飞秒频率梳重复频率控制及脉宽测量技术研究

发布时间：2020-11-07 18:25

　　 飞秒光频梳在时域表现为超短脉冲序列,在频域表现为等间隔梳状多光谱,自诞生之日起就受到国内外学者的关注,在精密光谱测量、高精度激光测距等领域具有潜在的重大应用价值。飞秒光频梳的频域关键参数包括表征梳齿间隔的重复频率和表征零阶梳齿频率的偏置频率,任何一个梳齿的频率都可以通过其阶数乘以重复频率,再加上偏置频率进行计算。为实现上述高精度测量,飞秒光频梳的重复频率稳频控制必不可少。同时,为精确了解飞秒光频梳的时域状态,其脉冲宽度的测量同样不可或缺。针对上述两方面应用需求,本课题进行了飞秒光频梳的重复频率控制和脉冲宽度测量研究,具体内容包括:1.针对飞秒光频梳受环境振动、功率抖动等因素影响,其重复频率在一定范围内快速变化的问题,首先分析了生成飞秒光频梳的光纤环形腔基本结构,验证了环形腔腔长对重复频率的决定作用,设计了基于压电陶瓷的腔长调节机构,设计并实现了基于模拟锁相的重复频率稳定控制单元。5分钟内,飞秒光频梳的重复频率可稳定控制在0.20Hz范围内。2.针对环境温度变化导致飞秒光频梳重复频率大范围漂移的问题,对光纤环形腔长度的热敏感系数进行测试,根据压电陶瓷的腔长调节范围确定了温度补偿需求,设计了用于放置光纤环形腔的恒温机构,设计并实现了基于PID控制的光纤环形腔恒温单元。能够在目标温度下,实现光纤环形腔精密恒温控制。在目标温度18.5℃的条件下,实现了小于0.12℃范围的光纤环形腔精密恒温控制。结合模拟锁相重复频率控制单元,实现了1小时内,飞秒光频梳重复频率在0.20Hz范围内的稳定控制。3.针对飞秒光频梳脉冲过窄,难以直接测量脉冲宽度的问题,利用双光子吸收自相关探测原理,首先借助反向泵浦掺铒光纤放大器放大飞秒光频梳能量,再利用改进的迈克尔逊干涉光路,振荡某一路反射镜以形成光程扫描,探测并计算双光子吸收自相关信号的宽度,根据自相关信号与脉冲的对应关系实现脉冲宽度的反算。设计并实现了原理样机,进行了初步测试。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

纤环形腔中加入一段由 980nm 激光器泵浦的掺镱光纤，通过改变 980nm 泵浦光的功率，可以迅速改变掺镱光纤的折射率，同时将环形腔放于温控平台中实现重复频率的长期锁定，锁定时间达到了 12 个小时，1s 积分时间内阿伦方差是122.510 ，能实现高精度的锁定[13]。但是，在上述方法中，光纤的折射率的变化量受到限制，由于泵浦功率的改变，环境中的空气干扰，振动噪声等引起的热效应可能影响锁定精度。通过压电陶瓷对腔体长度进行反馈控制的方法可以获得更大的动态范围。其中一种方法是将部分光纤缠绕在 PZT 管周围。 当在 PZT 管的内壁和外壁之间施加电压时，PZT 管将产生轴向和径向位移。 PZT 管上的光纤也将随着 PZT管的径向位移而变化。2013 年，在韩国科学技术院（KAIST）把掺铒光纤飞秒激光发生器放置在卫星中，然后发射到外太空进行的锁模实验中，所使用的重复频率控制方法正是将光纤黏于 PZT 上。由于光纤本身质量较轻，减小了 PZT 的负载，使 PZT 可以保持较高的响应频率和适当的调节范围。其装置图如图 1-1 所示。在这个研究中 KAIST 实现的重复频率锁定在 10s 积分时间内阿伦方差为12110 。同样实现了高精度的锁定。

1-2 钛宝石飞秒光学频率梳精密锁相控制实验装置示意图[1实验系统中，有两块 PZT 用于控制飞秒激光器的腔长于对激光器腔长进行快速控制；另一块相对较厚，主期漂移进行补偿，也称为慢速控制。最终的控制结果为差是187.210 。梳脉冲宽度测量技术研究现状光脉冲技术的发展不仅依靠激光器技术的提高，还得展。通过对超短脉冲激光的测量，研究其精细的脉冲脉冲或更窄的激光脉冲十分有帮助。原有的测量皮秒冲取样法和条纹相机法早已无法满足人们的需要，只窄的飞秒激光脉冲的宽度。但是自相关测量法只能得些比较粗略的啁啾信息。而超短激光脉冲的测量不仅也要知道其相位的信息，只有同时把这两种信息测量激光脉冲的特性。经过了去多年的不断研究和探索，

就可以得到飞秒激光脉冲的强度和相位信息了。经研究发现，频率分辨门法（FROG）比光谱相位相干直接电场重建（SPIDER）法具有更高的扰性，获得的激光脉冲的宽度和相位信息也更加精确。传统的频率分辨光学门法（FROG）实验比较复杂，成本也比较高。所原有的结构基础上，又发展许多种测量超短激光脉冲的方法，比如偏振型的 FROG，自衍射型 FROG，二次谐波型 FROG 以及三次谐波型G。这些方法各有特点，很好地弥补了传统频率分辨光学门法（ FROG量上的不足[18]。（1）强度自相关法 在自相关法中，把要测量的脉冲分成均等的两束将它们通过非线性介质，这时两束脉冲发生非线性效应，两个脉冲间的发生变化，实现一个脉冲对另外一个脉冲的扫描，扫描期间获得的时间反映了飞秒脉冲的宽度，如图 1-3 所示。在两束发生相互作用的光的脉较大的情况下，可以不考虑脉冲电场的相位，而只是将两束光脉冲的强行普通的叠加，在这种情况下我们称之为强度自相关。强度自相关的峰度与背景强度比值为 3:1，因此强度自相关曲线也可以叫做 3:1 曲线[1
【参考文献】

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1 樊多盛;施韶华;李孝辉;;基于GPS接收机的铷原子钟驾驭方法研究[J];电子测量与仪器学报;2013年10期

2 华卿;周维虎;许艳;;飞秒激光频率梳绝对测距技术综述[J];计测技术;2012年01期

3 殷元利;;长度计量技术浅析[J];计量与测试技术;2011年07期

4 曲兴华;戴建芳;张福民;;基于激光测距的大尺寸测量应用研究[J];仪器仪表学报;2009年03期

5 逯美红;王志军;赵玉连;;简易自相关仪对飞秒激光脉冲宽度的测量[J];大学物理;2008年04期

6 王兆华,魏志义,张杰;飞秒脉冲测量技术[J];物理;2002年10期

7 杨枫;光学强度自相关[J];大学物理;1995年05期

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3 张川;基于模拟PID的光锁相环研究[D];浙江大学;2014年

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5 赵文思;超短脉冲自相关法测量技术的研究[D];哈尔滨理工大学;2012年

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8 王雷;飞秒光纤放大器的实验研究[D];天津大学;2010年

9 邓杨保;激光脉冲的测量技术及分析[D];湖南大学;2010年

10 王冠飞;新型掺铒光纤放大器的研究[D];北京交通大学;2009年

本文编号：2874320