阅读说明：本技术 基于铌酸锂微腔的中红外光频梳产生系统及方法 (Mid-infrared optical frequency comb generation system and method based on lithium niobate microcavity ) 是由 王擂然 孙启兵 张文富 曾超 范炜晨 赵卫 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于中红外光频梳产生领域,涉及一种基于铌酸锂微腔的中红外光频梳产生系统及方法。解决了硅基材料微腔光频梳存在的光谱带宽和效率限制等问题,实现宽带宽、转换效率高及超高重频的中红外光频梳,带来一系列全新的军事国防以及民间应用。该中红外光频梳产生系统包括泵浦单元、合束单元、非线性频率变换单元及滤波单元；泵浦单元为两路,用于提供两路泵浦光；合束单元用于将两路泵浦光进行合束；非线性频率变换单元用于接收合束后的泵浦光,并发生非线性四波混频过程,产生中红外波段的宽带光频梳；滤波单元用于滤掉剩余泵浦光,输出中红外光频梳。(The invention belongs to the field of generation of mid-infrared optical frequency combs, and relates to a system and a method for generating a mid-infrared optical frequency comb based on a lithium niobate microcavity. The problems of spectral bandwidth, efficiency limitation and the like of a silicon-based material microcavity optical frequency comb are solved, the mid-infrared optical frequency comb with wide bandwidth, high conversion efficiency and ultrahigh repetition frequency is realized, and a series of brand new military and national defense and civil applications are brought. The mid-infrared optical frequency comb generating system comprises a pumping unit, a beam combining unit, a nonlinear frequency conversion unit and a filtering unit; the pumping units are two paths and are used for providing two paths of pumping light; the beam combining unit is used for combining the two paths of pump light; the nonlinear frequency conversion unit is used for receiving the combined pump light, generating a nonlinear four-wave mixing process and generating a broadband light frequency comb of a middle infrared band; the filtering unit is used for filtering residual pump light and outputting a mid-infrared light frequency comb.)

基于铌酸锂微腔的中红外光频梳产生系统及方法

技术领域

本发明涉及一种中红外光频梳产生系统及方法，尤其涉及一种基于铌酸锂微腔的高重频可调宽带中红外光频梳产生系统及方法。

背景技术

众所周知，中红外波段激光在光谱学、遥感、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用。与近红外波段激光相比，中红外波段激光覆盖了众多原子及分子的吸收峰，在光谱测量领域具有得天独厚的优势。毫无疑问，中红外光波及光谱测量不仅是解决众多科学问题的关键，也是带动众多关系到国计民生的领域发展的关键。

中红外光波广泛应用的关键在于超宽带、超精细、多波长光源的产生，但往往面临着光谱精细度低和带宽窄等问题。光学频率梳(简称光频梳)的诞生为超宽带、超精细、多波长光源产生问题的解决带来了希望。光频梳是具有确定光频梳齿间隔及频率的光频标尺，其发明是激光技术领域及计量科学领域在21世纪具有里程碑式重要意义的工作，基于此，德国的Hansch教授以及美国的Hall教授获得了2005年诺贝尔物理学奖。

经过将近20年的发展，中红外光频梳已经取得一系列重大进展，中红外光频梳通常由锁模激光器经稳频锁相的方法产生，然而受锁模激光器体积、重量、功耗(SWaP)以及成本的制约，在现实应用中受到了极大限制。

近年来，光子集成技术取得飞速发展，为光频梳技术的发展提供了新的技术手段，其中微腔光频梳取得了重大突破，引起了光频梳技术的新一轮技术革命。微腔光频梳是通过将连续激光注入经过合理设计的微腔中，利用微腔中的高效非线性光学效应以及较小的谐振腔尺寸，实现超高重频集成光频梳的产生，大大改善了光频梳系统的体积、功耗及成本等性能。现有微腔一般基于硅基材料，然而，硅基材料在中红外波段存在线性损耗较大以及多光子吸收等问题，极大限制了光频梳的带宽和转换效率等性能，制约了中红外微腔光频梳的进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于铌酸锂微腔的高重频可调中红外光频梳产生系统及方法，解决了硅基材料微腔光频梳存在的光谱带宽和效率限制等问题，实现宽带宽、转换效率高及超高重频的中红外光频梳，带来一系列全新的军事国防以及民间应用，具有重大的研究意义和应用价值。

铌酸锂材料在中红外波段线性损耗和非线性损耗较小，具有优良的线性和非线性特性以及很强的电光效应，且同时具有二阶非线性效应和三阶非线性效应，可满足低损耗、高效频率转换和快速调制等功能，成为中红外微腔光频梳产生及应用的理想平台。

为了解决上述问题，基于上述分析，本发明的技术解决方案是提供一种基于铌酸锂微腔的高重频可调宽带中红外光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括泵浦单元、合束单元、非线性频率变换单元及滤波单元；

上述泵浦单元为两路，用于提供两路泵浦光；

上述合束单元用于将两路泵浦光进行合束；

上述非线性频率变换单元用于接收合束后的泵浦光并发生非线性四波混频过程，产生中红外波段的宽带光频梳；

上述滤波单元用于滤掉剩余泵浦光，输出中红外光频梳。

进一步地，每一路泵浦单元均包括窄线宽可调谐连续激光源、功率放大器和偏振控制器；上述窄线宽可调谐连续激光源用于出射连续信号光，上述功率放大器用于放大信号光的强度，上述偏振控制器用于调节信号光的偏振方向；

