[发明专利]使用光学操纵器生成频率梳的方法和设备

说明书

用于频率梳生成的设备(13)包括二阶非线性的部件(115)，其中该部件被配置为与激光束(103)或激光束的派生物(103A)相互作用并由此生成用于频率梳(125)的频率。该设备有利地包括光学操纵器(111)，该光学操纵器既包括部件(115)又另外地被配置为以重复或谐振方式(118)将光束(103)或其派生物(103A)引入(117)到部件(115)。该部件例如是包括光学晶体并且具有所述二阶非线性的单片电路或其他固体光学谐振器或微谐振器。

技术领域

本发明涉及用于生成频率梳的方法和设备。特别地，本发明涉及使用引入到光学操纵器的激光束生成光学频率梳。

背景技术

光学频率梳(OFC)，即具有由许多等距离离散线组成的光谱的相干宽带光，已成为许多研究领域例如时间和频率计量学和分子光谱学中的有价值的工具。激光器的锁模是用于生成OFC的最常用方法。其他方法包括相位调制Fabry-Perot腔和光学微谐振器。最近用这种微谐振器证明了倍频程跨频率梳生成和锁模。

锁模激光器实例在时域中产生具有一定重复频率f_rep的短(飞秒)激光脉冲。如现有技术图1所示，激光的光谱是频率梳，其中模式间隔恰好为f_rep。

在图1左侧部分的时域中，基于锁模激光器的OFC生成器以重复率f_rep产生一连串的短激光脉冲，该重复率为100MHz。通过傅里叶变换获得OFC光的对应频域呈现，即光谱。如图1右侧部分所示例的，光谱由窄的激光峰或模式的宽梳组成。峰之间的间隔是恰好为f_rep，并且梳的光谱带宽高达100THz。因此，峰的典型数量可高达一百万(BW/f_rep～10¹⁴Hz/10⁸Hz)。

由于梳形成基于光学克尔效应，即三阶光学非线性，所以微谐振器梳也被称为克尔梳。(三阶非线性＝立方非线性＝克尔非线性＝χ⁽³⁾非线性)。在EP1988425B1的公开中描述了微谐振器梳的一个实例。

在现有技术图2中显示了克尔梳在微谐振器中的形成原理。[Kippenberg，T.J.，Holzwarth，R.&Diddams，S.A.Microresonator-Based OpticalFrequency Combs.Science332,555-559(2011)]，其中谐振器材料的三阶(克尔)非线性引起频率梳的形成。使用例如光纤或棱镜将连续波(CW)激光耦合到微谐振器中。这种泵浦激光器的光谱由单个峰组成—换言之，激光器一次只能发射一个波长。微谐振器被设计成使得激光场在其中谐振，这引起谐振器中显著的光功率增强。部分谐振光被耦合输出，例如使用光纤，并导向至应用。梳形成过程通过退化的四波混频(FWM)开始，其中两个泵浦光子(101a、101b)被转换为一对新光子(102a、102b)。能量是守恒的，即：2hv_pump＝hv_102a+hv_102b，其中h是普朗克常数，v_pump是泵浦激光频率(hv_pump＝c/λ_pump，其中c是光速，λ_pump是泵浦激光波长)。hv_102a和hv_102b是新场的频率。边带是在泵浦频率v_pump周围对称产生的。

四波混频是源于克尔非线性的众多效应之一。梳形成过程通常由所谓退化的FWM开始，其中两个泵浦激光光子被转换为一对新光子。这引起在最初泵浦激光频率周围的对称边带生成(现有技术图2中的过程(1))。一旦生成边带，梳形成过程还可以通过非退化的FWM继续，其中梳的两种模式的混合产生另外的模式(现有技术图2中的过程(2))。