[發(fā)明專利]一種高精度可調(diào)諧太赫茲頻率梳產(chǎn)生裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011467557.8
• 申請(qǐng)日: 2020-12-14
• 公開（公告）號(hào): CN112582858B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀明洋;曾和平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)南量子技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): H01S1/02
• 分類號(hào): H01S1/02;G02F1/35
• 代理公司: 北京云嘉湃富知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11678
• 代理人: 李思霖

本發(fā)明提出了一種高精度可調(diào)諧太赫茲頻率梳發(fā)生裝置及方法，其中通過鎖定泵浦激光脈沖的重復(fù)頻率并將泵浦激光脈沖分束成兩個(gè)分量，借助相位調(diào)制器等實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)激光脈沖分量之間的載波包絡(luò)相位差的調(diào)制，最終通過使兩個(gè)分量發(fā)生非線性差頻作用產(chǎn)生相位可調(diào)的太赫茲光梳，從而得到頻譜覆蓋范圍廣、精度高、可調(diào)諧的太赫茲頻率梳。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太赫茲光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種高精度可調(diào)諧太赫茲頻率梳發(fā)生裝置及方法。

背景技術(shù)

飛秒光學(xué)頻率梳在時(shí)域上表現(xiàn)為一系列時(shí)間寬度在飛秒量級(jí)的脈沖，頻域上表現(xiàn)為一系列頻率等間隔、位置固定、具有極寬光譜范圍的譜線。只要確定光學(xué)頻率梳的零點(diǎn)偏移頻率和光梳梳齒的頻率間隔，就可以精確計(jì)算出所有頻率。經(jīng)過精確鎖相的鎖模激光器輸出的激光脈沖，在頻域內(nèi)的表現(xiàn)為光學(xué)頻率梳齒被精密鎖定，因此可以作為測(cè)量頻率的尺子，梳齒即為光尺的刻度。由于該項(xiàng)技術(shù)具有非常高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以應(yīng)用到精確度更高的時(shí)間測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)量和發(fā)展物理基礎(chǔ)提供重要幫助。

太赫茲波段的頻率梳直到2008年才首次被研究，太赫茲光譜在生物醫(yī)學(xué)成像、物質(zhì)成分檢測(cè)和鑒定及太赫茲通信方面的應(yīng)用對(duì)產(chǎn)生高精度、寬頻譜太赫茲頻率梳提出了迫切要求。

在太赫茲波段，由于缺乏有效的輻射源，太赫茲頻率梳的研制具有一定困難。目前產(chǎn)生太赫茲頻率梳的方法主要有兩種，一是利用量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)，另一種為利用光學(xué)方法產(chǎn)生太赫茲頻率梳。

利用量子級(jí)聯(lián)激光器可以得到梳齒穩(wěn)定的太赫茲頻率梳，其缺點(diǎn)在于太赫茲頻率梳僅覆蓋GHz量級(jí)頻譜寬度，頻譜范圍極窄，不能滿足光譜檢測(cè)的應(yīng)用需求。

利用光學(xué)方法產(chǎn)生太赫茲頻率梳，可以通過重復(fù)頻率鎖定的飛秒激光脈沖泵浦非線性光學(xué)晶體，泵浦光在非線性晶體中差頻產(chǎn)生太赫茲頻率梳；或者，利用重復(fù)頻率精確鎖定的飛秒激光泵浦光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲頻率梳。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中利用非線性晶體差頻作用產(chǎn)生太赫茲脈沖的原理圖，其中，載波包絡(luò)相位偏移f₀在各頻率分量的差頻過程中被抵消。如圖所示，f_r是激發(fā)激光光源的重復(fù)頻率，其表示相鄰梳齒之間的頻率間隔，f₀是激發(fā)激光光源的載波包絡(luò)相位，其表示相鄰激光脈沖之間的載波包絡(luò)相移頻率，m和n為整數(shù)，其分別表示頻率梳中第m和第n個(gè)梳齒。對(duì)于未鎖定重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相位的激發(fā)激光光源而言，經(jīng)非線性晶體中的差頻作用得到的脈沖頻率f_THz是頻率譜中梳齒為f和梳齒為f’的兩個(gè)頻率梳齒的差頻，即f_THz＝f-f’＝(m-n)f_r。因此，所產(chǎn)生的太赫茲頻率梳的精確頻率是重復(fù)頻率f_r的整數(shù)倍。由此可見，這種方法產(chǎn)生的太赫茲頻率梳不存在載波包絡(luò)相位漂移，只受激光重復(fù)頻率影響，理論上只要鎖定用于參與差頻作用的激發(fā)激光光源的重復(fù)頻率f_r，借助差頻作用即可產(chǎn)生相位穩(wěn)定的太赫茲頻率梳。但是，此時(shí)產(chǎn)生的太赫茲頻率梳的調(diào)諧需要飛秒激光光源的重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)，且可調(diào)諧的精度受限于系數(shù)(n-m)，因此，通過這種方式產(chǎn)生的太赫茲頻率梳難以實(shí)現(xiàn)頻率的高精度可調(diào)諧。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)這一問題，本發(fā)明提出了一種高精度可調(diào)諧太赫茲頻率梳發(fā)生裝置及方法，其中通過鎖定泵浦激光脈沖的重復(fù)頻率并將泵浦激光脈沖分束成兩個(gè)分量，借助相位調(diào)制器等實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)激光脈沖分量之間的載波包絡(luò)相位差的調(diào)制，最終通過使兩個(gè)分量發(fā)生非線性差頻作用產(chǎn)生相位可調(diào)的太赫茲光梳，從而得到頻譜覆蓋范圍廣、精度高、可調(diào)諧的太赫茲頻率梳。

具體而言，本發(fā)明的第一方面涉及一種高精度可調(diào)諧太赫茲頻率梳發(fā)生裝置，其包括光源、分束單元、相位調(diào)制單元、以及非線性差頻晶體；其中，

所述光源被設(shè)置用于輸出重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相位精確鎖定的泵浦激光脈沖；

所述分束單元被設(shè)置用于將所述泵浦激光脈沖分束成第一和第二泵浦激光脈沖分量；