本申请涉及光学技术领域，特别涉及一种光学频率梳的产生系统。
背景技术：
光学频率梳(opticalfrequencycomb，ofc)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。类似于平时使用的以单位长度作为标准间隔的刻度尺，如果将刻度尺上的标准间隔由长度替换为频率，就可以利用这把刻度尺像测量长度一样来测量频率，这即是光学频率梳。光学频率梳在频域上通常由数十、乃至数千个具有相等频率间隔的激光谱线组成，在时域上则是超短激光脉冲。通过检测和控制光学频率梳的脉冲重复频率和载波与包络间的偏移频率，可以实现对任意光学频率的测量。
随着光通信技术的飞速发展，ofc由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多的关注。传统光学频率梳一般是利用钛宝石飞秒激光器或者光纤锁模激光器产生的飞秒光学频率梳，这些激光器输出的是激光脉冲序列，这些脉冲在时间域上等间隔并且位相完全一致，因此在频率域上对应的频谱是频率间隔相等、位相关系稳定的频率梳。然而，由于飞秒光学频率梳的频谱宽度与脉冲宽度成反比，为了获得较宽的频率梳，需要非常短的脉冲，这就增加了扩展频谱宽度的难度。
基于此，目前亟需一种光学频率梳的产生系统，用于解决现有技术中飞秒光学频率梳扩展频谱宽度的难度较高的问题。
技术实现要素：
本申请提供了一种光学频率梳的产生系统，可用于解决现有技术中飞秒光学频率梳扩展频谱宽度的难度较高的技术问题。
本申请实施例提供一种光学频率梳的产生系统，所述系统1包括第一激光发射器11、第二激光发射器12、第三激光发射器13和频率梳产生装置14；所述频率梳产生装置14包括非线性晶体141；
所述第一激光发射器11、所述第二激光发射器12和所述第三激光发射器13，分别用于发射泵浦光、信号光和闲频光；
泵浦光、信号光和闲频光进入所述非线性晶体141，在所述非线性晶体141中由于二阶非线性效应，产生光学频率梳。
可选地，所述频率梳产生装置14还包括谐振腔142，所述非线性晶体141位于所述谐振腔142中间；
泵浦光、信号光和闲频光经所述谐振腔142多次反射后，进入所述非线性晶体141，在所述非线性晶体141中由于二阶非线性效应和级联效应，产生光学频率梳。
可选地，所述谐振腔142包括第一透镜1421和第二透镜1422，所述第一透镜1421和所述第二透镜1422相对设置，所述非线性晶体143位于所述第一透镜1421和所述第二透镜1422中间；
泵浦光、信号光和闲频光经所述第一透镜1421和所述第二透镜1422多次反射后，进入所述非线性晶体141，在所述非线性晶体141中由于二阶非线性效应和级联效应，产生光学频率梳。
可选地，所述系统1还包括第三透镜15和第四透镜16；所述第三透镜15允许泵浦光透过但反射信号光，所述第四透镜16允许泵浦光和信号光透过但反射部分闲频光；
泵浦光从所述第三透镜15射出后，与经所述第三透镜15反射后的信号光合束后，从所述第四透镜16中射出，并与经所述第四透镜16反射后的闲频光合束，合束后的泵浦光、信号光和闲频光进入所述非线性晶体141，在所述非线性晶体141中由于二阶非线性效应，产生光学频率梳。
可选地，所述第一激光发射器11、所述第三透镜15、所述第四透镜16和所述频率梳产生装置14位于第一直线上，所述第二激光发射器12与所述第三透镜15的连线与所述第一直线垂直，所述第三激光发射器13与所述第四透镜16的连线与所述第一直线垂直。
可选地，所述系统1还包括双色镜17；
所述双色镜17位于所述第一激光发射器11和所述频率梳产生装置14之间，用于将泵浦光、信号光和闲频光合束。
可选地，所述非线性晶体141由掺镁铌酸锂晶体构成。
可选地，所述掺镁铌酸锂晶体形成有第一倒格矢和第二倒格矢；
所述第一倒格矢的周期为32.7μm，所述第二倒格矢的周期为400μm。
可选地，所述二阶非线性效应包括opa效应、sfg效应、dfg效应和opo效应中的至少一项。
可选地，在所述非线性晶体141中，泵浦光在opa效应下将能量转移到信号光和闲频光上，信号光和闲频光相互作用，通过dfg效应产生thz光，信号光与thz光和频，闲频光与thz光差频，产生光学频率梳。
本申请实施例中，采用三个激光器分别发射泵浦光、信号光和闲频光，泵浦光、信号光和闲频光射入频率梳产生装置之后，由于二阶非线性效应，可以产生光学频率梳。与现有的飞秒光学频率梳相比，由于本申请实施例中的激光器并不是激光脉冲序列，因此，采用本申请实施例中的光学频率梳的产生系统生成的光学频率梳，在频谱宽度上不会受到脉冲宽度的限制，进而能够更加容易扩展频谱宽度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光学频率梳的产生系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种光学频率梳的产生系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种包括双色镜的光学频率梳的产生系统的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种激光发射器之间位置关系的示意图；
