重复频率锁定功能可抵御夏季高温环境下的10℃温度波动。

全保偏飞秒光纤激光器异步锁定技术研究

基于全保偏掺铒光纤激光器、锁相环系统和太赫兹测距光路搭建了一套太赫兹双光梳测距系统。所采用的全保偏掺铒光纤激光器重复频率为79.261 MHz。利用压电陶瓷(piezoelectric ceramics,PZT)和步进电机(stepper motor,SM)双级反馈控制的方案,实现了重复频率锁定和重复频率1.54 MHz可调。使用频率计数器对双光梳重复频率锁定效果进行监测,重复频率锁定的峰峰值抖动为±1.5 mHz,抖动标准差为0.4 mHz。将双光梳重频差设置在10 Hz,10 min内重复频率差最大抖动为3 mHz,标准差为0.6 mHz。进一步将异步采样双光梳系统应用于太赫兹测距,测量移动距离的误差为3µm。该系统具有锁定精度高,稳定性强等优势,有望应用于生物无损检测和工业精密加工中。

双光梳重复频率差异步锁定技术研究

双光梳系统在高精度绝对距离测量、三维成像以及光谱测量等领域有着其独特的优势和广阔的发展前景。文中提出一种基于锁相环原理的异步锁定技术,可以对双光梳系统中的重复频率差进行精密锁定。实验中,采用了重复频率约为155.711 MHz和155.714 MHz的双光梳系统,通过反馈控制压电陶瓷(PZT)驱动电压从而控制激光器谐振腔腔长来实现重复频率差的锁定,并利用频率计数器采集锁定后双光梳重复频率差的数据,使用Allan方差和标准差作为频率稳定度的评价指标。最终在1 s的平均时间内,得到重复频率差的Allan偏差为1.8×10^(−13),抖动标准差为40.689μHz。结果表明,该技术可以对双光梳系统的重复频率差进行灵活调整,并具有锁定精度高、抗扰能力强等优点。

超短激光脉冲应用中的重频及重频差锁定技术研究

超短激光脉冲的高精度重复频率以及重频差锁定在光通信、距离测量以及光频梳等研究领域都有着重要应用。目前,商用重复频率及重频差锁定仪器仅可用于各公司自己的激光器,不具有通用性且价格较为昂贵;并且,同一台仪器无法同时用于实现重复频率及重频差的锁定。实验研究了超短激光脉冲应用中的重频及重频差锁定技术。实验中,通过直接将鉴相器后的混频信号输入到伺服控制系统中反馈控制激光器腔长,实现了重复频率锁定,锁定精度与商用重复频率锁定仪器相当。进一步使用自制的基于FPGA的频转压模块置于伺服控制器前端,实现了对重复频率锁定以及重频差的灵活切换锁定,大大降低成本的同时提高了使用灵活性。该频转压模块由于内部需要模拟信号转数字频率以及频率转电压的线性转换过程,会引入误差,因此锁定精度较商用仪器低一个量级,后期可通过对内部系统优化进一步提高锁定精度。

非线性放大环形镜被动锁模光纤激光器重复频率精确锁定研究

采用共振增强式非线性折射率调制技术实现了非线性放大环形镜锁模掺镱全保偏光纤激光器重复频率的精确锁定。通过在激光器非线性环内加入一个能提供线性相移的非互易性元件,有效减小了锁模脉冲的抽运阈值。进一步优化激光器的锁模抽运功率和控制光纤非线性折射率的抽运功率,可使激光器直接输出的最短脉冲为590fs,重复频率为20.48 MHz,重复频率峰-峰值的波动范围小于0.4mHz,相应的标准偏差为0.1mHz。

SESAM锁模全保偏光纤激光器重复频率的精确锁定

实验采用共振增强式非线性折射率调制技术实现了半导体可饱和吸收镜锁模全保偏掺镱光纤激光器重复频率的精确锁定。在掺镱光纤激光器的腔内加入一个980/1064nm的波分复用器(WDM)和一段掺铒增益光纤,通过反馈控制加载在该掺铒光纤上的976nm抽运光LD2功率调控掺铒光纤的非线性折射率,进而对激光器的光学腔长实施控制,最终实现重复频率的精确锁定。优化了不同掺铒光纤长度及抽运光初始功率对激光器重复频率控制范围和锁定精度的影响。结果表明:当掺铒光纤长度为1.75m时,通过调整抽运光功率能够实现180Hz的重复频率调整范围;而重复频率的锁定精度仅与抽运光的初始功率密切相关,并不受掺铒光纤长度的明显影响。当LD2抽运光强度为18mW时,重复频率峰-峰值的波动范围小于0.5mHz,相应的标准偏差为0.16mHz,输出功率的标准偏差为0.009mW。此外,通过反馈控制抽运源LD1的强度,并取掉了腔内的掺铒增益光纤及与其相连的WDM,发现由于共振增强非线性和克尔非线性对光纤折射率的叠加,在稳定的单脉冲锁模区间内,重复频率单调变化的范围增加至1kHz,而锁定精度略有降低。

异步采样全保偏光纤光梳系统研制

为了获得长期稳定的光梳光源,利用压电陶瓷(PZT)和步进电机双级反馈控制方案,研制了两台基于非线性放大环形镜(NALM)锁模的异步采样光纤光梳系统。研究表明:该系统重复频率为75 MHz,5 min内重复频率的锁定峰峰值为±2 mHz,标准差为0.70 mHz,90 h内锁定峰峰值为±10 mHz,标准差为1.26 mHz;光纤光梳输出端口的脉冲平均功率为30 mW,经3 m保偏单模光纤压缩后脉冲宽度约为90 fs;激光器的重复频率差Δf在1 Hz~500 kHz范围内连续可调,当异步采样频差Δf为80 Hz时,扫描周期为12.5 ms,可探测出信噪比为6.3的太赫兹信号。该方案避免使用传统机械延迟线,具有重复频率差精确可调、采样速度快、抗干扰能力强等优点。

6MHz重频调谐范围的稳定锁模掺镱光纤激光器

针对精密测量的实际应用需求,开发了具有6 MHz重复频率调谐范围的掺镱锁模光纤激光器。该光纤激光器利用啁啾光纤光栅实现色散补偿,可以实现不同色散域的锁模。实验中,系统研究了不同腔内净色散对锁模激光器输出特性和稳定性的影响,发现当具有一定负腔内净色散时,在不同的重复频率下都可以输出相同的光谱,同时输出光谱具有较好的高斯型。根据以上研究,特殊设计了稳定的简化腔结构和空间延迟线,同时优化了腔参数,保证了大范围的重复频率调谐和稳定的锁模运转。当中心重复频率为26 MHz时,调谐比率达到23%。激光器稳定输出平均功率为3.23 mW的飞秒激光脉冲,去啁啾后脉冲宽度为347 fs。基于此,将光纤锁模激光器重复频率锁定于铷原子钟,在1 s的平均时间内获得了2×10-10的艾伦方差。