基于光纤光梳的传递振荡器技术研究
发布时间：2020-12-26 01:41
研究了基于光纤飞秒光学频率梳的传递振荡器技术,介绍了其基本原理,设计并搭建传递振荡器系统,实现了主激光器与从激光器光学频率的相干传递,锁定后系统环内拍频信号的s级频率稳定度达5×10-19量级。搭建了两套传递振荡器系统,将主激光器的光学频率同时传递至两个独立的从激光器,分析了锁定后两个从激光器拍频信号引入系统中的相位噪声。通过提高拍频信号信噪比、优化信号处理过程、减小外部环境干扰等方法,最终两个从激光器得到的环外拍频信号线宽小于30mHz,光学频率传递的s级频率稳定度达1.4×10-17量级。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
传递振荡器原理图
利用一台慢速锁定的掺铒光纤飞秒频率梳搭建了两套“传递振荡器”系统，实现了由主激光器到从激光器的光学频率传递，环内信号s级相对频率稳定度达到5×10-19量级，对传递过程中的相位噪声进行了讨论分析。通过两个从激光器的拍频信号对传递效果进行进一步评估，发现光学频率传递的s级相对频率稳定度达1.4×10-17量级，并通过对比实验证明了传递效果不受限于“传递振荡器”部分。为光钟比对提供了技术储备，也为其他光学频率测量和传输的应用提供了新思路。但受实验条件限制，主、从激光器之间的波长差只有约0.1nm，而“传递振荡器”可以在光梳光谱范围内任意两波长之间传递。因此，未来将采用波长相差足够大的两个激光器开展实验，同时还需用空间光路代替光纤链路以减少外界环境如温度、气流等带来的噪声。
“传递振荡器”系统的实验装置如图2所示，包括光路与电路（Transfer box）两部分。实验使用商用掺铒光纤光梳（Menlo system,FC1550），其frep约为250 MHz，通过控制压电陶瓷驱动器（PZT）实现重复频率的调节及锁定。fceo由f-2f技术得到，约为20MHz，将frep与fceo均锁定到氢钟微波信号源上。因为信号在处理过程中消去了fceo，所以不锁定fceo也能实现整个系统的正常工作；frep则由于梳齿序数n太大而必须锁定，否则fa和fb会有较大漂移而使系统难以入锁。主激光器采用Pound-Drever-Hall(PHD）稳频的窄线宽激光器（Stable laser system），波长约为1542.39nm，线宽约为0.7Hz，通过20m的单模光纤传输至实验台后线宽有所展宽。参考氢钟的光梳测量得到υa≈194369022374.3kHz，对应的梳齿序数d=777476；从激光器选用半导体激光器（RIO,Planex），测绘了从激光器在100mA的驱动电流下的温度-波长、温度-功率曲线，温度在14～37℃范围内变化时，输出波长范围为1542.05～1542.40nm，输出功率范围为0.5～12 mW。利用温度控制器（Thorlabs,TED200C）将从激光器温度固定在26℃左右，其工作在单一模式时的绝对频率υb≈194379GHz，对应的梳齿序数n=777517，用一台可高速伺服的电流源（ILX Light wave,LDX3620）驱动从激光器作为锁相环路的执行器。主、从激光器发出的连续光经1∶1光纤耦合器合束后的光再经过9∶1光纤耦合器与光梳光耦合，耦合器出射光包含主激光与从激光分别与光梳相邻梳齿的拍频信息，再经过一段空间耦合光路耦合进光电探测器（EOT,ET-3000A），为了简化光路和减少器件，重复使用了光电探测器。优化光路后得到信噪比RSN≈35dB的拍频信号。电学方面，探测器后面的功率分配器及滤波器（Minicircuits），将主、从激光分别与光梳拍频的电信号分离出来，对电信号的整体处理过程及可用的滤波器型号进行分析后，将光梳的重复频率锁定至249.999929 MHz，使fa≈61 MHz,fb≈-151MHz。与fceo混频后分别为fc≈81MHz,fd≈-131MHz，分频系数设置为10,fc经分频器分频，fd经DDS(Analog Devices,AD9959）进行直接数字频率合成，比例系数为，由32位控制字决定，将DDS的频率控制字设置为。两路信号经混频器混频并滤波后，得到fe≈21.2 MHz。fe与锁定至氢钟的信号发生器产生频率约为21.2MHz的信号后，进行鉴相生成误差信号，经低通滤波后送入伺服控制器（New Focus,LB1005），伺服器输出控制从激光器的驱动电流源从而实现“传递振荡器”系统的锁定。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电光调制光频梳绝对测距的理论及实验分析[J]. 赵宇航,曲兴华,张福民,赵显宇,汤国庆. 中国激光. 2018(12)
