[发明专利]一种超短脉冲激光重复频率的异步锁定方法及装置

说明书

本发明提出一种超短脉冲激光重复频率的异步锁定方法及装置，其中：对主激光器输出的信号进行探测，提取其高次谐波信号后与信号源进行混频，生成相应的误差控制信号，并根据误差控制信号生成相应的反馈电压，利用反馈电压控制激光器谐振腔的腔长或腔内介质的折射率，从而控制主激光器的重复频率；将完成锁定的主激光器作为源，将其输出的高次谐波信号分为两路，一路进行分频，另一路触发DDS；将主激光器的输出与经过分频的信号进行混频，将从激光器输出的信号与DDS产生的信号进行混频，再对二者进行混频处理并转换为误差控制信号，生成相应的反馈电压，利用反馈电压控制激光器谐振腔的腔长或腔内介质的折射率，从而控制从激光器的重复频率。

技术领域

本发明涉及超快光学技术领域，更具体地，涉及一种超短脉冲激光重复频率的异步锁定方法及装置。

背景技术

飞秒激光频率梳是一种超短脉冲激光，它在时域上表现为时间间隔固定的脉冲序列，在频域上表现为数百万频率间隔固定的频率“梳齿”的集合。飞秒激光频率梳作为光学频率与微波频率之间连接的桥梁，在许多领域有着重要的应用，如：精密光谱学、绝对距离测量等。若想利用飞秒激光频率梳来进行这些应用，实现其长期稳定运行是最基本的条件。重复频率和重复频率差(两台飞秒激光频率梳的重复频率差值)的锁定在很多领域都具有重要的应用。以双飞秒激光频率梳的绝对距离测量为例，2009年美国标准计量局(NIST)的Coddington博士提出了双飞秒光梳异步光学采样测距原理，采用两台具有微小重复频率差的飞秒激光频率梳分别作为测量光梳以及本振光梳来构建测距系统。在测量过程中，本振光梳与测量光梳之间的重复频率差决定了异步光学采样的密度，重复频率与重复频率差的不确定度都会影响距离测量的误差，所以需要对重复频率和重复频率差进行精密锁定。

在上述的飞秒激光频率梳中，由公式f＝c/nL可知(f为光梳的重复频率，c为光速，L为激光器谐振腔腔长，n为腔内介质折射率)，本发明中谐振腔腔长是指谐振腔内脉冲循环一周所经历的光程。光梳的重复频率主要与激光器的谐振腔腔长以及腔内介质折射率有关，所以要锁定重复频率，则需要对谐振腔腔长以及腔内介质折射率进行反馈控制。常用的方案是利用压电陶瓷进行反馈调节。比如，将压电陶瓷安装在谐振腔中一光学反射镜的端面上，通过控制压电陶瓷两端的加载电压使压电陶瓷伸长或缩短并带动光学反射镜移动，从而改变了谐振腔长的长度，也可以将光纤固定在压电陶瓷上，通过改变压电陶瓷的长度而改变激光器内光纤的长度，或者通过改变光电晶体的加载电压而改变腔内介质折射率的大小，最终达到控制输出脉冲重复频率的目的。目前，双飞秒激光频率梳的重复频率以及重复频率差的锁定技术主要是通过将两台飞秒激光器分别同步锁定至由同一个外部参考源联系起来的两台高精度高输出频率的信号源来实现，但这种技术需要一台高精度的共同参考源以及两台高输出频率的高精度信号源，价格昂贵；而且分别对两台飞秒激光器利用外部信号源进行精密锁定，其最后的相对精度是利用单台信号源的倍，噪声较大。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中重复频率及重频差的锁定所采用的系统存在结构复杂、精度较低的缺陷，提供一种超短脉冲激光重复频率的异步锁定方法，以及一种超短脉冲激光重复频率的异步锁定装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种超短脉冲激光重复频率的异步锁定方法，应用于包括主飞秒激光器、从飞秒激光器组成的光学系统，其包括以下步骤：

对主飞秒激光器的重复频率进行锁定：对所述主飞秒激光器输出的重复频率信号进行探测，从探测得到的重复频率信号中提取出高次谐波信号；将所述高次谐波信号与具有高稳定度的信号进行混频得到第一混频信号，将第一混频信号通过PI控制器生成相应的误差控制信号；根据误差控制信号生成相应的反馈电压，利用反馈电压控制激光器谐振腔的腔长或腔内介质的折射率，从而控制主飞秒激光器的重复频率；