高分辨双光梳系统的研制及其应用的研究

发布时间：2020-12-28 06:02

　　基于光学频率梳技术发展而来双光梳光谱测量系统,通过具有一定重复频率差的双光梳光源实现快速的光学外差探测,具有快速、灵敏、高分辨和高精度的技术优势,近年来已在精密光谱分析、光学测距、光学成像等应用方向上展现出巨大的应用潜力,并迅速成为相关领域内的研究热点。实现梳齿可分辨的高分辨双光梳光谱测量依赖具有高度相干性的双光梳光源,目前,采用高速调制器件对光纤锁模激光器的两个自由度进行精密的反馈控制,是提高双光梳光源相干性的主要方法。一方面,研究光纤锁模激光器的噪声演化特性,获得低噪声的飞秒脉冲是实现双光梳光源频率稳定的基础;另一方面,发展精密的相位锁定技术,对于抑制双光梳光源的频率噪声、实现双光梳光源的高互相干具有重要意义。进一步地,研制紧凑稳定的集成化双光梳光谱测量系统,也是提高双光梳技术实用性、拓展双光梳技术应用领域的关键。本文以“高分辨双光梳系统的研制及其应用的研究”为主题,分别深入研究了低噪声光纤锁模激光器、精密相位锁定技术以及双光梳光谱测量系统。以自主研制的全保偏光纤锁模激光器为研究基础,从理论和实验上探究了光纤锁模激光器的噪声演化特性,验证了脉冲能量、脉冲宽度以及脉冲的非线性对脉冲噪... 

【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

光学频率梳的时频域对应关系。T,脉冲周期;frep,重复频率;Δ?,载波与包络的偏移相位;fceo,载波包络相位偏移频率;fm,任意梳齿的光频频率

尽管光学频率梳本身包含了光频(载波)与射频(包络)的确定频率信息,但如果采用光电探测器直接测量其输出信号,由于光电探测器的响应带宽受限(目前在GHz水平),高达THz的载波信号则无法被光电探测器直接响应,因此基于光频分析的探测应用受到了限制,而双光梳光谱测量方式的提出解决了这一问题。图2-2所示为双光梳光谱测量系统的一种探测结构,其实现的具体过程是,光学频率梳Comb1的出射光首先在探测光路中与待测样品发生相互作用,使表征样品特性的测量信息加载在光频信号,其后与光学频率梳Comb2的出射光合束,并同时被光电探测器捕获,获得时域干涉信号,最终通过数据的采集与处理还原待测的样品信息。

相比于传统的傅里叶变换红外光谱仪[64],使用双光梳光谱测量技术进行光谱探测时,去除了机械移动的测量结构,有效简化了测量系统,而此时双光梳光谱测量结果的准确性就直接由系统的性质和参数决定,因此对双光梳系统的设计及其噪声水平的研究就显得十分必要。考虑双光梳光谱测量的实现步骤,分别涉及锁模激光器、光学频率梳、双光梳光源、应用分析四个过程,各部分之间的关系以及影响其性能的因素如图2-3所示。锁模激光器经过精密相位锁定获得稳定的光学频率梳,而两台光学频率梳实现互相干后才能构成高分辨的双光梳光源,并应用到测量系统中实现精密的双光梳光谱测量,因此研究各部分的噪声来源、实现噪声的抑制以及稳定性的提高,对于改善最终测量结果的准确性具有重要意义。在锁模激光器的研制过程中,需要考虑锁模原理的选择、腔型的设计、激光器本身的噪声演化对输出脉冲噪声水平的影响,从而选择合适的谐振腔方案以及锁模状态以实现输出脉冲的噪声优化,此外,集成封装设计有利于提升激光器的抗环境干扰能力,进一步改善激光器的噪声水平和稳定性;在光学频率梳的相位锁定过程中,则需要重点考虑反馈激励的选择和安装、不同相位锁定方式对频率稳定性的影响,同时需要研制高精度相位锁定电路以提高相位锁定的精度、最大程度地抑制频率噪声,同样地,光学频率梳系统的集成封装对于提高其实用性和稳定性也有重要意义;光学频率梳到双光梳光源的过程,是实现光源互相干的过程,这一过程中相干相位锁定的方案、锁定参考源的选择、光源参数的设置是需要考虑的主要因素,它们将直接决定测量的性能和参数;应用分析是得到双光梳光谱测量结果的最终过程,测量光路的设计、数据采集的方式、数据分析和处理的手段,对于测量结果的准确性、可靠性有直接的影响。


本文编号：2943250