本發(fā)明屬于激光測量領(lǐng)域，具體涉及可見光到中紅外波段光學(xué)頻率梳產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，用于校準(zhǔn)不同波長的激光器和測量不同的氣體。

背景技術(shù)：

1、光學(xué)頻率梳(簡稱“光頻梳”)具備完全根據(jù)微波頻率定義光學(xué)頻率的能力，可將來自高穩(wěn)定性參考的相位和頻率信息精確傳輸?shù)焦庥蛑幸猿砂偕锨в嫷念l率拍上，而且具有從微波頻率到極紫外線的近乎連續(xù)的光譜覆蓋，使其在基礎(chǔ)科學(xué)研究、頻標(biāo)計量、激光測距及光通信等研究領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用。

2、具體應(yīng)用：光學(xué)頻率梳最直接的應(yīng)用就是精密光學(xué)頻率測量。光頻梳之所以可以用于光學(xué)頻率精密測量的原因在于：光頻梳在頻域上表現(xiàn)為離散的梳狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)頻率溯源到穩(wěn)定的參考源后，每根梳齒都獲得了超高的頻率穩(wěn)定度和精度，因此，其在頻域內(nèi)可視為一把具有極高精度的光頻率標(biāo)尺[kim?s?w.metrology:combs?rule[j].naturephotonics,2009,3(6):313-314.]。

3、光頻梳在精密光譜測量領(lǐng)域中的應(yīng)用。一般來講，分子與光源相互作用時，會在特定波段處產(chǎn)生吸收，且每種分子會存在多個吸收波段，具體吸收波段取決于分子的能級結(jié)構(gòu)。不同的分子種類所對應(yīng)的吸收波段是不同的，這相當(dāng)于每一種分子都有一個特定的標(biāo)識。由于光頻梳的頻率梳齒成分非常豐富，其輸出光譜中一般包含上百萬根光頻梳齒。當(dāng)光頻梳頻率溯源到原子鐘或光參考后，每一根光梳齒都可以看作是頻率穩(wěn)定的、線寬較窄的連續(xù)激光器。因此，當(dāng)光頻梳作為光源與分子相互作用時，就會產(chǎn)生特征吸收光譜，之后通過對得到的光譜進(jìn)行分析便可知道待測分子的種類以及含量。

4、當(dāng)前，一種近紅外波段光頻梳結(jié)合非線性頻率轉(zhuǎn)移技術(shù)可將梳齒頻率轉(zhuǎn)移至中紅外波段[schliesser?a,picque?n,hansch?t?w.mid-infrared?frequency?combs[j].nature?photonics,2012,6(7):440-449.]，被廣泛應(yīng)用于中紅外波段光頻梳的產(chǎn)生，比如光學(xué)參量振蕩器[jin?y?w,cristescu?s?m,harren?f?j?m,et?al.two-crystal?mid-infrared?optical?parametric?oscillator?for?absorption?and?dispersion?dual-comb?spectroscopy[j].optics?letters,2014,39(11):3270-3273.](opticalparametric?oscillators,opos)。

5、2018年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的ycas等人采用近紅外波段鎖模飛秒光纖頻率梳泵浦ppln晶體產(chǎn)生中紅外波段的閑頻光梳(如圖1)，閑頻光的光譜累積覆蓋3000nm-5000nm[ycas?g,giorgetta?f?r,baumann?e,et?al.high-coherence?mid-infrared?dual-comb?spectroscopy?spanning?2.6to?5.2μm[j].nature?photonics,2018,12(4):202-208.]。

6、目前，雖已有采用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)將近紅外波段泵浦光梳源的工作波長轉(zhuǎn)換到中紅外波段的報道，但是僅僅是將工作波長轉(zhuǎn)換到特定波長的光譜窗口，光學(xué)頻率梳的帶寬并沒有被拓寬，僅在距離泵浦頻率較遠(yuǎn)的波段獲得局部頻譜擴(kuò)展且存在噪聲累積導(dǎo)致梳齒結(jié)構(gòu)嚴(yán)重退化，當(dāng)前行業(yè)未見有關(guān)波長覆蓋可見光到中紅外光學(xué)(500-2350nm)波段的光學(xué)頻率梳的報道。

