一种小型化全保偏光纤结构双光梳系统

本发明涉及光频梳领域，具体而言，涉及一种小型化全保偏光纤结构双光梳系统。

背景技术：

1、光频梳是一种经相位锁定的锁模激光器，由其频域独特的梳齿状分布特性而得名。光频梳具有宽光谱、窄脉宽、低相位噪声等特性，相当于数十万台相位相互锁定的窄线宽激光器共线同时输出，为频率、时间、距离等参量的精密测量带来了革命性的进步。基于双光梳的绝对距离测量具有高精度、高测速、大非模糊距离等特点，在精密制造、航天对准、高精度三维形貌扫描等领域有着广泛的应用前景。

2、当前的双光梳系统仍受限于复杂的光学及电控系统，体积庞大，难以移动，且环境稳定性不足，难以走出实验室测量环境等问题，限制着双光梳技术进一步实用化、产品化应用。

技术实现思路

1、针对双光梳系统当下面临的问题，本发明的主要目的在于提供一种小型化全保偏光纤结构双光梳系统，提升其便携性及环境稳定性，使双光梳能真正走出实验室测量环境用于双光梳飞行时间法测距，推进其实用化、产品化进程。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

3、一种小型化全保偏光纤结构双光梳系统，用于双光梳飞行时间法测距，所述双光梳系统包括全保偏光纤双光梳光学系统和集成化双光梳电控系统；

4、所述全保偏光纤双光梳光学系统由本地光频梳和信号光频梳构成，所述本地光频梳和信号光频梳均包括全保偏光纤锁模激光腔和全保偏光纤放大器，所述全保偏光纤放大器与全保偏光纤锁模激光腔相连；所述全保偏光纤锁模激光腔通过光纤腔长精密控制技术、多层布拉格镀膜技术制备得到；优选的，全保偏光纤锁模激光腔均采用基于sesam锁模的全保偏直线型光纤激光腔，基于sesam的锁模方式可通过微光纤结构封装的sesam器件实现，具有易锁模、体积小、可全保偏的优势。

5、所述集成化双光梳电控系统用于对全保偏光纤双光梳光学系统中的全保偏光纤锁模激光腔腔长进行控制，使其产生khz量级重频差的双光梳。

6、进一步地，所述全保偏光纤锁模激光腔包括第一保偏光纤和第二保偏光纤，所述第一保偏光纤的一端采用半导体可饱和吸收体sesam做反射面，第二保偏光纤的一端采用镀多层布拉格反射膜的fc/pc头做输出镜，第一保偏光纤的另一端和第二保偏光纤的另一端熔接。该设计可最大限度地减少腔内器件的使用，有利于激光腔的小型化设计，同时便于后续光纤腔长的精密控制。

7、进一步地，所述光纤腔长精密控制技术、多层布拉格镀膜技术包括：

8、(1)预备第一保偏光纤和第二保偏光纤，所述第一保偏光纤和第二保偏光纤的长度超过目标腔长的长度，所述第二保偏光纤的一端接入原始fc/pc头，所述原始fc/pc头未镀多层布拉格反射膜，所述第一保偏光纤的一端通过微封装结构聚焦至sesam表面；

9、(2)将第一保偏光纤和第二保偏光纤需熔接的光纤端面放置于光纤熔接机并对准，将原始fc/pc头接入光频域反射计ofdr，测量探测光在fc/pc头处反射及sesam端反射的时间差得到光纤腔长，根据目标腔长和测量得到的光纤腔长计算腔长超出量；

10、(3)将任一保偏光纤需熔接的光纤端面取出并进行裁剪，裁切长度不超过腔长超出量，以少量多次裁剪的方式重复步骤(2)和步骤(3)，直至腔长超出量降至mm量级；

11、(4)将第一保偏光纤和第二保偏光纤需熔接的光纤端面进行熔接，继续采用步骤(2)的方法计算腔长超出量，利用光纤研磨机对fc/pc头进行研磨，以少量多次研磨的方式直至腔长超出量无法被ofdr分辨；