图5为本申请的原理示意图；
图6为本申请实施例提供的一种光学频率梳产生过程的示意图；
图7为本申请实施例提供的光学频率梳的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
现有技术中除了飞秒光学频率梳之前，还可以通过三阶非线性效应产生光学频率梳。具体地，可以通过硅(si)、二氧化硅(sio2)或氟化镁(mgf2)材料构成回音壁微腔(whisperinggallerymode，wgm)，利用材料的三阶非线性效应(克尔效应)产生光学频率梳。
但是，由于三阶非线性效应的非线性系数较小，此方法产生的光学频率梳的强度也较小。
基于飞秒光学频率梳扩展频谱宽度的难度较高的问题，以及三阶非线性效应产生的光学频率梳强度较小的问题，本申请实施例提供一种光学频率梳的产生系统，一方面能够扩展频谱宽度，另一方面能够增加光学频率梳的强度。
请参考图1，其示例性示出了本申请实施例提供的一种光学频率梳的产生系统的结构示意图。该系统1可以包括第一激光发射器11、第二激光发射器12、第三激光发射器13和频率梳产生装置14。
其中，频率梳产生装置14可以包括非线性晶体141；第一激光发射器11可以用于发射泵浦光，第二激光发射器12可以用于发射信号光，第三激光发射器13可以用于发射闲频光。
从图1中可以看出，泵浦光、信号光和闲频光进入非线性晶体141，可以在非线性晶体141中由于二阶非线性效应，产生光学频率梳。
需要说明的是，本申请实施例中，泵浦光可以采用1064nm的单频近红外激光，其重复频率为10hz，脉冲能量为100μj，脉冲长度为5ns。第二激光发射器12和第三激光发射器13可以采用dfb半导体激光器，其中，第二激光发射器12发射的信号光的波长(λ1)可以是2128nm，第三激光发射器13发射的闲频光的波长(λ2)可以是2133.4nm，信号光和闲频光之间的波长可以相差5.4nm。
本申请实施例中，采用三个激光器分别发射泵浦光、信号光和闲频光，泵浦光、信号光和闲频光射入频率梳产生装置之后，由于二阶非线性效应，可以产生光学频率梳。与现有的飞秒光学频率梳相比，由于本申请实施例中的激光器并不是激光脉冲序列，因此，采用本申请实施例中的光学频率梳的产生系统生成的光学频率梳，在频谱宽度上不会受到脉冲宽度的限制，进而能够更加容易扩展频谱宽度。
进一步地，相比于现有技术中采用三阶非线性效应产生的光学频率梳而言，本申请实施例提供的光学频率梳的产生系统，所产生的光学频率梳的强度较高。
本申请实施例中，非线性晶体141可以由掺镁铌酸锂晶体构成。非线性晶体141为x切，即垂直于x轴的两面平行切割并抛光镀膜，对泵浦光波长具有高透过性，对信号光和闲频光波长高反射性，从而形成opo的反射镜。上述平行两面的距离为l＝0.2mm。在波长2128nm的激光附近，根据selimeier方程，室温状态下mgo:ln的折射率为2.11，谐振腔的纵模间隔δν＝0.36thz，这个纵模间隔允许第二激光发射器12输出的信号光和第三激光发射器13输出的闲频光在谐振腔内进行注入共振。
进一步地，掺镁铌酸锂晶体可以形成有第一倒格矢和第二倒格矢，其中，第一倒格矢的周期为32.7μm，第二倒格矢的周期为400μm。具体地，可以通过室温电场极化方法对掺镁铌酸锂晶体进行极化，形成具有两个倒格矢的超晶格。根据上述参数，为满足opa过程，第一倒格矢的周期λ1＝32.7μm，第二倒格矢的周期λ2＝400μm。由于周期λ2已经大于晶体长度，因此根据腔位相匹配理论(cavityphasematching)，此时第二倒格矢不需要进行极化即可实现匹配。因此，最终周期极化铌酸锂mgo:ppln的周期为32.7μm。
需要说明的是，上述匹配过程可以采用type-0型匹配，即入射的泵浦光、信号光和闲频光的偏振方向均与非线性晶体141的z轴平行。
本申请实施例中，二阶非线性效应包括参量放大(opticalparametricamplification，opa)效应、和频(sumfrequencygeneration，sfg)效应、差频(differencefrequencygeneration，dfg)效应和参量振荡(opticalparametricoscillator，opo)效应中的至少一项。也就是说，在非线性晶体141中，泵浦光在opa效应下将能量转移到信号光和闲频光上，信号光和闲频光相互作用，通过dfg效应产生thz光，信号光与thz光和频，闲频光与thz光差频，产生光学频率梳。
