专利名称：一种激光频率测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种激光频率测量装置及方法，特别涉及一种用于飞秒激光频率测量的光梳测频装置及方法，属于飞秒激光测频技术领域。
背景技术：
激光频率测量一直属于前沿计量基础学科中的重要问题，光波频率用一般的电子学方法难以测量，而1978年出现的飞秒激光频率梳技术，经历多年快速发展后建立起了光波和微波频率之间的联系，成功实现了激光频率的精确测量。2005年，美国JILA实验室的 John L. Hall和德国马普实验室的T. W. Hansch因在该领域的突出贡献而荣膺诺贝尔物理学奖。随着飞秒激光光梳技术的成熟发展和应用，其在计量科研和工程技术方面的需求也随之增多。但是以往构造用于激光光频测量的飞秒光梳测频装置包括单一窄带高反镜， 不仅浪费了具有宽谱特性的飞秒光梳中的大量有用光频成分，而且还不利于提高激光频率的测量效率。近年来，相关学者已经发明了利用表面光场增强效应在非线性介质中通过高次谐波过程产生紫外光学频率梳的方法，利用飞秒高重复频率激光在满足共振条件的入射角时，通过光场在光栅表面与等离子体波共振，在非线性介质中形成的高次谐波来产生紫外光梳。还有研究者发明了一种采用四级光纤级联放大方法来获得高功率光学频率梳的技术。可以将极低平均功率的光频梳激光放大到超过百瓦量级。也有研究者针对飞秒激光频率梳稳定时间短的问题，发明了一种高稳定高重复频率单块飞秒激光频率梳的制作方法及设备。主要方法为使用飞秒钛宝石振荡器输出高重复频率、7fs以下的飞秒脉冲，通过单块非线性晶体差频产生飞秒脉冲CE0，再利用电路反馈技术将重复频率和CEO频率锁定的飞秒光学频率梳。该装置具有结构紧凑，锁定时间长，输出可用功率高、相位噪声小等优点，可广泛应用于光频绝对测量、构成光钟和阿秒产生等科学研究中。上述有关飞秒激光频率梳的技术中，大部分都是关于用来产生不同频率的光学频率梳，还有如何提高飞秒激光频率梳功率的问题。然而在飞秒激光频率梳测频过程中，普遍存在飞秒激光频率梳的重复频率和载波包络相移(CEO)长期稳定性差、测量成本高等缺点，而且并没有涉及如何提高测频效率的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提高飞秒光学频率梳装置的测频效率，提出了一种激光频率测量装置及方法。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明的一种激光频率测量装置，由飞秒激光频率梳装置、激光脉冲压缩装置、光谱展宽装置、第一全反射镜、透射式石英光栅及与其配套的全反射镜组、第一拍频光路、第二拍频光路、第一数据采集装置和第二数据采集装置组成；
上述与透射式石英光栅配套的全反射镜组包括第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜；飞秒激光频率梳装置的激光腔中发出的飞秒脉冲激光经激光脉冲压缩装置对其进行脉冲压缩后进入光谱展宽装置，由光谱展宽装置对其进行扩谱后到达第一全反射镜， 第一全反射镜将光束反射至第二全反射镜，再经第二全反射镜反射至透射式石英光栅，经透射式石英光栅后分为光频不同的两束激光，其中一束经第三全反射镜反射至第一拍频光路后由第一数据采集装置对其光频进行测试与采集，另一束经第四全反射镜反射至第二拍频光路后由第二数据采集装置对其光频进行测试与采集；上述激光脉冲压缩装置由棱镜对和啁啾镜组成或者由光栅对组成；激光脉冲压缩装置对飞秒激光频率梳装置激光腔中的脉冲光进行压缩，将其压缩至十飞秒至二十飞秒之间的范围，以达到扩大超短脉冲光谱范围的作用；上述光谱展宽装置包括显微物镜和光子晶体光纤，显微物镜和光子晶体光纤安装于高精度三维移动平台上；