[發明專利]一種獲得高功率寬帶綠光光學頻率梳的方法

有效

• 申請號: 201210506360.X
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN102981345A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 梁崇智;曾和平;閆明
• 申請（專利權）人: 廣東漢唐量子光電科技有限公司
• 主分類號: G02F1/37
• 分類號: G02F1/37;H01S3/109
• 代理公司: 中山市科創專利代理有限公司 44211
• 代理人: 謝自安

【技術領域】

本發明涉及一種獲得高功率寬帶綠光光學頻率梳的方法。

【背景技術】

時頻域精密控制的寬帶綠光脈沖光源目前在包括材料處理、醫療診斷、儀器制造、基礎研究、光存儲、娛樂、圖像記錄、檢測與控制、全色顯示、測向與指示、國防軍事等民用、工業和軍事領域的應用日益突出。特別是近年來，隨著光盤存儲的高密度化和激光打印機的高精度化的發展，精密控制的綠光光源成了人們關注的焦點，另一方面，綠色脈沖激光也為激光雷達方法提供了一種理想的光源，并可以與成熟的可見光波段探測技術相結合，通過測量分析激光脈沖的返回時間來精確測量目標物體的位置（距離和角度）信息，甚至是物體的運動狀態（速度、振動和姿態）和形狀。隨著激光技術的發展，綠光光梳激光器在很大程度上提高了激光雷達方法的探測精度，其自身穩定的頻率和相位特性，使得在脈沖飛行時間測量技術的基礎上結合了相位差測量技術，并將整個方法的探測精度提高到了波長周期量級。此外，高功率的寬帶綠光光梳方法可以在非線性光學倍頻的基礎上擴展出藍光和紫外光梳脈沖，進一步加速精密紫外激光加工、紫外光刻和精密光梳光譜等技術的發展。

目前產生綠色激光的方法有很多種，主要可以分三種：

（1）利用寬帶隙半導休材料直接激發產生綠光，并通過調制材料兩端電流實現調制的綠光脈沖輸出。這種方法的優點在于結構簡單，但它的缺點在于輸出功率較低，而且受到電路方法帶寬的限制，綠光脈沖寬度較寬，且不具備時頻域的相干特性。

（2）在固體材料中摻人稀土離子，在半導體激光器或其他光源泵浦的條件下，直接利用稀土離子的能級躍遷而產生綠色激光。但這種方法的缺點在于脈沖的波長受到摻雜離子的限制，且不易得到高功率的脈沖光輸出。

（3）利用光學晶體的非線性光學效應，產生二次諧波或是倍頻光。例如利用摻Nd3+或Yb3+的激光器產生波長在1.06um的近紅外激光，然后利用倍頻晶體，如KTP、BBO、LiNbO3、LiTaO3或是KNbO3，產生530nm附近的倍頻光。這種方法的優點在于可以實現鎖模的超短脈沖，而且利用目前摻Nd3+或Yb3+的激光晶體或是雙包層增益光纖的發展優勢，可以實現高功率的綠光輸出。

非線性光學頻率轉換同樣存在一些難以克服的缺點,例如：

a)非線性光學倍頻效率較低，而且受到倍頻晶體損傷閾值的限制，倍頻綠光的功率有限；

b)非線性光學倍頻過程有嚴格的相位匹配條件的限制，難以實現寬帶倍頻光輸出；

c)由于倍頻是二階非線性光學效應，所以倍頻效率嚴重受到入射光峰值功率的制約，同時綠光的光譜在倍頻過程中被窄化，無法實現寬帶的綠光輸出。

d)在獲得高功率近紅外泵浦光的過程中，需要采用光放大器對脈沖功率進行放大，而放大器的增益譜寬同樣限制了倍頻綠光的光譜寬度。

e)高功率放大可以提高脈沖的能量，進而提高非線性倍頻的效率，但是高功率放大過程會破壞脈沖的時域分布，導致脈沖形變和分裂，同時也會影響脈沖的空間光斑質量，以至于限制光束在晶體中的聚焦和傳輸過程，并降低倍頻光的產生效率。

f)高功率放大過程會對脈沖引入多種非線性附加相位噪聲和自發輻射噪聲，影響脈沖的時間-頻譜穩定性，為進一步實現光梳脈沖造成困難。

綜上所述，雖然目前已有多種實現高功率綠光脈沖的技術與方法，但都存在著各種缺陷與不足。

【發明內容】

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種獲得高功率寬帶綠光光學頻率梳的方法，該方法克服了傳統綠光產生技術中的光譜窄、脈沖功率低、時頻特性難以控制等問題，該方法提高了綠光平均功率，增強了綠光亮度，提高了倍頻光的效率和綠光脈沖的平均功率。

為實現上述目的，本發明采用了下述技術方案：

一種獲得高功率寬帶綠光光學頻率梳的方法，其特征在于：

⑴、將多臺摻鐿光學頻率梳鎖定在同一個頻率標準器上，每臺摻鐿光學頻率梳具有相同的脈沖重復頻率fr1=fr2=…=frn，和相同的脈沖載波包絡相位零頻f01=f02=…=f0n；

⑵、采用平衡式光學互相關探測方法檢測各光梳脈沖之間的時間延時抖動，并將該抖動信號經過電路濾波放大后，反饋控制延時光路中的壓電陶瓷器，實現對各路光脈沖時間延時的精密控制，使得倍頻后的綠光脈沖在相干合成過程中始終保持時間重合；

⑶、利用倍頻晶體對每臺摻鐿光學頻率梳的輸出脈沖進行光學倍頻，產生波長為525～535nm的倍頻綠光，根據每臺摻鐿光學頻率梳自身的中心波長特性，選擇對該波長具有最佳相位匹配角的倍頻晶體；