进一步地，第一倒格矢可以用来匹配opa过程；第二倒格矢可以用于匹配dfg、sfg过程。其中，第一倒格矢可以用准相位匹配(quasiphasematching，qpm)方式实现，例如采用级联、双周期、准周期或非周期结构的超晶格晶体；第二倒格矢可以用腔相位匹配(cavityphasematching，cpm)方式实现。
图2示例性示出了本申请实施例提供的另一种光学频率梳的产生系统的结构示意图。如图2所示，频率梳产生装置14还可以包括谐振腔，非线性晶体141可以位于谐振腔中间。
如此，泵浦光、信号光和闲频光经谐振腔142多次反射后，进入所述非线性晶体141，在非线性晶体141中由于二阶非线性效应和级联效应，产生光学频率梳。
谐振腔142的具体结构可以有多种，一个示例中，如图2所示，为本申请实施例提供的一种谐振腔的结构示意图。谐振腔可以包括第一透镜1421和第二透镜1422，其中，第一透镜1421和第二透镜1422相对设置，非线性晶体141可以位于第一透镜1421和第二透镜1422中间。
如此，泵浦光、信号光和闲频光经第一透镜1421和第二透镜1422多次反射后，进入非线性晶体141，在非线性晶体141中由于二阶非线性效应和级联效应，产生光学频率梳。
另一个示例中，谐振腔可以是对非线性晶体141进行加工之后形成的。例如，可以采用由非线性晶体141本身进行抛光镀膜形成谐振腔，或者可以通过机械加工、刻蚀等工艺形成回音壁型谐振腔。
采用包括谐振腔的光学频率梳的产生系统，能够进一步增强级联效应，进一步扩展频谱宽度。
本申请实施例中，第一激光发射器11发射的泵浦光，第二激光发射器12发射的信号光和第三激光发射器13发射的闲频光可以平行进入非线性晶体141中，那么，可以对泵浦光、信号光和闲频光进行合束。
本申请实施例中，可以采用双色镜进行合束。如图3所示，为本申请实施例提供的一种包括双色镜的光学频率梳的产生系统的结构示意图。其中，该系统1还可以包括双色镜17。
如图3所示，该双色镜17可以位于第一激光发射器11和频率梳产生装置14之间，用于将泵浦光、信号光和闲频光合束。
本申请实施例中，第一激光发射器11、第二激光发射器12和第三激光发射器13之间的位置关系可以有多种，一个示例中，第一激光发射器11、第二激光发射器12和第三激光发射器13之间的位置关系可以如图1所示。
另一个示例中，如图4所示，为本申请实施例提供的一种激光发射器之间位置关系的示意图。该系统1还可以包括第三透镜15和第四透镜16。
第一激光发射器11、第三透镜15、第四透镜16和频率梳产生装置14可以位于第一直线(如图4中示出的l1)上，第二激光发射器12与第三透镜15的连线(如图4中示出的l2)可以与第一直线(即图4中的l1)垂直，第三激光发射器13与第四透镜16的连线(如图4中示出的l3)可以与第一直线(即图4中的l1)垂直。
进一步地，第三透镜15可以允许泵浦光透过但反射信号光，第四透镜16可以允许泵浦光和信号光透过但反射部分闲频光。
如此，泵浦光从第三透镜15射出后，可以与经第三透镜15反射后的信号光合束后，从第四透镜16中射出，并与经第四透镜16反射后的闲频光合束，合束后的泵浦光、信号光和闲频光可以进入非线性晶体141，在非线性晶体141中由于二阶非线性效应，产生光学频率梳。
进一步地，以图4示出的结构为例，用于将泵浦光、信号光和闲频光合束的双色镜17可以设置在第四透镜16和频率梳产生装置14之间(图4中未示出)。
为了便于理解本申请，下面结合图5，对本申请的原理进行简单描述。
如图5所示，泵浦光(波长λ0)、信号光(λ1)和闲频光(λ2)基于二阶非线性效应相互作用，其中，λ1＜λ2信号光和闲频光的中心频率相差约为thz(～nm量级)。具体地，在opa效应下，泵浦光的能量转移到信号光和闲频光上；信号光和闲频光相互作用，通过dfg效应产生thz光；信号光与thz光进行和频，产生波长为λ0的光；闲频光与thz光进行差频，产生波长为λ3的光；同时上述过程在泵浦光的作用下产生opa效应，波长为λ0的光和波长为λ3的光的强度获得增强。上述过程重复级联发生，在λ0和λ3之外产生更多的波长，形成梳状光频。由于这些光谱的彼此相互作用均通过thz级联产生，因此彼此的频率间隔相等；并且由于初始的泵浦光、信号光和闲频光的位相都确定，因此级联产生的频率梳具有确定的位相关系，从而形成光学频率梳。
为了更加清楚地描述本申请实施例提供的光学频率梳的产生系统，下面结合图6来描述该系统产生光学频率梳的过程。
如图6所示，为本申请实施例提供的一种光学频率梳产生过程的示意图。图6示出了一个简并的opa过程，参量带宽以2128nm为中心，带宽宽度约有上百纳米，支持足够宽的频率梳产生。