光谱展宽装置对压缩后的飞秒脉冲激光进行光谱展宽的方法具体为通过将压缩后的飞秒脉冲激光注入到光子晶体光纤中，利用光子晶体光纤的非线性效应对飞秒脉冲进行进一步扩谱；上述透射式石英光栅为采用微纳光学技术制作的高密度1x2透射式石英光栅，其作用是对飞秒光梳光谱中不同波长的高斯峰分光，并且可以实现高效透射；透射式石英光栅的制作过程为1)利用全息技术在涂有正光刻胶的铬膜上记录高密度光栅；2)对步骤1)所记录的光栅进行显影；3)用去铬液将光刻光栅图案转移至铬膜上，并使用化学方法将残留的光刻胶去除，制成光栅模版；4)利用微电子刻蚀工艺，将步骤幻制作的光栅模版放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行刻蚀，再进一步去除石英基片上的剩余铬，即制作成所需的高效透射式石英光栅。本发明的一种光频测量装置，其中透射式石英光栅及其配套的全反射镜组可由第一窄带高反镜和第二窄带高反镜代替，第一窄带高反镜和第二窄带高反镜对与其各自参数分别对应的某一指定波长的激光高效反射，而对其余波长的激光高效透射；此时入射到第一全反射镜的光束被反射至第一窄带高反镜，经第一窄带高反镜后分为两束其中一束被反射至第一拍频光路后由第一数据采集装置对其光频进行测试与采集，另一束被透射至第二窄带高反镜，由第二窄带高反镜反射至第二拍频光路后由第二数据采集装置对其光频进行测试与采集。本发明的一种激光频率测量装置，其测频方法的步骤为1)通过高精度锁相稳频电路�？椋擅爰す馄德适嶙爸玫闹馗雌德屎推破德仕ǖ皆又悠德噬希狗擅牍馄荡τ诔な奔涞奈榷ǎ阌诰房煽康牟饬看夤馄档木云德剩�2)通过调节高精度三维移动平台，来调整光谱展宽装置中显微物镜和光子晶体光纤的位置，使注入光子晶体光纤的飞秒激光能量最大，可以通过观察从光子晶体光纤出射的光强来判断耦合效率的高低；3)通过调节脉冲压缩装置来控制飞秒脉冲宽度，进而影响飞秒脉冲中宽光谱域中的波峰位置和数量，具体为3. 1如果调节脉冲压缩装置由棱镜对和啁啾镜组成，通过调节其中一个棱镜在光路中的插入量来控制飞秒脉冲宽度；3. 2如果调节脉冲压缩装置由光栅对组成，通过调节光栅对的间距来控制飞秒脉冲宽度；4)启动激光频率测量装置，实施激光频率测量。有益效果本发明的一种激光频率测量装置，结构紧凑、操作方便、易集成化、成本低、应用灵活，不仅可以用于可见光范围的激光频率测量，还可以用于红外和紫外激光频率的精密测量，有效利用了飞秒光梳宽谱中各个波长成分，对比以往使用高稳定的飞秒激光频率梳的测频系统，具有较高的利用效率，便于快速实现双波长甚至多波长激光的频率测量。
图1为本发明的实施例1的结构示意图；其中，Ll为飞秒激光频率梳装置，Cl为激光脉冲压缩装置，Sl为光谱展宽装置， M1、M2、M3和M4分别为第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜，Gl为透射式石英光栅，Al和A2分别第一拍频光路和第二拍频光路，Bl和B2分别为第一数据采集装置和第二数据采集装置；图2为实施例1中，在飞秒激光频率梳中宽光谱范围内，针对波长633纳米的光设计的透射式石英光栅的衍射效率图；图3为实施例1中，在飞秒激光频率梳中宽光谱范围内，针对波长613纳米的光设计的透射式石英光栅的衍射效率图；图4为本发明的实施例2的结构示意图；其中，Ll为飞秒激光频率梳装置，Cl为激光脉冲压缩装置，Sl为光谱展宽装置，Ml 为第一全反射镜，M5和M6分别为第一窄带高反镜和第二窄带高反镜，Al和A2分别第一拍频光路和第二拍频光路，Bl和B2分别为第一数据采集装置和第二数据采集装置。