[2]基于光纤时间频率传递的多望远镜激光测距时间同步研究[J]. 张海峰,邓华荣,龙明亮,程志恩,张忠萍,赵罡,王家亮. 激光与光电子学进展. 2019(01)
[3]非线性放大环形镜被动锁模光纤激光器重复频率精确锁定研究[J]. 杨松,郝强,曾和平. 中国激光. 2018(08)
本文编号：2938788
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
传递振荡器原理图
利用一台慢速锁定的掺铒光纤飞秒频率梳搭建了两套“传递振荡器”系统，实现了由主激光器到从激光器的光学频率传递，环内信号s级相对频率稳定度达到5×10-19量级，对传递过程中的相位噪声进行了讨论分析。通过两个从激光器的拍频信号对传递效果进行进一步评估，发现光学频率传递的s级相对频率稳定度达1.4×10-17量级，并通过对比实验证明了传递效果不受限于“传递振荡器”部分。为光钟比对提供了技术储备，也为其他光学频率测量和传输的应用提供了新思路。但受实验条件限制，主、从激光器之间的波长差只有约0.1nm，而“传递振荡器”可以在光梳光谱范围内任意两波长之间传递。因此，未来将采用波长相差足够大的两个激光器开展实验，同时还需用空间光路代替光纤链路以减少外界环境如温度、气流等带来的噪声。
“传递振荡器”系统的实验装置如图2所示，包括光路与电路（Transfer box）两部分。实验使用商用掺铒光纤光梳（Menlo system,FC1550），其frep约为250 MHz，通过控制压电陶瓷驱动器（PZT）实现重复频率的调节及锁定。fceo由f-2f技术得到，约为20MHz，将frep与fceo均锁定到氢钟微波信号源上。因为信号在处理过程中消去了fceo，所以不锁定fceo也能实现整个系统的正常工作；frep则由于梳齿序数n太大而必须锁定，否则fa和fb会有较大漂移而使系统难以入锁。主激光器采用Pound-Drever-Hall(PHD）稳频的窄线宽激光器（Stable laser system），波长约为1542.39nm，线宽约为0.7Hz，通过20m的单模光纤传输至实验台后线宽有所展宽。参考氢钟的光梳测量得到υa≈194369022374.3kHz，对应的梳齿序数d=777476；从激光器选用半导体激光器（RIO,Planex），测绘了从激光器在100mA的驱动电流下的温度-波长、温度-功率曲线，温度在14～37℃范围内变化时，输出波长范围为1542.05～1542.40nm，输出功率范围为0.5～12 mW。利用温度控制器（Thorlabs,TED200C）将从激光器温度固定在26℃左右，其工作在单一模式时的绝对频率υb≈194379GHz，对应的梳齿序数n=777517，用一台可高速伺服的电流源（ILX Light wave,LDX3620）驱动从激光器作为锁相环路的执行器。主、从激光器发出的连续光经1∶1光纤耦合器合束后的光再经过9∶1光纤耦合器与光梳光耦合，耦合器出射光包含主激光与从激光分别与光梳相邻梳齿的拍频信息，再经过一段空间耦合光路耦合进光电探测器（EOT,ET-3000A），为了简化光路和减少器件，重复使用了光电探测器。优化光路后得到信噪比RSN≈35dB的拍频信号。电学方面，探测器后面的功率分配器及滤波器（Minicircuits），将主、从激光分别与光梳拍频的电信号分离出来，对电信号的整体处理过程及可用的滤波器型号进行分析后，将光梳的重复频率锁定至249.999929 MHz，使fa≈61 MHz,fb≈-151MHz。与fceo混频后分别为fc≈81MHz,fd≈-131MHz，分频系数设置为10,fc经分频器分频，fd经DDS(Analog Devices,AD9959）进行直接数字频率合成，比例系数为，由32位控制字决定，将DDS的频率控制字设置为。两路信号经混频器混频并滤波后，得到fe≈21.2 MHz。fe与锁定至氢钟的信号发生器产生频率约为21.2MHz的信号后，进行鉴相生成误差信号，经低通滤波后送入伺服控制器（New Focus,LB1005），伺服器输出控制从激光器的驱动电流源从而实现“传递振荡器”系统的锁定。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电光调制光频梳绝对测距的理论及实验分析[J]. 赵宇航,曲兴华,张福民,赵显宇,汤国庆. 中国激光. 2018(12)
[2]基于光纤时间频率传递的多望远镜激光测距时间同步研究[J]. 张海峰,邓华荣,龙明亮,程志恩,张忠萍,赵罡,王家亮. 激光与光电子学进展. 2019(01)
[3]非线性放大环形镜被动锁模光纤激光器重复频率精确锁定研究[J]. 杨松,郝强,曾和平. 中国激光. 2018(08)
本文编号：2938788
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