具体产生过程中，首先，上述简并的opa在具有种子光，即第二激光发射器12(laser1)发射的信号光(波长λ1)和第三激光发射器13(laser2)发射的闲频光(波长λ2)，注入的情况下，对上述种子光进行放大，产生高强度的信号光(波长λ1)和闲频光(波长λ2)；信号光(波长λ1)和闲频光(波长λ2)在dfg效应下，根据两者的频率间隔，产生的差频光(波长λ3)频率为0.36thz。上述差频光与信号光(波长λ1)在sfg效应下，产生波长为λ0的一支光谱(其中，λ0＝2122.6nm)；上述通过sfg和dfg效应产生的波长为λ0的光和波长为λ3的光强度较弱；但是作为opa的种子光经过泵浦光放大后，波长为λ0的光和波长为λ3的光的强度获得增强，达到和波长为λ1的光和波长为λ2的光的强度相比拟的结果。
上述过程不断重复级联，直到达到opa的参量带宽不能够支持光谱的继续拓宽位置，最终形成在2128nm附近的光频梳，如图7所示。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
1.一种光学频率梳的产生系统，其特征在于，所述系统(1)包括第一激光发射器(11)、第二激光发射器(12)、第三激光发射器(13)和频率梳产生装置(14)；所述频率梳产生装置(14)包括非线性晶体(141)；
所述第一激光发射器(11)、所述第二激光发射器(12)和所述第三激光发射器(13)，分别用于发射泵浦光、信号光和闲频光；
泵浦光、信号光和闲频光进入所述非线性晶体(141)，在所述非线性晶体(141)中由于二阶非线性效应，产生光学频率梳。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频率梳产生装置(14)还包括谐振腔，所述非线性晶体(141)位于所述谐振腔中间；
泵浦光、信号光和闲频光经所述谐振腔多次反射后，进入所述非线性晶体(141)，在所述非线性晶体(141)中由于二阶非线性效应和级联效应，产生光学频率梳。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述谐振腔包括第一透镜(1421)和第二透镜(1422)，所述第一透镜(1421)和所述第二透镜(1422)相对设置，所述非线性晶体143位于所述第一透镜(1421)和所述第二透镜(1422)中间；
泵浦光、信号光和闲频光经所述第一透镜(1421)和所述第二透镜(1422)多次反射后，进入所述非线性晶体(141)，在所述非线性晶体(141)中由于二阶非线性效应和级联效应，产生光学频率梳。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统(1)还包括第三透镜(15)和第四透镜(16)；所述第三透镜(15)允许泵浦光透过但反射信号光，所述第四透镜(16)允许泵浦光和信号光透过但反射部分闲频光；
泵浦光从所述第三透镜(15)射出后，与经所述第三透镜(15)反射后的信号光合束后，从所述第四透镜(16)中射出，并与经所述第四透镜(16)反射后的闲频光合束，合束后的泵浦光、信号光和闲频光进入所述非线性晶体(141)，在所述非线性晶体(141)中由于二阶非线性效应，产生光学频率梳。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一激光发射器(11)、所述第三透镜(15)、所述第四透镜(16)和所述频率梳产生装置(14)位于第一直线上，所述第二激光发射器(12)与所述第三透镜(15)的连线与所述第一直线垂直，所述第三激光发射器(13)与所述第四透镜(16)的连线与所述第一直线垂直。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统(1)还包括双色镜(17)；
所述双色镜(17)位于所述第一激光发射器(11)和所述频率梳产生装置(14)之间，用于将泵浦光、信号光和闲频光合束。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非线性晶体(141)由掺镁铌酸锂晶体构成。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述掺镁铌酸锂晶体形成有第一倒格矢和第二倒格矢；
所述第一倒格矢的周期为32.7μm，所述第二倒格矢的周期为400μm。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二阶非线性效应包括opa效应、sfg效应、dfg效应和opo效应中的至少一项。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，在所述非线性晶体(141)中，泵浦光在opa效应下将能量转移到信号光和闲频光上，信号光和闲频光相互作用，通过dfg效应产生thz光，信号光与thz光和频，闲频光与thz光差频，产生光学频率梳。
技术总结