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例1一种激光频率测量装置，如图1所示，由飞秒激光频率梳装置、激光脉冲压缩装置、光谱展宽装置、第一全反射镜、透射式石英光栅、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、第一拍频光路、第二拍频光路、第一数据采集装置和第二数据采集装置组成；飞秒激光频率梳装置的激光腔中发出的飞秒脉冲激光经激光脉冲压缩装置对其进行脉冲压缩后进入光谱展宽装置，由光谱展宽装置对其进行扩谱后到达第一全反射镜， 第一全反射镜将光束反射至第二全反射镜，再经第二全反射镜反射至透射式石英光栅，经透射式石英光栅后分为光频不同的两束激光，其中一束经第三全反射镜反射至第一拍频光路后由第一数据采集装置对其光频进行测试与采集，另一束经第四全反射镜反射至第二拍频光路后由第二数据采集装置对其光频进行测试与采集；
上述激光脉冲压缩装置由棱镜对和啁啾镜组成，激光脉冲压缩装置对飞秒激光频率梳装置激光腔中的脉冲光进行压缩，将其压缩至十飞秒至二十飞秒之间的范围，以达到扩大超短脉冲光谱范围的作用；上述光谱展宽装置包括显微物镜和光子晶体光纤，显微物镜和光子晶体光纤安装于高精度三维移动平台上；光谱展宽装置对压缩后的飞秒脉冲激光进行光谱展宽的方法具体为通过将压缩后的飞秒脉冲激光注入到光子晶体光纤中，利用光子晶体光纤的非线性效应对飞秒脉冲进行进一步扩谱；上述透射式石英光栅为采用微纳光学技术制作的高密度1x2透射式石英光栅，光栅占空比f = 0.5，周期d范围为1 <d< 2微米，深度h范围为0.8 <h< 1.2微米，其作用是对飞秒光梳光谱中不同波长的高斯峰分光，并且可以实现高效透射；透射式石英光栅的制作过程为1)利用全息技术在涂有正光刻胶的铬膜上记录高密度光栅，所采用的正光刻胶的型号为 Shipley S1818 ；2)对步骤1)所记录的光栅进行显影；3)用去铬液将光刻光栅图案转移至铬膜上，并使用化学方法将残留的光刻胶去除，制成光栅模版；4)利用微电子刻蚀工艺，将步骤幻制作的光栅模版放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行刻蚀，再进一步去除石英基片上的剩余铬，即制作成所需的高效透射式石英光栅。本实施例1中光栅的占空比f = 0.5，周期d= 1. 144微米，深度h = 0.86微米， 对波长为633纳米和613纳米的光有高效率透射作用，还可以让两束光在空间上分开。本实施例1的一种激光频率测量装置，其测频方法的步骤为1)通过高精度锁相稳频电路模块，将飞秒激光频率梳装置的重复频率和偏移频率锁定到原子钟频率上，使飞秒光频处于长时间的稳定，便于精确可靠的测量待测光频的绝对频率；2)通过调节高精度三维移动平台，来调整光谱展宽装置中显微物镜和光子晶体光纤的位置，使注入光子晶体光纤的飞秒激光能量最大，可以通过观察从光子晶体光纤出射的光强来判断耦合效率的高低；3)通过调节脉冲压缩装置来控制飞秒脉冲宽度，进而影响飞秒脉冲中宽光谱域中的波峰位置和数量，具体为调节脉冲压缩装置的棱镜对中一个棱镜在光路中的插入量来控制飞秒脉冲宽度，使飞秒脉冲的峰值位置处于633纳米和613纳米；4)启动激光频率测量装置，实施激光频率测量。 本实施例中，在飞秒激光频率梳中宽光谱范围内，针对波长633纳米和613纳米波长而设计的高效透射式光栅的衍射效率图分别如图2和图3所示。实施例2一种激光频率测量装置，如图1所示，由飞秒激光频率梳装置、激光脉冲压缩装置、光谱展宽装置、第一全反射镜、第一窄带高反镜、第二窄带高反镜、第一拍频光路、第二拍频光路、第一数据采集装置和第二数据采集装置组成；上述第一窄带高反镜对波长为633纳米的光高效反射，而对7 纳米的光高效透射；