12、(5)在研磨后的fc/pc头镀多层布拉格反射膜，得到全保偏光纤锁模激光腔。

13、进一步地，所述全保偏光纤放大器包括光纤耦合器和保偏掺铒光纤，所述光纤耦合器的两个输入端分别连接全保偏光纤锁模激光腔的fc/pc头和外部泵浦激光，光纤耦合器的输出端连接保偏掺铒光纤，所述保偏掺铒光纤的输出端设有fc/apc头。

14、进一步地，所述保偏掺铒光纤包括采用不同色散的第一保偏增益光纤和第二保偏增益光纤。

15、进一步地，所述集成化双光梳电控系统包括单片机数控模块、第一放大器、第二放大器、第一重频控制器、第二重频控制器和小型化外部时钟源；

16、所述第一重频控制器和第二重频控制器分别用于控制本地光频梳和信号光频梳的腔长，本地光频梳和信号光频梳输出端、以及小型化外部时钟源分别接入单片机数控模块，在所述单片机数控模块内将本地光频梳和信号光频梳输出的两路重频模拟信号转换成数字信号，以所述小型化外部时钟源作为系统时钟参考源，生成目标重频控制信号，分别计算两路重频模拟信号与目标重频控制信号的频率差，根据频率差生成控制本地光频梳与信号光频梳重频的电压信号，将两路电压信号转换成两路模拟信号输出；优选的，在所述本地光频梳和信号光频梳输出端安装分束器，分束器的一端接入单片机数控模块用于实现控制部分，分束器的另一端输出光频梳用于实现双光梳飞行时间法测距。

17、所述两路模拟信号分别经过第一放大器和第二放大器放大后传输至第一重频控制器和第二重频控制器。

18、进一步地，还包括两路模拟信号混频电路，每一路模拟信号混频电路包括依次串联的探测器、滤波器、第三放大器、分频器、混频器和滤波器，所述小型化外部时钟源分别接入混频器；

19、通过两路模拟信号混频电路中的探测器分别探测本地光频梳及信号光频梳的重频模拟信号，依次经过滤波、功放、分频操作后，与小型化外部时钟源进行混频并滤波，得到两路更低频的重频下转换信号，将两路重频下转换信号接入所述单片机数控模块，替换所述两路重频模拟信号。

20、进一步地，所述单片机数控模块包括dds及两路数控电路，每一路数控电路包括串联的adc、鉴相器、反馈控制器和dac；所述dds通过所述小型化外部时钟源生成所述两路目标重频控制信号；所述鉴相器计算出两路更低频的重频下转换信号与目标重频控制信号的差值，并通过所述反馈控制器生成控制本地光频梳与信号光频梳重频的电压信号。

21、进一步地，所述小型化外部时钟源采用小型化铷钟芯片。

22、进一步地，还包括用于为第一重频控制器、第二重频控制器、第一放大器、第二放大器、小型化外部时钟源、单片机数控模块、两路模拟信号混频电路供电的电源驱动模块。

23、相对于现有的双光梳系统，本发明的特点及优势在于：

24、(1)本发明提出的双光梳系统的光学系统采用全保偏光纤的结构设计，最大限度节省光学系统体积，同时可利用保偏光纤的高环境稳定性，提升双光梳系统整体的环境稳定性，有利于在实际测距场景的应用。

25、(2)通过光纤腔长精密控制技术及多层布拉格镀膜技术，制作重频略有差异的全保偏光纤式双光梳系统，用以双光梳测距的需求。通过先光纤腔长控制后成腔锁模的方式，可最大限度地减少光纤熔接及裁切次数，降低成腔的失败率。

26、(3)通过集成化双光梳电控系统的结合，降低了对硬件的性能要求，压缩了电控系统的体积，降低了功耗，推进了双光梳系统小型化、实用化进程。