使用光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)任意激光頻率的鎖定分析研究電子信息專業(yè)

1、使用光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)任意激光頻率的鎖定摘要 飛秒光學(xué)頻率梳在頻域上為一列等頻率間隔的頻率梳齒，在時(shí)域上表現(xiàn)為一系列周期性的短脈沖序列。光學(xué)頻率梳有頻率穩(wěn)定度高，頻譜覆蓋范圍廣，脈沖寬度窄的特點(diǎn)。光學(xué)頻率梳的極高頻率穩(wěn)定度使其在鎖定激光頻率時(shí)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。本文主要在搭建實(shí)驗(yàn)光路后，重合光學(xué)頻率梳與待鎖定激光探測(cè)干涉信號(hào)，從而獲得拍頻信號(hào)，再使用鎖頻模塊進(jìn)行對(duì)待鎖定激光頻率的鎖定。關(guān)鍵詞 光學(xué)頻率梳；待鎖定激光；干涉光譜；拍頻信號(hào)；頻率鎖定Using Optical Frequency comb to realize Lock of arbitrary Laser FrequencyAbstract

2、Femtosecond optical frequency comb in frequency domain is a series of equal frequency interval frequency comb, in time domain, it appears as a series of periodic short pulse sequences.Optical frequency comb has the characteristics of high frequency stability, wide spectrum coverage and narrow pulse

3、width.The extremely high frequency stability of the optical frequency comb gives it an absolute advantage in locking the laser frequency.In this paper, the optical frequency comb is coincident with the laser to be locked to detect the interference signal after the experimental optical path is built,

4、 and the beat frequency signal is obtained, and then the frequency locking module is used to lock the locked laser frequency.Key words Femtosecond optical frequency comb; laser to be locked; Interference spectrum; Beat frequency signal ;frequency lock 目錄引言1光學(xué)頻率梳的發(fā)展背景及應(yīng)用技術(shù)激光頻率的穩(wěn)定本文研究?jī)?nèi)容第二章 光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率

5、的研究 2.1光學(xué)頻率梳的基本理論 2.1.1 光學(xué)頻率梳的基本原理 2.1.2 光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率和偏置頻率的控制 2.1.3 簡(jiǎn)介FC1500-2502.2 光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率 2.2.1 光學(xué)頻率梳和單頻激光相干理論 2.2.2 光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率方案 2.3 鎖定激光頻率 2.4 小結(jié)第三章 總結(jié)和展望參考文獻(xiàn)致謝第一章 引言1.1 光學(xué)頻率梳的發(fā)展背景及應(yīng)用技術(shù)1960年，第一臺(tái)激光器問世，之后，激光以其高強(qiáng)度、高單色性和良好相干性等特點(diǎn)被應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展、科技、國(guó)防、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。而飛秒鎖模激光器2的出現(xiàn)更是促進(jìn)了精密光譜測(cè)量的發(fā)展。光學(xué)頻率梳在頻域“梳齒”的特性，使之在測(cè)

6、量領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2006年，美國(guó)JILA研究所的Hall和德國(guó)馬普（Max-Planck）研究所的Hansch就因?yàn)樘岢鲇蔑w秒光學(xué)頻率梳建立微波頻率與光頻率之間的聯(lián)系，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。最早在1978年，Eckstein等人3就已有了使用飛秒激光直接測(cè)量激光頻率的想法，但受到當(dāng)時(shí)激光器性能和鎖模技術(shù)的限制，最后并沒有達(dá)到預(yù)期測(cè)量結(jié)果。到1999年，德國(guó)馬普（Max-Planck）研究所的Hansch小組4,5提出了將光學(xué)頻率梳在頻域上譜線分布像梳齒一樣的一列光學(xué)頻率列，將可見光波段到紅外光波波段與微波頻率聯(lián)系起來。2000年，Bell實(shí)驗(yàn)室的Stentz等人6進(jìn)行飛秒脈沖激光頻寬擴(kuò)展的實(shí)