上述第二窄带高反镜对波长为7 纳米的光高效反射，而对633纳米的光高效透射；飞秒激光频率梳装置的激光腔中发出的飞秒脉冲激光经激光脉冲压缩装置对其进行脉冲压缩后进入光谱展宽装置，由光谱展宽装置对其进行扩谱后到达第一全反射镜， 入射到第一全反射镜的光束被反射至第一窄带高反镜，经第一窄带高反镜后分为两束其中633纳米的光束被反射至第一拍频光路后由第一数据采集装置对其光频进行测试与采集，7 纳米的光束被透射至第二窄带高反镜，由第二窄带高反镜反射至第二拍频光路后由第二数据采集装置对其光频进行测试与采集；上述激光脉冲压缩装置由光栅对组成，激光脉冲压缩装置对飞秒激光频率梳装置激光腔中的脉冲光进行压缩，将其压缩至十飞秒至二十飞秒之间的范围，以达到扩大超短脉冲光谱范围的作用；上述光谱展宽装置包括显微物镜和光子晶体光纤，显微物镜和光子晶体光纤安装于高精度三维移动平台上；光谱展宽装置对压缩后的飞秒脉冲激光进行光谱展宽的方法具体为通过将压缩后的飞秒脉冲激光注入到光子晶体光纤中，利用光子晶体光纤的非线性效应对飞秒脉冲进行进一步扩谱；本实施例2的一种激光频率测量装置，其测频方法的步骤为1)通过高精度锁相稳频电路�？椋擅爰す馄德适嶙爸玫闹馗雌德屎推破德仕ǖ皆又悠德噬希狗擅牍馄荡τ诔な奔涞奈榷ǎ阌诰房煽康牟饬看夤馄档木云德剩�2)通过调节高精度三维移动平台，来调整光谱展宽装置中显微物镜和光子晶体光纤的位置，使注入光子晶体光纤的飞秒激光能量最大，可以通过观察从光子晶体光纤出射的光强来判断耦合效率的高低；3)通过调节脉冲压缩装置来控制飞秒脉冲宽度，进而影响飞秒脉冲中宽光谱域中的波峰位置和数量，具体为调节光栅对的间距来控制飞秒脉冲宽度，使飞秒脉冲的峰值位置处于633纳米和729纳米；4)启动激光频率测量装置，实施激光频率测量。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种激光频率测量装置，其特征在于由飞秒激光频率梳装置、激光脉冲压缩装置、 光谱展宽装置、第一全反射镜、透射式石英光栅及与其配套的全反射镜组、第一拍频光路、 第二拍频光路、第一数据采集装置和第二数据采集装置组成；上述与透射式石英光栅配套的全反射镜组包括第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜；飞秒激光频率梳装置的激光腔中发出的飞秒脉冲激光经激光脉冲压缩装置对其进行脉冲压缩后进入光谱展宽装置，由光谱展宽装置对其进行扩谱后到达第一全反射镜，第一全反射镜将光束反射至第二全反射镜，再经第二全反射镜反射至透射式石英光栅，经透射式石英光栅后分为光频不同的两束激光，其中一束经第三全反射镜反射至第一拍频光路后由第一数据采集装置对其光频进行测试与采集，另一束经第四全反射镜反射至第二拍频光路后由第二数据采集装置对其光频进行测试与采集；上述光谱展宽装置包括显微物镜和光子晶体光纤，显微物镜和光子晶体光纤安装于高精度三维移动平台上；光谱展宽装置对压缩后的飞秒脉冲激光进行光谱展宽的方法具体为通过将压缩后的飞秒脉冲激光注入到光子晶体光纤中，利用光子晶体光纤的非线性效应对飞秒脉冲进行进一步扩谱；上述透射式石英光栅为采用微纳光学技术制作的高密度1x2透射式石英光栅。
2.根据权利要求1所述的一种激光频率测量装置，其特征在于所述透射式石英光栅的占空比f = 0.5，周期d范围为1 <d< 2微米，深度h范围为0.8 <h< 1.2微米，其制作过程为1)利用全息技术在涂有正光刻胶的铬膜上记录高密度光栅；2)对步骤1)所记录的光栅进行显影；3)用去铬液将光刻光栅图案转移至铬膜上，并使用化学方法将残留的光刻胶去除，制成光栅模版；4)利用微电子刻蚀工艺，将步骤幻制作的光栅模版放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行刻蚀，再进一步去除石英基片上的剩余铬，即制作成所需的高效透射式石英光栅。
