基于光纖光梳的傳遞振蕩器技術(shù)研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-26 01:41
研究了基于光纖飛秒光學(xué)頻率梳的傳遞振蕩器技術(shù),介紹了其基本原理,設(shè)計(jì)并搭建傳遞振蕩器系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了主激光器與從激光器光學(xué)頻率的相干傳遞,鎖定后系統(tǒng)環(huán)內(nèi)拍頻信號(hào)的s級(jí)頻率穩(wěn)定度達(dá)5×10-19量級(jí)。搭建了兩套傳遞振蕩器系統(tǒng),將主激光器的光學(xué)頻率同時(shí)傳遞至兩個(gè)獨(dú)立的從激光器,分析了鎖定后兩個(gè)從激光器拍頻信號(hào)引入系統(tǒng)中的相位噪聲。通過提高拍頻信號(hào)信噪比、優(yōu)化信號(hào)處理過程、減小外部環(huán)境干擾等方法,最終兩個(gè)從激光器得到的環(huán)外拍頻信號(hào)線寬小于30mHz,光學(xué)頻率傳遞的s級(jí)頻率穩(wěn)定度達(dá)1.4×10-17量級(jí)。
【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020年07期 北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
傳遞振蕩器原理圖
利用一臺(tái)慢速鎖定的摻鉺光纖飛秒頻率梳搭建了兩套“傳遞振蕩器”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由主激光器到從激光器的光學(xué)頻率傳遞，環(huán)內(nèi)信號(hào)s級(jí)相對(duì)頻率穩(wěn)定度達(dá)到5×10-19量級(jí)，對(duì)傳遞過程中的相位噪聲進(jìn)行了討論分析。通過兩個(gè)從激光器的拍頻信號(hào)對(duì)傳遞效果進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，發(fā)現(xiàn)光學(xué)頻率傳遞的s級(jí)相對(duì)頻率穩(wěn)定度達(dá)1.4×10-17量級(jí)，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了傳遞效果不受限于“傳遞振蕩器”部分。為光鐘比對(duì)提供了技術(shù)儲(chǔ)備，也為其他光學(xué)頻率測(cè)量和傳輸?shù)膽?yīng)用提供了新思路。但受實(shí)驗(yàn)條件限制，主、從激光器之間的波長差只有約0.1nm，而“傳遞振蕩器”可以在光梳光譜范圍內(nèi)任意兩波長之間傳遞。因此，未來將采用波長相差足夠大的兩個(gè)激光器開展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還需用空間光路代替光纖鏈路以減少外界環(huán)境如溫度、氣流等帶來的噪聲。
“傳遞振蕩器”系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括光路與電路（Transfer box）兩部分。實(shí)驗(yàn)使用商用摻鉺光纖光梳（Menlo system,FC1550），其frep約為250 MHz，通過控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)及鎖定。fceo由f-2f技術(shù)得到，約為20MHz，將frep與fceo均鎖定到氫鐘微波信號(hào)源上。因?yàn)樾盘?hào)在處理過程中消去了fceo，所以不鎖定fceo也能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作；frep則由于梳齒序數(shù)n太大而必須鎖定，否則fa和fb會(huì)有較大漂移而使系統(tǒng)難以入鎖。主激光器采用Pound-Drever-Hall(PHD）穩(wěn)頻的窄線寬激光器（Stable laser system），波長約為1542.39nm，線寬約為0.7Hz，通過20m的單模光纖傳輸至實(shí)驗(yàn)臺(tái)后線寬有所展寬。參考?xì)溏姷墓馐釡y(cè)量得到υa≈194369022374.3kHz，對(duì)應(yīng)的梳齒序數(shù)d=777476；從激光器選用半導(dǎo)體激光器（RIO,Planex），測(cè)繪了從激光器在100mA的驅(qū)動(dòng)電流下的溫度-波長、溫度-功率曲線，溫度在14～37℃范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出波長范圍為1542.05～1542.40nm，輸出功率范圍為0.5～12 mW。