[发明专利]高稳定高重复频率单块光学频率梳

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术领域，特别是涉及一种相位稳定的飞秒激光频率梳技术及装置。

背景技术

飞秒光学频率梳技术是目前超短脉冲激光科学最前沿的研究内容之一，自从上世纪末的几年里人们提出并实现对飞秒激光载波包络相位漂移(Carrier-Envelope phase Offset，CEO)的锁相控制以来，参见：D.J.Jones et al，2000 Science 288 635；Apolonski et al，Phys.Rev.2000Lett85 740。该技术的发展不仅导致了光频测量研究的革命性进展，而且前所未有地实现了光学频率与微波频率的直接连接，并推动了阿秒激光物理和超快科学的快速发展。2005年，美国国家计究院(NIST)的科学家J.Hall与德国马普量子光学研究所(MPQ)的科学家T.W.因该工作在频率测量领域的重要创新而荣获诺贝尔物理学奖，参见：魏志义，物理2006 Vol 35 213。自T.W.和J.Hall的开拓性工作起，法国、英国、日本、韩国等也都相继开展了飞秒激光CEO控制的研究，并建立了自己的飞秒光学频率梳装置，特别是奥地利Femtolasers公司和德国MenloSystems等公司也进一步推出了相应的飞秒光学频率梳商业产品。

需要指出的是，飞秒激光CEO的控制及光学频率梳的实现，最初主要得益于光子晶体光纤(Photon Crystal Fiber，PCF)的问世和采用。参见：J.C.Knight et al，1996 Opt.Lett.21，1547，目前国际上广泛采用的光学频率梳的核心正是以PCF为基础的，包括奥地利Femtolasers公司和德国MenloSystems生产的光学频率梳产品。由于PCF可将飞秒激光光谱展宽到一个倍频程以上，因此使得人们第一次有可能通过所谓的自参考技术而实现对CEO频率的测量。但是PCF极小的芯径(1～2μm)和固有的高损耗(＞70％)，不仅入射激光微细的偏移都会导致输出光谱的显著变化，而且也限制了所能得到的输出功率，特别是PCF在高聚焦强度的激光入射下，表面极易损耗。由于这些因素，使得基于自参考技术的飞秒激光CEO锁定通常只能稳定工作半小时左右，输出功率也只有几十mW，而且结构复杂、体积庞大、维护成本高，从而大大限制了光学频率梳的实用性。2004年，德国马普量子光学研究所(MPQ)的科学家提出了一种通过差频(Difference FrequencyGeneration，DFG)超宽激光脉冲自身的不同光谱成分而测量并控制CEO的方法，参见：Fuii T，et al.2005 Opt.Lett.30 332，该技术由于采用准相位匹配电极化周期的铌酸锂晶体(PPLN)中所产生的差频、自相位调制等非线性效应而实现对CEO频率的测量，因此可以不要求光谱展宽到一个倍频程，这样也就避免了必须采用PCF而带来的低功率和稳定性问题，原理上可以用结构大大简化了的所谓单块装置得到短期和长期稳定性大大改进的CEO结果，在飞秒光学频率梳及CEO控制的研究中具有更新换代的意义。目前该技术在德国MPQ已得到成功实施，但存在不足是所稳定的飞秒激光重复频率不到100MHz，而且输出可用功率只有几十毫瓦。由于光梳所需要的理想重复频率一般要求大于200MHz，因此迄今还未能用于实际的光频测量中，特别是由于该方案所需要的高重复频率亚10fs宽带激光的技术难度，国际上一直未见到同类的研究报导。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明提供一种基于周期量级飞秒钛宝石振荡器，利用差频技术测量CEO的结构紧凑、重复频率为350MHz、输出可用功率大于200mW的单块光学频率梳技术及装置。

为实现上述目的，本发明公开了一种高稳定高重复频率单块光学频率梳的制造方法，其具体步骤为：

(1)使用周期量级飞秒钛宝石振荡器输出高重复频率、宽谱、7fs以下脉宽飞秒脉冲；

(2)使用单块非线性晶体差频测量飞秒脉冲CEO；

(3)使用电路反馈技术将重复频率和CEO频率同时锁定到稳定的外部微波参考源上。

进一步，所述单块非线性晶体差频测量f_ceo的步骤为，将宽谱周期量级飞秒激光脉冲聚焦到一块非线性晶体中，飞秒脉冲的长波部分和短波部分在晶体中发生自差频效应，产生新的f_ceo为0的红外波谱区，与飞秒脉冲基波在该区重叠的红外波谱成分相互拍频，就可得到稳定的高信噪比的f_ceo信号。