7、驗(yàn)，他們利用微結(jié)構(gòu)光纖，將激光帶寬擴(kuò)展到2倍以上，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)光學(xué)倍頻程的擴(kuò)展。同年，Hall小組7將激光進(jìn)行倍頻，再利用自參考技術(shù)將抖動(dòng)的偏置頻率鎖在標(biāo)準(zhǔn)頻率上。2004年，美國(guó)JILA小組的Jun Ye8，使用鎖模穩(wěn)相飛秒激光，測(cè)量了大范圍、高分辨率的絕對(duì)距離。在2006年，Jin等人9用光學(xué)頻率梳作參考，將可協(xié)調(diào)外腔激光器鎖定至光梳，用于測(cè)量多波長(zhǎng)干涉，得到的頻率穩(wěn)定度為 。光學(xué)頻率梳的出現(xiàn)，將連接微波頻率和光學(xué)頻率連接起來，這使光學(xué)頻率梳不僅僅在高分辨光譜和頻率方面有重要應(yīng)用，在距離測(cè)量、探測(cè)等多方面也得到了廣泛應(yīng)用，推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。1.2 激光頻率的穩(wěn)定激光器由于各種不穩(wěn)定因素，其

8、實(shí)際輸出激光的頻率起伏和漂移較大，而在各種精密測(cè)量研究中，對(duì)激光器輸出激光頻率的穩(wěn)定度要求很高，所以對(duì)激光進(jìn)行穩(wěn)定是極其重要的。通常用來穩(wěn)定激光器頻率的方法是將激光器的中心頻率鎖定在某個(gè)穩(wěn)定度很高的參考頻率上，當(dāng)輸出激光頻率偏離參考頻率時(shí)，通過一個(gè)電子伺服反饋系統(tǒng)，控制電流或激光器腔長(zhǎng)，將輸出激光頻率拉回參考頻率上。第一次出現(xiàn)關(guān)于激光器穩(wěn)定頻率的文章是在1963年，W.R.C.R 和 D.C.W10發(fā)表了關(guān)于激光器穩(wěn)頻的文章。在1965年，Koichi Shimoda和Ali Javan首次利用蘭姆凹陷法11理論實(shí)現(xiàn)了激光頻率的穩(wěn)定，得到頻率穩(wěn)定度10-8，頻率復(fù)現(xiàn)性為10-7。在 1967

9、年，第一次出現(xiàn)了飽和吸收穩(wěn)頻法，Paul H. L M 和 L Skolnick12提出利用飽和吸收譜線，對(duì)激光器頻率進(jìn)行穩(wěn)定。在 1972年，Wallard 利用飽和吸收譜線的三次倒數(shù)來穩(wěn)定激光頻率，他將飽和吸收氣室放在諧振腔中，激光頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-10。1985年，T Yanagawa ,S. Saito等人13采用外調(diào)制的飽和吸收穩(wěn)頻法穩(wěn)定激光頻率，電光調(diào)制器為其外調(diào)制器件，實(shí)驗(yàn)所用調(diào)制頻率為140MHz，采樣時(shí)間為1s時(shí)，頻率穩(wěn)定度為710-12。1992年，Y. Sakai, I. Yokohama等人14采用基于聲光調(diào)制器的飽和吸收穩(wěn)頻法穩(wěn)定激光頻率，得到采樣時(shí)間1s時(shí)，頻率穩(wěn)

10、定度為10-11，但這種方法在調(diào)制頻率過高時(shí)將不易實(shí)現(xiàn)，可通過降低光電探測(cè)器的前置放大噪聲來解決這個(gè)問題。但采用原子分子躍遷譜線作為參考頻率時(shí)，其頻譜范圍有限，只能穩(wěn)定某些特定波長(zhǎng)的激光，有很大的局限性。偏頻鎖定技術(shù)是將一偏置頻率附加到激光器輸出光的頻率上，再鎖定到另一臺(tái)激光器上的鎖頻技術(shù)15。1992年，在 CO2 相干激光雷達(dá)的外差探測(cè)技術(shù)的研究中，朱大勇等人16應(yīng)用鑒相原理進(jìn)行了偏頻鎖定，頻率穩(wěn)定度為23Hz/1s。同一年中，胡玉等人17使用偏頻技術(shù)研究激光通信，鎖定精度為200Hz/s。1998年，Stace T等人18進(jìn)行偏頻鎖定, 采用 FVC 作為鑒頻器，精度達(dá)到400Hz/s。

