CN103529296B - 一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置，该装置包括用于输出所述第一微波信号的参考信号输出端和用于输入与飞秒脉冲激光束同步的梳状谱信号的信号输入端，该装置进一步包括第一微波信号源、第二微波信号源、GSG微波探针、共面波导、飞秒脉冲激光器、斩波器、起偏器、光学延时线、λ/2波片、偏振光补偿器、λ/4波片、偏振光分光器、平衡光电探测器、锁相放大器、控制和计算单元和函数发生器。本发明优点在于基于光电技术能够准确的测量梳状谱发生器的时域波形，进而得到梳状谱发生器的相位谱。装置理论上可测量带宽高达110GHz的梳状谱发生器，并且与传统梳状谱发生器相位谱测量方法相比，具有修正处理少，溯源链完整等优点。

Description

一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种相位谱测量装置，特别是一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置及方法。

背景技术

传统获得梳状谱发生器相位谱的传统方法为：使用示波器测量梳状谱发生器的时域波形，对示波器测量中存在的时基失真、时基抖动与阻抗失配、示波器本身冲击响应等影响进行修正，得到更准确的时域信号波形，再对信号进行傅立叶变化，得到梳状谱发生器的相位谱。这种测量装置的瓶颈在于需要进行大量复杂的修正处理、可测量的梳状谱发生器带宽受限于示波器本身的带宽并无法形成完整的溯源链。

目前梳状谱发生器的带宽已经达到了67GHz，传统的基于示波器的相位谱测量方法存在已经满足不了此带宽下梳状谱发生器的校准需求。因此，需要探索一种更加简便快捷并且可溯源于国际基本单位的新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置，用以解决传统基于示波器测量方法在测量带宽与测量效率上的局限问题。

为解决上述技术问题，本发发明采用下述技术方案：

一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置，该测量装置包括

用于产生同步的第一微波信号和第二微波信号的微波信号发生装置；

用于输出所述第一微波信号的激励信号输出端；

基于所述第二微波信号产生飞秒脉冲激光束的飞秒脉冲激光器；

沿所述飞秒脉冲激光束传输路径设置的延时单元；

用于输入与所述飞秒脉冲激光束同步的梳状谱信号的信号输入端；

其背面衬底形成有电光效应材料的共面波导，该共面波导被定位为使得经延时和聚焦的飞秒激光束在共面波导背面衬底的入射位置处于共面波导信号电极和地电极的缝隙间；

GSG微波探针，用于将所述梳状谱信号耦合到所述共面波导以产生辐射电场；

沿透射经过共面波导的飞秒激光束的传输路径依次设置的偏振光分光器和平衡光探测器；

锁相放大器，用于与延时单元的每一步进相对应的采集所述平衡光电探测器产生的电流差；

计算单元，基于所采集的电流差得到所述梳状谱信号的时域波形。

优选的，所述微波信号发生装置包括第一微波信号源和第二微波信号源，所述第一微波信号源的10MHz参考信号输出端与第二微波信号源的10MHz参考输入端相连接，所述第一微波信号源的另一输出端输出第一微波信号，所述第二微波信号源的输出端输出第二微波信号。

优选的，该装置还包括对所述飞秒脉冲激光束进行偏振的起偏器；连接在起偏器和延时单元之间的λ/2波片；对透射经过所述共面波导的飞秒激光束进行补偿的偏振光补偿器；和连接在偏振光补偿器和偏振光分光器之间的λ/4波片。

优选的，该装置还包括连接在飞秒脉冲激光器和起偏器之间的斩波器；和为所述斩波器和锁相放大器提供参考信号的函数发生器。

优选的，该装置还包括控制单元，所述控制单元控制延时单元和锁相放大器，以使锁相放大器与延时单元的每一步进对应采集所述平衡光电探测器产生的电流差，所述计算单元基于傅里叶变换对延时周期内相应的采集数据进行处理以得到梳状谱发生器的相位谱。

