[发明专利]基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统与方法

说明书

本发明涉及一种基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统与方法，解决传统光频梳所面临的带宽重频限制以及微腔光频梳对高性能泵浦光源的依赖问题。系统包括用于提供泵浦激光的泵浦光源单元，用于发生非线性四波混频过程产生中红外波段宽带光频梳的微环谐振腔单元，以及用于实现中红外孤子态光频梳输出的多光子吸收效应控制单元，通过控制微环谐振腔单元加载电压或电流实现稳定的中红外孤子态光频梳产生，操作方法简单，易于实现。

技术领域

本发明涉及一种中红外光频梳产生系统及方法，尤其涉及一种基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统及方法。

背景技术

中红外波段激光不仅是衰减最小的大气窗口，也是飞机、导弹、坦克等热源的主要辐射波段，同时覆盖了众多原子及分子的吸收峰，因此在国防、医疗、通信等方面应用中具有得天独厚的优势，对于国家安全和国民经济建设具有重要意义。

中红外光波广泛应用的关键在于高质量光源，尤其是宽带、多波长相干光源的产生。光学频率梳(简称光频梳)由离散的、等间距频率的光学分量构成，是优良的高精细、多波长光源，其发明在激光及计量领域具有里程碑式意义，已在相干通信、精密测量等领域开始发挥重要作用。然而，传统中红外波段光频梳主要采用ZBLAN氟化物光纤或特殊掺杂半导体等器件通过锁模技术实现，系统结构较为复杂，体积、重量大，成本高昂，制约了其现实应用。同时受波导色散不易控制及极限物理腔长制约，大带宽与高重复频率(重频)光频梳的实现尤为困难。

随着集成微纳器件制备能力的快速发展，通过采用先进的薄膜材料生长与超精细加工刻蚀技术，已可以制备出具备高品质因子(Q)的微环谐振腔(微腔)芯片，为光频梳的实现提供了崭新的技术手段。高Q值低模式体积的微腔可将光场强度增强约6～8个数量级，极大提高了材料的非线性效应，并具备小尺寸、低功耗、高重复频率等天然优势。对于微腔光频梳而言，面向现实应用必须降低频梳系统噪声，即需要产生模式严格锁定的孤子态频梳。这通常需要具备高速扫频功能的窄线宽高功率光源在微腔谐振频率附近反复扫描才能实现，然而中红外波段泵浦光源的性能远低于相比其他波段，导致中红外波段的孤子态频梳难以产生。以上诸多问题均严重制约了中红外微腔光频梳的实用化与技术进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统与方法，解决传统光频梳所面临的带宽重频限制以及微腔光频梳对高性能泵浦光源的依赖问题，实现超宽带、高重频、低阈值的中红外孤子光频梳，突破现有技术瓶颈，为促进中红外光频梳的现实应用提供新方法，具有重大的研究意义和应用价值。

本发明的技术解决方案是提供一种基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括泵浦光源单元、微环谐振腔单元与多光子吸收效应控制单元；

上述泵浦光源单元用于提供泵浦激光；

上述微环谐振腔单元用于接收泵浦激光，发生非线性四波混频过程，产生中红外波段宽带光频梳；

上述多光子吸收效应控制单元用于通过调节微环谐振腔单元中的自由载流子密度控制多光子吸收效应，使得微环谐振腔单元输出中红外孤子态光频梳。

进一步地，上述泵浦光源单元包括中红外窄线宽可调谐连续激光源和显微物镜；上述中红外窄线宽可调谐连续激光源用于出射泵浦激光；上述显微物镜用于压缩泵浦激光模场尺寸后输入至微环谐振腔单元。

进一步地，上述微环谐振腔单元包括微环谐振腔和金属电极；上述微环谐振腔两侧设P型掺杂区与N型掺杂区，上述金属电极与P型掺杂区及N型掺杂区连接。