11、塞曼調(diào)制穩(wěn)頻法19是基于飽和吸收現(xiàn)象和塞曼效應(yīng)的一種穩(wěn)頻方法，在1980年后迅速發(fā)展起來。在1987年，Jun、Valenzuela 和 Reichmann20使用塞曼調(diào)制穩(wěn)頻法穩(wěn)定激光頻率，在1s的采樣時(shí)間下，頻率穩(wěn)定度為1.0910-8。但由于這種方法的伺服控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，容易受到較大的外界影響，所以在1998年，Kristan L.C和Zheng-Tian L21二向色性原子蒸汽鎖定激光頻率技術(shù)，簡(jiǎn)稱DAVLL（dichroic atomic vapor laser lock），這種方法基于直流塞曼效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)頻時(shí)間在24小時(shí)內(nèi)，頻率穩(wěn)定度為10-9，相較于飽和吸收穩(wěn)頻法，這種穩(wěn)

12、頻方式有著穩(wěn)頻時(shí)間長(zhǎng)，不易失鎖的特點(diǎn)，并且光源少，電路簡(jiǎn)單，但同時(shí)，這種穩(wěn)頻方法的穩(wěn)頻波動(dòng)較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化敏感，其頻率復(fù)現(xiàn)性較差。2002年，在對(duì)DAVLL穩(wěn)頻法進(jìn)行改良后，G.W.和W.G. 等人得到了一種去除多普勒背景的二向色性鎖頻技術(shù)，簡(jiǎn)稱DFDL(Doppler-free dichroic lock) 22，進(jìn)行穩(wěn)頻時(shí)，對(duì)偏置電壓不敏感，加大了信號(hào)范圍，但同時(shí)其誤差信號(hào)受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響較大，其頻率穩(wěn)定度僅達(dá)10-9。1998年，出現(xiàn)了橫向塞曼效應(yīng)氦氖激光器，就是運(yùn)用橫向塞曼穩(wěn)頻方法對(duì)激光器進(jìn)行頻率穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定度可達(dá)4.710-10，頻率復(fù)現(xiàn)性達(dá)1.810-8。 2014年，名為

13、“自動(dòng)穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器研究”的期刊23中出現(xiàn)了一種新的穩(wěn)頻方法自動(dòng)穩(wěn)頻法。這種方法通過對(duì)激光器的溫度的粗調(diào)，對(duì)其電流的細(xì)調(diào)來穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的頻率，在采樣時(shí)間為1s時(shí)，頻率穩(wěn)定度達(dá)10-11量級(jí)，采樣時(shí)間為千秒或萬(wàn)秒時(shí)，頻率穩(wěn)定度為10-12量級(jí)。在后期發(fā)展為自動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)，在激光失鎖時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟掃描功能，重新找到激光器的共振頻率進(jìn)行鎖定。光學(xué)頻率梳在頻域上是一列有著相同頻率間隔的頻率梳齒，有頻率穩(wěn)定度高，頻譜覆蓋范圍廣，脈沖寬度窄的特點(diǎn)。光學(xué)頻率梳的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-14，且其頻譜覆蓋范圍為，所以將光學(xué)頻率梳頻率作為參考頻率進(jìn)行穩(wěn)頻，參考頻率復(fù)現(xiàn)性極高，且可鎖定激光的范圍大，遠(yuǎn)優(yōu)于上述

14、的穩(wěn)頻方式。所以利用光學(xué)頻率梳對(duì)激光頻率進(jìn)行鎖定有其絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。2.3本文研究?jī)?nèi)容本文對(duì)光學(xué)頻率梳鎖定任意激光頻率研究工作主要包括以下兩部分：第一部分，我們利用光梳其本身性質(zhì)，控制光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率和偏置頻率這兩個(gè)自由度，來穩(wěn)定光梳輸出頻率。使用相鄰梳齒之間干涉的方式獲得其重復(fù)頻率信號(hào)，與頻率基準(zhǔn)進(jìn)行比較并鎖定；使用自參考技術(shù)，將光學(xué)頻率梳低頻部分倍頻后與高頻部分干涉拍頻，將獲得的偏置頻率信號(hào)與頻率基準(zhǔn)進(jìn)行比較并鎖定，從而獲得穩(wěn)定的輸出頻率。第二部分，對(duì)激光頻率進(jìn)行測(cè)量與鎖定。鎖定光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率和偏置頻率后，將單頻激光與光學(xué)頻率梳進(jìn)行重合干涉，將拍頻信號(hào)輸入頻譜儀，得到干涉光譜，分析光譜