一种用于测量梳状谱发生器相位谱的方法，该方法包括

以第一微波信号作为参考信号得到梳状谱信号，并将该信号通过GSG微波探针传输至共面波导；

基于第二微波信号产生飞秒脉冲激光束，所述第一微波信号与所述第二微波信号同步；

经过延时和聚焦的飞秒激光束入射到其背面衬底形成有电光效应材料的共面波导衬底上，入射位置处于共面波导信号电极和地电极的缝隙间；

对从共面波导正面透射出的飞秒脉冲激光进行偏振分光，分光后的两路光束入射至平衡光电探测器；

与延时单元的每一步进相对应的采集所述平衡光电探测器产生的电流差进行采样，并得到采样信号。

优选的，所述飞秒激光束在延时单元移动范围内保持准直。

优选的，该方法进一步包括控制所述延时单元扫描一个周期，并控制所述锁相放大器将该周期内相对应地采集到的测量数据进行处理，得到时域波形。

优选的，该方法进一步包括基于傅里叶变换对时域波形进行处理，得到梳状谱发生器的相位谱。

本发明优点在于基于光电技术能够准确的测量梳状谱发生器的时域波形，进而得到梳状谱发生器的相位谱。装置理论上可测量带宽高达110GHz的梳状谱发生器，并且与传统梳状谱发生器相位谱测量方法相比，具有修正处理少，溯源链完整等优点。

附图说明

图1示为一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置示意图；

A1、参考信号输出端，A2、梳状谱信号的信号输入端；

1、第一微波信号源，2、第二微波信号源，3、梳状谱发生器，4、微波探针，5、共面波导，6、飞秒脉冲激光器，7、斩波器，8、起偏器，9、光学延时线，10、λ/2波片，11、偏振光补偿器，12、λ/4波片，13、偏振光分光器，14、平衡光电探测器，15、锁相放大器，16、计算机，17、函数发生器。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步描述。

该装置包括用于输出所述第一微波信号的参考信号输出端A1和用于输入与飞秒脉冲激光束同步的梳状谱信号的信号输入端A2，该装置进一步包括第一微波信号源1、第二微波信号源2、梳状谱发生器3、GSG微波探针4、共面波导5、飞秒脉冲激光器6、斩波器7、起偏器8、光学延时线9、λ/2波片10、偏振光补偿器11、λ/4波片12、偏振光分光器13、平衡光电探测器14、锁相放大器15、控制和计算单元16和函数发生器17。

第一微波信号源的10MHz参考信号输出端与第二微波信号源的10MHz参考输入端相连接，所述第一微波信号源的另一输出端与梳状谱发生器3的输入端连接，所述第二微波信号源的输出端与飞秒脉冲激光器6的稳频参考输入端连接。梳状谱发生器3的输出端连接微波探针4，微波探针4与共面波导5压接。飞秒脉冲激光器6输出的激光在空间中传播，依次经过斩波器7、起偏器8、例如光学延时线9的延时单元和λ/2波片10，入射到共面波导5的铌酸锂晶体衬底上，入射光由共面波导5信号电极与地电极之间的间隙透射，透射光依次经过偏振光补偿器11、λ/4波片12、偏振光分器13，射入平衡光电探测器14中，平衡光电探测器14输出端与锁相放大器15信号输入端相连。函数发生器17的两个参考信号输出端分别连接到斩波器7参考输入端与锁相放大器15参考输入端。例如计算机的控制和计算单元通过GPIB-UBS线与锁相放大器15与光学延时线9相连接。