7、之所以需要獲得可見光到中紅外光學(xué)(500-2350nm)波段的光學(xué)頻率梳，是因為在可見光到中紅外光學(xué)(500-2350nm)范圍內(nèi)覆蓋多個典型商用激光器的光譜范圍，如543nm、633nm、1030nm、1064nm、1550nm、2000nm激光器等，研制500-2350nm可見光到中紅外光波段的光學(xué)頻率梳裝置可以實現(xiàn)對上述典型商用激光器的波長計量校準(zhǔn)。同時在500-2350nm范圍內(nèi)存在水蒸氣(h2o)、過氧化氫(h2o2)、氨氣(nh3)、二氧化碳(co2)、一氧化碳(co)、硫化氫(h2s)、氯化氫(hcl)、氟化氫(hf)、甲烷(ch4)、乙烷(c2h4)、乙炔(c2h2)等氣體分子和有毒氣體的吸收峰，很多分子在該頻譜范圍內(nèi)具有特征吸收譜線，因此研制可見光到中紅外光波段(500-2350nm)的光學(xué)頻率梳裝置在光譜分析和分子探測方面具有重要的應(yīng)用價值。

8、另外，光梳通常會通過鎖定外部參考光源(外部光源的頻率)來提高光梳的精度和穩(wěn)定性。在這種情況下，外部參考光源經(jīng)常會采用銣原子鐘來提供高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的頻率。這樣可以確保光梳的頻率與參考光源的頻率保持同步，從而提高光梳的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。但是，目前銣原子鐘鎖定后的重復(fù)頻率穩(wěn)定度通常處于10-11量級或接近10-12量級，如何通過提升重復(fù)頻率穩(wěn)定度的量級來提高測量精度的是亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明為可見光到中紅外波段光學(xué)頻率梳產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，通過該系統(tǒng)可將光學(xué)頻率梳的梳齒頻率拓寬至可見光到中紅外波段，對光譜分析和分子探測方面提供重要應(yīng)用價值。

2、該可見光到中紅外波段光學(xué)頻率梳產(chǎn)生系統(tǒng)包括：全保偏光纖頻率梳模塊和光梳光譜擴(kuò)展模塊；

3、所述全保偏光纖頻率梳模塊用于產(chǎn)生頻率、譜線間隔均勻且相干的寬譜激光；

4、所述光梳光譜擴(kuò)展模塊用于對所述頻率鎖定的寬譜相干光源進(jìn)行光譜擴(kuò)展，實現(xiàn)可見光到中紅外段光學(xué)頻率梳的輸出；

5、所述光梳光譜擴(kuò)展模塊包括放大器b、90:10分束器、全保偏壓縮光纖b、全保偏壓縮光纖c、1100-2350nm超連續(xù)譜單元和500-1100nm超連續(xù)譜單元；

6、從所述全保偏光纖頻率梳模塊產(chǎn)生的鎖定的激光進(jìn)入所述放大器b進(jìn)行脈沖放大后通過90:10分束器分束；

7、經(jīng)過90:10分束器10％能量端口的激光通過全保偏壓縮光纖c進(jìn)入所述1100-2350nm超連續(xù)譜單元；

8、經(jīng)過90:10分束器90％能量端口的激光通過全保偏壓縮光纖b進(jìn)入所述500-1100nm超連續(xù)譜單元；

9、所述1100-2350nm超連續(xù)譜單元包括放大器c、無源光纖和高非線性光纖b；所述經(jīng)過全保偏壓縮光纖c的激光進(jìn)入放大器c后依次通過無源光纖和高非線性光纖b；

10、所述放大器c通過光纖連接半導(dǎo)體激光二極管單元c，通過開閉所述半導(dǎo)體激光二極管單元c的電路，實現(xiàn)1100-2350nm近紅外到中紅外波段激光的輸出與關(guān)閉。