15、獲得干涉信號(hào)的頻率間隔，通過誤差反饋系統(tǒng)和鎖頻模塊，鎖定激光頻率。第二章 光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率的研究2.1光學(xué)頻率梳的基本理論2.1.1 光學(xué)頻率梳的基本原理 光學(xué)頻率梳，簡(jiǎn)稱光梳，在時(shí)域上為一系列周期性的超短脈沖序列，脈沖寬度在飛秒級(jí)。而在頻域上，光學(xué)頻率梳是一系列相同間隔的離散頻率組成的電磁場(chǎng)。如圖2.1所示，上圖為光學(xué)頻率梳在時(shí)域的形式，其輸出脈沖序列的周期為光子在腔內(nèi)往返一周的時(shí)間，可表示為： (2.1)式中，為脈沖的重復(fù)周期，為腔長(zhǎng)， 為脈沖的群速度。在時(shí)域內(nèi)，每個(gè)脈沖有相同的包絡(luò)，圖中由紅線表示，脈沖載波由圖中藍(lán)色實(shí)線表示。圖中藍(lán)色虛線就為在不考慮介質(zhì)色散的情況下的光載波。因?yàn)榍?/p>

16、內(nèi)介質(zhì)的色散，導(dǎo)致了光子相速 和群速度的不同，則使從腔內(nèi)輸出的相鄰脈沖包絡(luò)之間存在了相位差，可表示為 (2.2)式中， 為激光脈沖的中心頻率。對(duì)的良好控制就是溫度光學(xué)頻率梳的關(guān)鍵。 圖2.1 飛秒光梳從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換由上圖到下圖，飛秒脈沖從頻域經(jīng)傅里葉變換（Fourier transformation)到頻域，得到了下圖中一系列相同間隔的頻率梳齒， “光梳”由此得名。圖中相鄰的梳齒有相同的頻率間隔,由腔長(zhǎng) 決定，可以在幾十 到 之間。若考慮包絡(luò)與相鄰光波載之間相位差，在頻域中光學(xué)頻率梳可表示為 (2.3)式中 為光學(xué)頻率梳的模式序數(shù)；為偏置頻率。取決于下式， (2.4)式中 。由上式可知，在

17、頻域內(nèi)，光學(xué)頻率梳有兩個(gè)自由度，即 和，即控制重復(fù)頻率和偏置頻率就能得到光學(xué)頻率梳的頻率。2.1.2 光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率和偏置頻率的控制重復(fù)頻率為脈沖周期的倒數(shù)，即。脈沖周期是光子在腔內(nèi)往返一周的時(shí)間，所以主要由激光腔的腔長(zhǎng)決定，但同時(shí)也與激光脈沖的群速度和激光腔中的折射率等有關(guān)。的探測(cè)較為簡(jiǎn)單，可以直接利用高速響應(yīng)、帶寬的光電探測(cè)器對(duì)脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行探測(cè)。在鎖定重復(fù)頻率時(shí)，因?yàn)楣馐嵩陬l域上有穩(wěn)定頻率間隔，也就是說，相鄰梳齒拍頻為。即 (2.5)所以探測(cè)相鄰梳齒之間的拍頻信號(hào)，就能得到的信號(hào)，將與參考頻率進(jìn)行鑒相，得到了兩者的頻率差，再利用電子反饋系統(tǒng)對(duì)腔體上壓電陶瓷（）的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使腔長(zhǎng)