图1所述装置的工作过程：第一微波信号源的10MHz参考信号输出端输出的10MHz微波信号作为参考信号传输给第二微波信号源2，第一微波信号源1的另一输出端输出的第一微波信号作为梳状谱发生器3的激励信号，第二微波信号源2基于所述的10MHz参考信号输出与第一微波信号共时基的第二微波信号，所述第二微波信号为频率为f的正弦信号。所述第二微波信号作为飞秒脉冲激光器6的稳频参考信号，使得梳状谱发生器3与飞秒脉冲激光器6同步。梳状谱发生器3的输出信号通过微波探针4压接到共面波导5中传输。飞秒脉冲激光器6输出的飞秒脉冲激光作为线偏振的探测光，由自由空间传播，首先经过斩波器7调制，然后经过起偏器8，提高探测光的线偏振度，之后经过例如光学延时线9的延时单元与λ/2波片10入射到共面波导5的铌酸锂晶体衬底之中，λ/2波片10的作用是旋转光偏振方向，使其与电光晶体光轴有适当的夹角。在共面波导5中传输的梳状谱发生器3信号会产生在共面波导5附近产生电场，该电场通过电光效应改变共面波导5衬底铌酸锂的折射率，进而改变在铌酸锂晶体中传播的探测光的偏振态。探测光由共面波导5的信号电极与地电极之间的间隙透射出去。透射的探测光经过偏振光补偿器11补偿电光晶体本身引起的s光和p光的相对相移，在被测电场作用铌酸锂晶体时，探测光束经补偿器后变为椭圆偏振光。探测光继续经过λ/4波片12，由偏振光分光器13分为s光与p光两束。两束光进入平衡光电探测器14，光信号转换成强度与s光与p光光强差成正比的电流差。电流差正比于被测电场强度。将差电流输入到锁相放大器15的信号输入端。函数发生器17输出的两路参考信号，分别为斩波器7与锁相放大器15提供参考信号。例如计算机的控制和计算单元控制光学延时线9与锁相放大器15，实现对共面波导5中梳状谱发生器3时域信号的电光取样测量。对测量得到的时域信号进行傅立叶变化，即可得到梳状谱发生器3准确的相位谱。

根据上述装置，本发明具体实施步骤：

a)将第一微波信号源1的10MHz参考信号输出端与第二微波信号源2的10MHz参考信号输入端相连。

b)根据需求调节两个微波信号源输出正弦信号的幅度与频率，将第一微波信号源1的另一输出端连接到梳状谱发生器3的输入端。

c)将第二微波信号源2的输出端连接到飞秒脉冲激光器6的稳频参考输入端。

d)将梳状谱发生器3输出端与微波探头4输入端连接，微波探头4通过5维高精度平移台压接到共面波导5上。

e)将飞秒脉冲激光器6输出的线偏振探测光通过斩波器7。

f)将通过斩波器7调制后的光入射到起偏器8上。

g)将通过起偏器8的探测光入射到光学延时线9的光输入反射镜上。

h)调节光学延时线9的入射反射镜和出射反射镜，使得经过光学延时线9传输的飞秒脉冲激光在光学延时线9移动范围内保证准直。

i)将光学延时线9出射反射镜的光通过λ/2波片10并进行聚焦。

j)将聚焦后的探测光入射到共面波导5背面的铌酸锂晶体衬底上，并保证入射光斑的位置处于共面波导5的信号电极与地电极缝隙之间。

k)将从共面波导5正面透射过来的探测光入射到线偏振补偿器11中。

l)将线偏振补偿器11中出射的光通过λ/4波片12。

m)将透过λ/4波片12的光入射到线偏振光分光器13中。

n)将分光器的两路输出光输入到平衡光电探测器14中。

o)将平衡光电探测器14的输出端与锁相放大器15的信号输入端相连。

p)将函数发生17器的参考信号两路输出端与斩波器7参考信号输入端与锁相放大器15参考输入端相连

q)通过计算机16控制光学延时线9实现光学延时

r)通过计算机16控制锁相放大器15对平衡光电探测器14输入到锁相放大器15的电流进行测量并采集测量结果。

s)过计算机16控制光学延时线9每步进一次，对应的控制锁相放大器15进行一次数据采集，使得光学延时线9扫描一个周期，将整个周期内采集到的测量数据进行画图处理，就可以得到梳状谱发生器3输出信号的时域波形。

t)对时域波形进行傅立叶变换，可以得到梳状谱发生器3的相位谱。

综上所述本发明的技术方案可基于光电技术能够准确的测量梳状谱发生器的时域波形，进而得到梳状谱发生器的相位谱。装置理论上可测量带宽高达110GHz的梳状谱发生器，并且与传统梳状谱发生器相位谱测量方法相比，具有修正处理少，溯源链完整等优点。