11、優(yōu)選的，

12、所述全保偏光纖頻率梳模塊包括激光器、放大器a、全保偏壓縮光纖a、高非線性光纖a、共線型自參考f-2f拍頻探測裝置和頻率鎖定系統(tǒng)；

13、所述激光器輸出的激光依次進(jìn)入放大器a、全保偏壓縮光纖a、高非線性光纖a、共線型自參考f-2f拍頻探測裝置和頻率鎖定系統(tǒng)；

14、通過壓電陶瓷制動器拉伸所述激光器中的光纖將重復(fù)頻率鎖定在所述頻率鎖定系統(tǒng)的原子鐘上；

15、所述共線型自參考f-2f拍頻探測裝置將拍頻到的射頻信號fceo信號鎖定在所述頻率鎖定系統(tǒng)的原子鐘上；

16、所述原子鐘為氫原子鐘。

17、優(yōu)選的，

18、所述激光器包括sesam器件、保偏摻鉺光纖、第一半導(dǎo)體激光二極管和輸出鏡；

19、所述sesam器件位于激光器線形激光腔的一側(cè)；

20、所述第一半導(dǎo)體激光二極管為泵浦源，通過位于所述線形激光腔另一側(cè)的輸出鏡反射進(jìn)入到所述保偏摻鉺光纖中提供泵浦激勵；

21、所述保偏摻鉺光纖的一端與所述sesam器件相連，另一端與所述輸出鏡相連；

22、所述輸出鏡的輸出比例為90:10，所述輸出鏡將線形激光腔內(nèi)的10％的信號光作為飛秒激光器的輸出。

23、優(yōu)選的，

24、所述500-1100nm超連續(xù)譜單元包括準(zhǔn)直系統(tǒng)和二分之一波片a、ppln晶體b、準(zhǔn)直系統(tǒng)和二分之一波片b和光子晶體光纖，

25、激光通過所述準(zhǔn)直系統(tǒng)和二分之一波片a后進(jìn)入ppln晶體b進(jìn)行倍頻，然后依次進(jìn)入所述準(zhǔn)直系統(tǒng)和二分之一波片b和光子晶體光纖；

26、通過調(diào)整所述準(zhǔn)直系統(tǒng)和二分之一波片a及準(zhǔn)直系統(tǒng)和二分之一波片b入射到所述ppln晶體b以及光子晶體光纖中的脈沖泵浦激光功率，用于控制超連續(xù)光譜的形狀以及光譜功率密度分布。

27、優(yōu)選的，

28、所述線形激光腔內(nèi)包含的光纖有保偏摻鉺光纖和標(biāo)準(zhǔn)保偏單模光纖，二者均為負(fù)色散光纖；

29、所述放大器b泵浦功率來源于半導(dǎo)體激光二極管單元b，

30、當(dāng)增加半導(dǎo)體激光二極管單元b的泵浦功率達(dá)到2000mw時，所述放大器b輸出平均輸出功率達(dá)到600mw。

31、有益效果：

32、(一)本發(fā)明的可見光到中紅外波段光學(xué)頻率梳產(chǎn)生系統(tǒng)可通過依次開啟或關(guān)閉放大器c的兩個半導(dǎo)體激光二極管單元c的電路，實現(xiàn)1100-2350nm近紅外到中紅外波段激光輸出開啟與關(guān)閉，更有針對性地對待測激光進(jìn)行高效率測量。

33、(二)本發(fā)明的可見光到中紅外波段光學(xué)頻率梳產(chǎn)生系統(tǒng)采用全保偏光纖頻率梳模塊和光梳光譜擴(kuò)展模塊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)覆蓋500-2350nm可見光到中紅外光波段光學(xué)頻率梳超連續(xù)譜輸出，可以為更多波長的激光器提供檢測手段，另外可以實現(xiàn)對多種氣體同時測量。

34、(三)本發(fā)明的可見光到中紅外波段光學(xué)頻率梳產(chǎn)生系統(tǒng)采用氫原子鐘作為光梳鎖定參考模塊，重復(fù)頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-13量級，鎖定精度相較目前當(dāng)下銣原子鐘提高一個數(shù)量級，提高對待測激光波長的測量精度。