18、產(chǎn)生對(duì)應(yīng)變化，從而調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)和參考頻率之間的鎖定。重復(fù)頻率鎖定后，采用自參考技術(shù)17（ 干涉或 干涉）來控制偏置頻率。實(shí)驗(yàn)中采用干涉，就是將光學(xué)頻率梳的低頻部分經(jīng)過倍頻18,19得到，再取光學(xué)頻率梳的高頻部分，將兩者進(jìn)行外差拍頻，得到拍頻信號(hào)為： (2.6)將得到的拍頻信號(hào)與參考頻率進(jìn)行比較，得出誤差信號(hào)，通過反饋系統(tǒng)控制泵浦激光功率來控制相速和群速度，調(diào)節(jié)，將其鎖定在參考頻率上22-24。 2.1.3簡(jiǎn)介FC1500-250 本實(shí)驗(yàn)所用裝置為德國(guó)Menlo Systems 公司的FC1500-250飛秒光學(xué)頻率梳。主要由頻率合成器部分、倍頻部分和拍頻探測(cè)部分這三部分組成。圖2.2其實(shí)體圖，2

19、.3為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2.2 FC1500-250實(shí)物圖光學(xué)頻率合成器部分由飛秒光纖激光器（M-comb），摻鉺光纖放大器（EDFA），非線性 f-2f 干涉儀（XPS1500）和電路鎖定單元組成。飛秒激光器出射波長(zhǎng)為的脈沖激光，其重復(fù)頻率為 ，精度高達(dá) ；摻鉺光纖放大器（EDFA）是一種高功率的光纖放大器，它將的出射激光光譜展寬，將光譜展寬成從 到 的寬帶光譜；非線性干涉儀是用來探測(cè)偏置頻率的。圖2.3 FC1500-250內(nèi)部結(jié)構(gòu)倍頻部分主要由兩部分組成，即SHG780倍頻模塊和光子晶體光纖（PCF）。PPLN和非球面的匯聚透鏡組成了SHG780倍頻模塊。的出射光經(jīng)過SHG780倍頻晶體后，

20、轉(zhuǎn)化成波長(zhǎng)為的輸出。再經(jīng)過光子晶體光纖，激光被展寬，輸出 波長(zhǎng)范圍的連續(xù)光譜。拍頻探測(cè)部分是將展寬的激光與外部激光器輸出激光進(jìn)行干涉，從而產(chǎn)生拍頻信號(hào)。拍頻信號(hào)經(jīng)過濾波后，用高靈敏探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，再利用光譜分析儀來觀測(cè)拍頻信號(hào)。2.2 光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率2.2.1 光學(xué)頻率梳和待鎖定激光相干理論頻率不同的兩束激光，進(jìn)行重合后相互干涉，用探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)包含了不同頻率的干涉信號(hào)，即為拍頻信號(hào)。拍頻信號(hào)由直流信號(hào)，光梳梳齒間干涉信號(hào)，待鎖定激光與光梳的干涉信號(hào)這三部分組成。本實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)研究待鎖定激光與光梳的干涉信號(hào)。若干涉信號(hào)所處位置的頻率用表示，則在的位置出現(xiàn)的是直流信號(hào)，的位置出現(xiàn)的是光

21、梳梳齒間的干涉信號(hào)，的位置出現(xiàn)的是待鎖定激光和光梳的干涉信號(hào)。圖2.4待鎖定激光和光梳的干涉信號(hào)圖光梳的每一個(gè)梳齒都與單頻激光產(chǎn)生干涉，在相應(yīng)的位置上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的外差干涉信號(hào)。圖2.4是待鎖定激光和光梳之間干涉后，在光譜分析儀上的強(qiáng)度光譜。圖中為強(qiáng)度，為頻率。從左到右，第1條直線位于頻率位置處，為直流信號(hào)，4、5、8這三條直線分別位于、頻率處，為光梳梳齒之間的干涉信號(hào)，則2、3、6、7為待鎖定激光和光梳的干涉信號(hào)，分別位于、和頻率處。從此圖可知，每個(gè)間隔內(nèi)都有兩個(gè)待鎖定激光和光梳的干涉信號(hào)，所在的頻率位置為。因?yàn)槊總€(gè)間隔內(nèi)的兩個(gè)干涉信號(hào)，是由于不同梳齒（不同）與待鎖定激光間干涉而產(chǎn)生的信號(hào),兩個(gè)