可以理解为，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置，其特征在于：该装置包括

用于产生同步的第一微波信号和第二微波信号的微波信号发生装置；

用于输出所述第一微波信号的激励信号输出端；

基于所述第二微波信号产生飞秒脉冲激光束的飞秒脉冲激光器；

沿所述飞秒脉冲激光束传输路径设置的延时单元；

用于输入与所述飞秒脉冲激光束同步的梳状谱信号的信号输入端；

其背面衬底形成有电光效应材料的共面波导，该共面波导被定位为使得经延时和聚焦的飞秒脉冲激光束在共面波导背面衬底的入射位置处于共面波导信号电极和地电极的缝隙间；

GSG微波探针，用于将所述梳状谱信号耦合到所述共面波导以产生辐射电场；

沿透射经过共面波导的飞秒脉冲激光束的传输路径依次设置的偏振光分光器和平衡光电探测器；

锁相放大器，用于与延时单元的每一步进相对应的采集所述平衡光电探测器产生的电流差；

计算单元，基于所采集的电流差得到所述梳状谱信号的时域波形；

该装置还包括

对所述飞秒脉冲激光束进行偏振的起偏器；

连接在起偏器和延时单元之间的λ/2波片；

对透射经过所述共面波导的飞秒脉冲激光束进行补偿的偏振光补偿器；和

连接在偏振光补偿器和偏振光分光器之间的λ/4波片；

该装置还包括

连接在飞秒脉冲激光器和起偏器之间的斩波器；

为所述斩波器和锁相放大器提供参考信号的函数发生器；和

控制单元，

所述控制单元控制延时单元和锁相放大器，以使锁相放大器与延时单元的每一步进对应采集所述平衡光电探测器产生的电流差，

所述计算单元基于傅里叶变换对延时周期内相应的采集数据进行处理以得到梳状谱发生器的相位谱。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量梳状谱发生器相位谱的装置，其特征在于：所述微波信号发生装置包括第一微波信号源和第二微波信号源，所述第一微波信号源的10MHz参考信号输出端与第二微波信号源的10MHz参考输入端相连接，所述第一微波信号源的另一输出端输出第一微波信号，所述第二微波信号源的输出端输出第二微波信号。

3.一种用于测量梳状谱发生器相位谱的方法，其特征在于：该方法包括

以第一微波信号作为参考信号得到梳状谱信号，并将该梳状谱信号通过GSG微波探针传输至共面波导；

基于第二微波信号产生飞秒脉冲激光束，所述第一微波信号与所述第二微波信号同步；

经过延时和聚焦的飞秒脉冲激光束入射到其背面衬底形成有电光效应材料的共面波导衬底上，入射位置处于共面波导信号电极和地电极的缝隙间；

对从共面波导正面透射出的飞秒脉冲激光进行偏振分光，分光后的两路光束入射至平衡光电探测器；

与延时单元的每一步进相对应的采集所述平衡光电探测器产生的电流差进行采样，并得到采样信号；

该方法进一步包括控制所述延时单元扫描一个周期，并控制锁相放大器将该周期内相对应地采集到的测量数据进行处理，得到时域波形。

4.根据权利要求3所述的一种用于测量梳状谱发生器相位谱的方法，其特征在于：所述飞秒脉冲激光束在延时单元移动范围内保持准直。

5.根据权利要求3所述的一种用于测量梳状谱发生器相位谱的方法，其特征在于：该方法进一步包括基于傅里叶变换对时域波形进行处理，得到梳状谱发生器的相位谱。