进一步地，为了对信号光强度进行优化，使得信号光强度符合发生四波混频的强度条件，上述泵浦单元还包括用于调节信号光强度的衰减器。

进一步地，上述合束单元为合束器；

进一步地，上述非线性频率变换单元包括发生非线性四波混频过程的铌酸锂微腔和用于控制铌酸锂微腔温度的温度控制器。

进一步地，上述滤波单元为滤波器。

本发明还提供一种基于上述的系统实现中红外光频梳产生的方法，包括以下步骤：

步骤一、调节泵浦单元出射两路信号光；使得两路信号光的强度及偏振满足发生四波混频的强度条件及相位匹配条件；

步骤二、通过合束单元将两路信号光合束，作为非线性频率变换单元的泵浦光；

步骤三、同时非线性频率变换单元对入射至非线性频率变换单元内的信号光发生四波混频效应，实现非线性频率变换和频域拓展，产生中红外光频梳；

步骤四、利用滤波单元将剩余泵浦光滤掉，输出中红外光频梳。

进一步地，非线性频率变换单元为铌酸锂微腔。

进一步地，步骤一具体为：

步骤1.1、调节两个窄线宽可调谐连续激光源，使得两个激光源出射的激光波长间隔是铌酸锂微腔自由光谱范围的整数倍，将两束激光作为泵浦单元的信号光；

步骤1.2、利用功率放大器和衰减器调节两路信号光的强度，使其满足发生四波混频的强度条件；利用两路偏振控制器分别调节两路信号光的偏振方向，使其满足发生四波混频的相位匹配条件。

本发明的优点是：

1、本发明采用双泵浦铌酸锂微腔的方法产生中红外光频梳，突破了传统方法面临的带宽、重复频率、效率等能力限制，能够实现低阈值、宽带宽、超高重频及重频可调的中红外光频梳。

2、本发明实现中红外光频梳，光谱带宽≥1000nm，重频≥200GHz，重频比传统方法提升约2-3个量级。

3、本发明实现高重频可调中红外光频梳，通过控制两路泵浦光波长间隔，重频可调，最高重频≥1THz。

4、本发明系统阈值低，阈值≤15mW，有效提升了中红外光频梳系统的效率，降低了系统功耗。

5、本发明系统结构简单，方便实用，低SWaP(体积、重量和功耗)，易于集成，低成本，且具有宽带宽、重频可调、稳定性高等特点。

附图说明

图1为本发明的原理框架图；

图2为本发明的装置结构示意图；

图3a为203GHz重频下中红外光频梳结果图；

图3b为609GHz重频下中红外光频梳结果图；

图3c为1.02THz重频下中红外光频梳结果图；

图中附图标记为：1-窄线宽可调谐连续激光源，2-功率放大器，3-衰减器，4-偏振控制器，5-合束器，6-铌酸锂微腔，7-温度控制器，8-滤波器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

参见图1与图2，本实施例提供了一种基于铌酸锂微腔的中红外光频梳产生系统，包括用于提供两路泵浦光的泵浦单元，用于将两路泵浦光合束的合束单元，用于发生四波混频过程的非线性频率变换单元，用于滤掉剩余泵浦光的滤波单元。

如图2所示，本实施例中泵浦单元为两路，每一路泵浦单元均包括依次连接的窄线宽可调谐连续激光源1、功率放大器2、衰减器3以及偏振控制器4。合束单元为合束器5，用于将两路泵浦光进行合束；其他实施例中也可以采用其他形式的合束元器件，只要能够实现合束即可。非线性频率变换单元包括用于发生四波混频效应的铌酸锂微腔6及用于铌酸锂微腔6温度调节的温度控制器7。滤波单元为滤波器8，用于滤掉剩余泵浦光获得中红外光频梳；其他实施例中也可以采用其他形式的滤波元器件，只要能够实现滤波即可。

具体可通过下述过程产生中红外光频梳：

1】、调节两个窄线宽可调谐连续激光源1，使得两个激光源出射的激光波长间隔是铌酸锂微腔6微腔自由光谱范围的整数倍，将两束激光作为泵浦单元的信号光；

2】、利用功率放大器2和衰减器3调节两路信号光的强度，使其满足发生四波混频的强度条件(从而使输出光频梳光谱带宽达到最大)；利用两路偏振控制器4分别调节两路信号光的偏振方向，使其满足发生四波混频的相位匹配条件；

3】、调节后的两路信号光经合束器5后注入高非线性低平坦色散铌酸锂微腔6中，利用温度控制器7调节铌酸锂微腔6的温度，使其满足微腔的谐振条件(即注入光波长与微腔的谐振波长匹配)和四波混频的相位匹配条件，发生高效低阈值的四波混频效应，再经滤波器8后获得中红外光频梳输出。

本发明工作原理是：

首先将窄线宽可调谐连续激光经功率放大后作为非线性频率变换单元的泵浦光；利用衰减器3与功率放大器2调节泵浦光功率大小，使其满足发生四波混频的强度条件，利用偏振控制器4调节泵浦光的偏振方向，使其满足发生四波混频的相位匹配条件，经合束器5后注入高非线性低平坦色散铌酸锂微腔6中，利用温度控制器7精确调节铌酸锂微腔6的温度，使其满足微腔的谐振条件和四波混频的相位匹配条件，发生高效低阈值的四波混频效应，经滤波器8滤波后获得中红外光频梳。

参见图3a、图3b及图3c，中红外光频梳产生结果。利用双泵铌酸锂微腔的方法可以实现超高重频、重频可调的宽带中红外光频梳，光谱带宽≥1000nm，最高重频≥1THz。本发明利用双泵浦的方法构建泵浦单元，基于铌酸锂微腔中的高效低阈值的四波混频效应构建非线性频率变换单元，通过控制泵浦光的功率、偏振、波长等参数，实现超高重频、重频可调的宽带中红外光频梳。并可以将传统中红外光频梳系统的体积与功耗等降低几个数量级，同时其重复频率可以达到数百GHz甚至THz，远高于传统锁模激光器产生的光频梳。