22、外差干涉信號(hào)在兩個(gè)不同頻率的位置上，并且存在關(guān)系：。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們要對(duì)拍頻信號(hào)頻率位置進(jìn)行精確測(cè)量，以確定大于(或小于) 的梳齒與待鎖定激光干涉的信號(hào)是哪一個(gè)。 實(shí)驗(yàn)中外差干涉信號(hào)的測(cè)量有兩個(gè)限制條件：第一，若兩者相等，梳齒間的干涉信號(hào)會(huì)與外差干涉信號(hào)重合，將不利于信號(hào)的探測(cè)。第二，若處于相鄰梳齒間隔的位置，則會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)外差信號(hào)重合，在測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。所以在實(shí)驗(yàn)需要遵守這兩個(gè)限制條件，以提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度。 2.2.2 光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率方案.在實(shí)驗(yàn)中，我們先進(jìn)行了對(duì)光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率 和偏置頻率 的鎖定。我們將相鄰的兩個(gè)梳齒進(jìn)行拍頻，得到拍頻信號(hào)與其參考頻率進(jìn)行比較，將兩者頻率差

23、輸入電子反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)壓電陶瓷控制腔長(zhǎng)，將其重復(fù)頻率控制在。在重復(fù)頻率控制完畢后，再對(duì)偏置頻率 進(jìn)行控制。將光學(xué)頻率梳部分進(jìn)行倍頻，再和其高頻部分進(jìn)行拍頻，得到拍頻信號(hào)，將拍頻信號(hào)與其參考頻率進(jìn)行比較，得到頻率差輸入電子反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)泵浦激光功率，控制腔內(nèi)粒子的相速和群速度，將偏置頻率控制在。在控制好和后，我們利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有裝置，按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行光路的搭建。實(shí)驗(yàn)光路分為光學(xué)頻率梳部分，待鎖定激光部分和待鎖定激光和光梳干涉部分三部分。如圖2.3所示，圖中M1-M7為反射鏡；G1,G2為光柵；H1,H2為半波片；PSB1,PSB2為分束棱鏡。光學(xué)頻率梳部分：光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率為，偏置頻率為 。

24、圖中虛線框內(nèi)為光梳簡(jiǎn)單內(nèi)部結(jié)構(gòu)。飛秒光纖激光器輸出波長(zhǎng)約為 的脈沖激光，激光重復(fù)頻率為。通過摻鉺光纖放大器（EDFA）后，將的輸出激光展寬，形成從到的寬帶激光。再將展寬后的光輸入SHG倍頻模塊，輸出以為中心頻率的寬帶激光。讓輸出激光經(jīng)過兩個(gè)反射鏡，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)反射鏡調(diào)節(jié)輸出激光的俯仰和左右偏移，在將激光射入光柵G1，進(jìn)行所需頻率選擇，再經(jīng)反射鏡進(jìn)入半波片H1，到達(dá)分束棱鏡PBS1。待鎖定激光部分：將出射激光經(jīng)過兩個(gè)反射鏡后進(jìn)入分束棱鏡PBS2，分成兩束光，且偏振方向互相垂直，使其中的反射光通過半波片H2，再進(jìn)入分束棱鏡PBS1中，調(diào)節(jié)激光入射分束棱鏡的位置和角度，使該激光與經(jīng)過頻率選擇后的光學(xué)

25、頻率梳的激光進(jìn)行良好重合。 待鎖定激光和光學(xué)頻率梳干涉部分：經(jīng)過頻率選擇后的光學(xué)頻率梳和待鎖定激光在分束棱鏡PBS1中實(shí)現(xiàn)完全重合，將重合的兩束激光先通過光柵G2，篩選出所需輻射波段，再通過一個(gè)濾波片，濾掉剩余的大部分不符合要求的干涉光，減少了干擾因素，降低了干涉信號(hào)的噪聲；包含兩種激光頻率的干涉光束經(jīng)反射后進(jìn)入高速光電探測(cè)器APD中，探測(cè)器將所得干涉信號(hào)輸入光譜分析儀中，在光譜分析儀上得到拍頻信號(hào)光譜。在光譜分析儀上觀察干涉信號(hào)，再將信號(hào)輸入數(shù)字示波器中，調(diào)節(jié)示波器，使示波器上顯示和光譜分析儀圖像對(duì)應(yīng)的信號(hào)圖，采集圖像的具體數(shù)據(jù)，再將采集到的幅值-時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換后，轉(zhuǎn)化成幅值-頻