利用溫度控制器（Thorlabs,TED200C）將從激光器溫度固定在26℃左右，其工作在單一模式時(shí)的絕對(duì)頻率υb≈194379GHz，對(duì)應(yīng)的梳齒序數(shù)n=777517，用一臺(tái)可高速伺服的電流源（ILX Light wave,LDX3620）驅(qū)動(dòng)從激光器作為鎖相環(huán)路的執(zhí)行器。主、從激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)1∶1光纖耦合器合束后的光再經(jīng)過9∶1光纖耦合器與光梳光耦合，耦合器出射光包含主激光與從激光分別與光梳相鄰梳齒的拍頻信息，再經(jīng)過一段空間耦合光路耦合進(jìn)光電探測(cè)器（EOT,ET-3000A），為了簡化光路和減少器件，重復(fù)使用了光電探測(cè)器。優(yōu)化光路后得到信噪比RSN≈35dB的拍頻信號(hào)。電學(xué)方面，探測(cè)器后面的功率分配器及濾波器（Minicircuits），將主、從激光分別與光梳拍頻的電信號(hào)分離出來，對(duì)電信號(hào)的整體處理過程及可用的濾波器型號(hào)進(jìn)行分析后，將光梳的重復(fù)頻率鎖定至249.999929 MHz，使fa≈61 MHz,fb≈-151MHz。與fceo混頻后分別為fc≈81MHz,fd≈-131MHz，分頻系數(shù)設(shè)置為10,fc經(jīng)分頻器分頻，fd經(jīng)DDS(Analog Devices,AD9959）進(jìn)行直接數(shù)字頻率合成，比例系數(shù)為，由32位控制字決定，將DDS的頻率控制字設(shè)置為。兩路信號(hào)經(jīng)混頻器混頻并濾波后，得到fe≈21.2 MHz。fe與鎖定至氫鐘的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率約為21.2MHz的信號(hào)后，進(jìn)行鑒相生成誤差信號(hào)，經(jīng)低通濾波后送入伺服控制器（New Focus,LB1005），伺服器輸出控制從激光器的驅(qū)動(dòng)電流源從而實(shí)現(xiàn)“傳遞振蕩器”系統(tǒng)的鎖定。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于電光調(diào)制光頻梳絕對(duì)測(cè)距的理論及實(shí)驗(yàn)分析[J]. 趙宇航,曲興華,張福民,趙顯宇,湯國慶. 中國激光. 2018(12)
[2]基于光纖時(shí)間頻率傳遞的多望遠(yuǎn)鏡激光測(cè)距時(shí)間同步研究[J]. 張海峰,鄧華榮,龍明亮,程志恩,張忠萍,趙罡,王家亮. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2019(01)
[3]非線性放大環(huán)形鏡被動(dòng)鎖模光纖激光器重復(fù)頻率精確鎖定研究[J]. 楊松,郝強(qiáng),曾和平. 中國激光. 2018(08)
本文編號(hào)：2938788
【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020年07期 北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
傳遞振蕩器原理圖
利用一臺(tái)慢速鎖定的摻鉺光纖飛秒頻率梳搭建了兩套“傳遞振蕩器”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由主激光器到從激光器的光學(xué)頻率傳遞，環(huán)內(nèi)信號(hào)s級(jí)相對(duì)頻率穩(wěn)定度達(dá)到5×10-19量級(jí)，對(duì)傳遞過程中的相位噪聲進(jìn)行了討論分析。通過兩個(gè)從激光器的拍頻信號(hào)對(duì)傳遞效果進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，發(fā)現(xiàn)光學(xué)頻率傳遞的s級(jí)相對(duì)頻率穩(wěn)定度達(dá)1.4×10-17量級(jí)，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了傳遞效果不受限于“傳遞振蕩器”部分。為光鐘比對(duì)提供了技術(shù)儲(chǔ)備，也為其他光學(xué)頻率測(cè)量和傳輸?shù)膽?yīng)用提供了新思路。但受實(shí)驗(yàn)條件限制，主、從激光器之間的波長差只有約0.1nm，而“傳遞振蕩器”可以在光梳光譜范圍內(nèi)任意兩波長之間傳遞。因此，未來將采用波長相差足夠大的兩個(gè)激光器開展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還需用空間光路代替光纖鏈路以減少外界環(huán)境如溫度、氣流等帶來的噪聲。