3.根据权利要求2所述的一种激光频率测量装置，其特征在于所述正光刻胶的型号为 Shipley S1818。
4.根据权利要求2所述的一种激光频率测量装置，其特征在于所述透射式石英光栅的占空比f = 0. 5，周期d = 1. 144微米，深度h = 0. 86微米，对波长为633纳米和613纳米的光有高效率透射作用并使两束光在空间上分开。
5.根据权利要求1所述的一种激光频率测量装置，其特征在于所述透射式石英光栅及其配套的全反射镜组可由第一窄带高反镜和第二窄带高反镜代替，第一窄带高反镜和第二窄带高反镜对与其各自参数分别对应的某一指定波长的激光高效反射，而对其余波长的激光高效透射；此时入射到第一全反射镜的光束被反射至第一窄带高反镜，经第一窄带高反镜后分为两束其中一束被反射至第一拍频光路后由第一数据采集装置对其光频进行测试与采集， 另一束被透射至第二窄带高反镜，由第二窄带高反镜反射至第二拍频光路后由第二数据采集装置对其光频进行测试与采集。
6.根据权利要求1或5所述的一种激光频率测量装置，其特征在于所述激光脉冲压缩装置由棱镜对和啁啾镜组成。
7.根据权利要求6所述的一种激光频率测量装置的频率测量方法，其特征在于其步骤为1)通过高精度锁相稳频电路�？椋擅爰す馄德适嶙爸玫闹馗雌德屎推破德仕ǖ皆又悠德噬希狗擅牍馄荡τ诔な奔涞奈榷ǎ阌诰房煽康牟饬看夤馄档木云德剩�2)通过调节高精度三维移动平台，来调整光谱展宽装置中显微物镜和光子晶体光纤的位置，使注入光子晶体光纤的飞秒激光能量最大，可以通过观察从光子晶体光纤出射的光强来判断耦合效率的高低；3)通过调节调节脉冲压缩装置的棱镜对中一个棱镜在光路中的插入量来控制飞秒脉冲宽度，进而影响飞秒脉冲中宽光谱域中的波峰位置和数量；4)启动激光频率测量装置，实施激光频率测量。
8.根据权利要求1或5所述的一种激光频率测量装置，其特征在于所述激光脉冲压缩装置由光栅对组成。
9.根据权利要求8所述的一种激光频率测量装置的频率测量方法，其特征在于其步骤为1)通过高精度锁相稳频电路�？椋擅爰す馄德适嶙爸玫闹馗雌德屎推破德仕ǖ皆又悠德噬希狗擅牍馄荡τ诔な奔涞奈榷ǎ阌诰房煽康牟饬看夤馄档木云德剩�2)通过调节高精度三维移动平台，来调整光谱展宽装置中显微物镜和光子晶体光纤的位置，使注入光子晶体光纤的飞秒激光能量最大，可以通过观察从光子晶体光纤出射的光强来判断耦合效率的高低；3)通过调节调节脉冲压缩装置的调节光栅对的间距来控制飞秒脉冲宽度，进而影响飞秒脉冲中宽光谱域中的波峰位置和数量；4)启动激光频率测量装置，实施激光频率测量。
全文摘要
本发明涉及一种激光频率测量装置及方法，属于飞秒激光测频技术领域。测量装置由飞秒激光频率梳装置、激光脉冲压缩装置、光谱展宽装置、第一全反射镜、透射式石英光栅及与其配套的全反射镜组、第一拍频光路、第二拍频光路、第一数据采集装置和第二数据采集装置组成，其中透射式石英光栅及其配套的全反射镜组可由第一窄带高反镜和第二窄带高反镜代替。本发明结构紧凑、操作方便、成本低、应用灵活，不仅可以用于可见光范围的激光频率测量，还可以用于红外和紫外激光频率的精密测量，有效利用了飞秒光梳宽谱中各个波长成分，对比以往使用高稳定的飞秒激光频率梳的测频系统，具有较高的利用效率，便于快速实现双波长甚至多波长激光的频率测量。
文档编号G01J9/02GK102213619SQ20111008611
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者张大鹏, 朱振宇, 李新良, 梁志国, 武腾飞 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所
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