26、率關(guān)系的數(shù)據(jù)，然后使用Origin軟件作圖，得到和光譜分析儀上一致的拍頻信號(hào)圖，再對(duì)所作的拍頻信號(hào)圖結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到待鎖定激光頻率和光學(xué)頻率梳之間的干涉信號(hào)與光學(xué)頻率梳梳齒之間的干涉信號(hào)的頻率位置。圖2.5 實(shí)驗(yàn)光路圖2.3 鎖定激光頻率 圖2.6是將數(shù)據(jù)用Origin作圖后得到的拍頻信號(hào)頻譜圖。圖2.6 待鎖定激光與光學(xué)頻率梳的拍頻信號(hào)頻譜圖中四個(gè)峰頻率位置分別為，。其中和為光梳梳齒間的干涉信號(hào)，和為待鎖定激光與光學(xué)頻率梳之間的干涉信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所用半導(dǎo)體激光器出射激光波長(zhǎng)為，光學(xué)頻率梳和相鄰的兩個(gè)梳齒為和，則分別與這兩個(gè)發(fā)生干涉的相鄰梳齒的頻率分別為： （2.7） （2.8）分析

27、拍頻信號(hào)后，激光鎖定部分2.4 小結(jié)本章中，首先簡(jiǎn)單介紹了光學(xué)頻率梳的原理，并在測(cè)量分析了光梳的偏置頻率和重復(fù)頻率后對(duì)其進(jìn)行了有效控制，而且簡(jiǎn)單介紹了實(shí)驗(yàn)室所用裝置FC1500-250型號(hào)飛秒光學(xué)頻率梳。本章內(nèi)容主要是設(shè)定研究方案，搭建完光路后，將待鎖定激光與光學(xué)頻率梳進(jìn)行重合干涉，得到拍頻信號(hào)，再將所得信號(hào)輸入頻譜儀得到頻譜信號(hào)，分析獲得兩個(gè)干涉信號(hào)之間的頻率差，通過鎖頻模塊，將待鎖定激光頻率鎖定在參考頻率，實(shí)現(xiàn)用光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率的目的。第三章 總結(jié)和展望光學(xué)頻率梳在頻域上表現(xiàn)為頻率間隔相等的頻率梳齒，擁有頻率穩(wěn)定度高，頻譜覆蓋范圍廣，脈沖寬度窄的特點(diǎn)，在絕對(duì)距離測(cè)量、頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞和激

28、光頻率測(cè)量等方面被廣泛利用，但利用光學(xué)頻率梳鎖定激光頻率這一方面的研究還欠缺。光學(xué)頻率梳的極高穩(wěn)定度使它在鎖定激光頻率時(shí)較其他方法有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和領(lǐng)先的技術(shù)。光學(xué)頻率梳特點(diǎn)的更優(yōu)良化的發(fā)展會(huì)使它更受研究人員的矚目，更加廣泛的被運(yùn)用到科研中。光學(xué)頻率梳的應(yīng)用與其技術(shù)發(fā)展是相互關(guān)聯(lián)的，光梳技術(shù)發(fā)展得更好，其應(yīng)用才會(huì)更加廣泛。目前，光學(xué)頻率梳正在向頻率穩(wěn)定度更高、頻譜覆蓋范圍更廣、脈沖寬度更窄的加大優(yōu)勢(shì)方向發(fā)展，以滿足精密研究領(lǐng)域的更高要求。參考文獻(xiàn)1 張炯法, 李杰, 郭新柱. 激光技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展前景J. 煤礦機(jī)械, 2004(8):1-2.2周炳琨，高以智，陳倜嶸等. 激光原理. 第七版

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