“傳遞振蕩器”系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括光路與電路（Transfer box）兩部分。實(shí)驗(yàn)使用商用摻鉺光纖光梳（Menlo system,FC1550），其frep約為250 MHz，通過控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)及鎖定。fceo由f-2f技術(shù)得到，約為20MHz，將frep與fceo均鎖定到氫鐘微波信號(hào)源上。因?yàn)樾盘?hào)在處理過程中消去了fceo，所以不鎖定fceo也能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作；frep則由于梳齒序數(shù)n太大而必須鎖定，否則fa和fb會(huì)有較大漂移而使系統(tǒng)難以入鎖。主激光器采用Pound-Drever-Hall(PHD）穩(wěn)頻的窄線寬激光器（Stable laser system），波長約為1542.39nm，線寬約為0.7Hz，通過20m的單模光纖傳輸至實(shí)驗(yàn)臺(tái)后線寬有所展寬。參考?xì)溏姷墓馐釡y(cè)量得到υa≈194369022374.3kHz，對(duì)應(yīng)的梳齒序數(shù)d=777476；從激光器選用半導(dǎo)體激光器（RIO,Planex），測(cè)繪了從激光器在100mA的驅(qū)動(dòng)電流下的溫度-波長、溫度-功率曲線，溫度在14～37℃范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出波長范圍為1542.05～1542.40nm，輸出功率范圍為0.5～12 mW。利用溫度控制器（Thorlabs,TED200C）將從激光器溫度固定在26℃左右，其工作在單一模式時(shí)的絕對(duì)頻率υb≈194379GHz，對(duì)應(yīng)的梳齒序數(shù)n=777517，用一臺(tái)可高速伺服的電流源（ILX Light wave,LDX3620）驅(qū)動(dòng)從激光器作為鎖相環(huán)路的執(zhí)行器。主、從激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)1∶1光纖耦合器合束后的光再經(jīng)過9∶1光纖耦合器與光梳光耦合，耦合器出射光包含主激光與從激光分別與光梳相鄰梳齒的拍頻信息，再經(jīng)過一段空間耦合光路耦合進(jìn)光電探測(cè)器（EOT,ET-3000A），為了簡化光路和減少器件，重復(fù)使用了光電探測(cè)器。優(yōu)化光路后得到信噪比RSN≈35dB的拍頻信號(hào)。電學(xué)方面，探測(cè)器后面的功率分配器及濾波器（Minicircuits），將主、從激光分別與光梳拍頻的電信號(hào)分離出來，對(duì)電信號(hào)的整體處理過程及可用的濾波器型號(hào)進(jìn)行分析后，將光梳的重復(fù)頻率鎖定至249.999929 MHz，使fa≈61 MHz,fb≈-151MHz。與fceo混頻后分別為fc≈81MHz,fd≈-131MHz，分頻系數(shù)設(shè)置為10,fc經(jīng)分頻器分頻，fd經(jīng)DDS(Analog Devices,AD9959）進(jìn)行直接數(shù)字頻率合成，比例系數(shù)為，由32位控制字決定，將DDS的頻率控制字設(shè)置為。兩路信號(hào)經(jīng)混頻器混頻并濾波后，得到fe≈21.2 MHz。fe與鎖定至氫鐘的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率約為21.2MHz的信號(hào)后，進(jìn)行鑒相生成誤差信號(hào)，經(jīng)低通濾波后送入伺服控制器（New Focus,LB1005），伺服器輸出控制從激光器的驅(qū)動(dòng)電流源從而實(shí)現(xiàn)“傳遞振蕩器”系統(tǒng)的鎖定。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于電光調(diào)制光頻梳絕對(duì)測(cè)距的理論及實(shí)驗(yàn)分析[J]. 趙宇航,曲興華,張福民,趙顯宇,湯國慶. 中國激光. 2018(12)
[2]基于光纖時(shí)間頻率傳遞的多望遠(yuǎn)鏡激光測(cè)距時(shí)間同步研究[J]. 張海峰,鄧華榮,龍明亮,程志恩,張忠萍,趙罡,王家亮. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2019(01)
[3]非線性放大環(huán)形鏡被動(dòng)鎖模光纖激光器重復(fù)頻率精確鎖定研究[J]. 楊松,郝強(qiáng),曾和平. 中國激光. 2018(08)
本文編號(hào)：2938788
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