CN104964751A - 一种基于超短脉冲的相对时间同步装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超短脉冲的相对时间同步装置，该装置包括第一时间信号输入接口、第二时间信号输入接口、第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、时间延迟线、超短脉冲非线性倍频介质、光电探头和时间延迟线反馈控制电路。本发明进一步公开了一种基于超短脉冲的相对时间同步方法。本发明所述技术方案能够抵抗由于两路时间脉冲序列时间抖动引起的时间延迟，实现高精度的相对时间同步，同步精度小于50ps。
Description
技术领域
本发明涉及时间同步精度，特别是涉及一种基于超短脉冲的相对时间同步装置及方法。
背景技术
随着网络化、信息化的高速推进和高精尖武器装备的飞速发展，以精确导航制导、分布式雷达系统、空间探测、激光聚变技术、相位阵列天线技术、高性能原子钟时间比对、自由电子激光器为代表的先进信息技术领域和前沿科学领域对于两路时间脉冲序列的高精度时间同步及其性能的评估校准要求不断提升，从原有的毫秒、微秒、亚微秒量级发展到现在的纳秒、亚纳秒甚至皮秒以下量级，其中的关键点之一就是在两列时间脉冲序列出现时间抖动的时候保证ps量级的高精密度相对时间同步。但是现有的时间同步方法通常为纳秒量级，很难达到ps量级，无法适应科学研究和技术应用快速发展对时间同步水平越来越高的要求，这就给时间同步技术带来了新的困难和挑战，因此，探索高精度时间同步的新体制、新技术已经成为国内外研究重点。
因此，需要提供一种时间同步的方法，以满足对高精度时间同步的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于超短脉冲的相对时间同步装置及方法，以解决两路时间脉冲序列出现抖动的情况下保证高精度相对时间同步的关键问题。
超短脉冲通常指脉冲宽度在几飞秒至几百飞秒量级的脉冲信号，突出特点为脉宽极窄，超短脉冲作为极短的时间探针在化学、生物学、医学、物理学及工程技术等各个领域开启了科学及工程研究的新篇章。具体到时间同步方面，从原理上说，更低的脉冲宽度有助于获得更高的性能指标。为解决上述技术问题，本发明就是针对高精度时间同步的关键问题，设计了一种基于超短脉冲的相对时间同步装置及方法，其具体方案如下：
一种基于超短脉冲的相对时间同步装置，该装置包括
用于输入重复的第一时间信号的第一时间信号输入接口；
用于输入重复的第二时间信号的第二时间信号输入接口；
第一飞秒激光器，基于重复的第一时间信号，产生第一超短脉冲时间序列；
第二飞秒激光器，基于重复的第二时间信号，产生第二超短脉冲时间序列；
时间延迟线，对第二超短脉冲时间序列进行延时；
超短脉冲非线性倍频介质，基于第一超短脉冲时间序列和延时的第二超短脉冲时间序列，产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列；
光电探头，用于采集互相关二次谐波超短脉冲时间序列，获取其示值；
时间延迟线反馈控制电路，基于光电探头的示值变化，对时间延迟线进行延时调整。
优选的，该装置进一步包括
设置在第一超短脉冲时间序列传播路径上的第一反射镜；
设置在延时的第二超短脉冲时间序列传播路径上的第二反射镜。
优选的，该装置进一步包括设置在第一超短脉冲时间序列和延时的第二超短脉冲时间序列的传播路径上，位于超短脉冲非线性倍频介质入射端的聚焦透镜。
优选的，该装置进一步包括设置在超短脉冲非线性倍频介质和光电探头之间的滤波片。
优选的，所述第一时间信号和第二时间信号的重复频率相同。
优选的，所述第一超短脉冲时间序列和第二超短脉冲时间序列的脉冲宽度相同。
优选的，所述脉冲宽度小于1ps。
优选的，所述时间延迟线的时延调整分辨力小于1ps。
一种基于超短脉冲的相对时间同步方法，该方法的步骤包括
第一飞秒激光器基于第一时间信号，产生第一超短脉冲时间序列，第二飞秒激光器基于与第一时间信号频率相同的第二时间信号，产生与第一超短脉冲时间序列脉冲宽度相同的第二超短脉冲时间序列；
第一超短脉冲时间序列和经过时间延迟线的第二超短脉冲时间序列分别通过第一透光镜和第二透光镜入射至聚焦透镜，再通过聚焦透镜入射至超短脉冲非线性倍频介质上，产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列；
利用光电探头采集互相关二次谐波超短脉冲时间序列，获得其示值；
调整时间延迟线，使光电探头的示值达到最大。
优选的，当光电探头的示值变小时，时间延迟线反馈控制电路根据光电探头的示值变化，对时间延迟线进行调整，使光电探头示值恢复到最大，实现相对时间同步。
本发明的有益效果如下：
现有时间抖同步方法很难达到ps量级，本发明所述技术方案比现有方法测同步精度更高，能够抵抗由于两路时间脉冲序列时间抖动引起的时间延迟，实现高精度的相对时间同步，同步精度小于50ps。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出一种基于超短脉冲的相对时间同步装置的示意图；
图2示出一种基于超短脉冲的相对时间同步方法的流程图。
附图标号
1、第一时间信号源，2、第一飞秒激光器，3、第二时间信号源，4、第二飞秒激光器，5、聚焦透镜，6、超短脉冲非线性倍频介质，7、滤波片，8、光电探头，9、时间延迟线反馈控制电路，10、时间延迟线，11、第一反射镜，12、第二反射镜，A1、第一时间信号输入接口，A2、第二时间信号输入接口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种基于超短脉冲的相对时间同步装置，该装置包括第一时间信号源1、第一飞秒激光器2、第二时间信号源3、第二飞秒激光器4、聚焦透镜5、超短脉冲非线性倍频介质6、滤波片7、光电探头8、时间延迟线反馈控制电路9、时间延迟线10、第一反射镜11和第二反射镜12，以及第一时间信号输入接口A1和第二时间信号输入接口A2。
第一时间信号源1发出第一时间信号，并通过第一时间信号输入接口A1将第一时间信号输入装置，第一时间信号通过第一飞秒激光器2产生第一超短脉冲时间序列；第二时间信号源2发出第二时间信号，并通过第二时间信号输入接口A2将第二时间信号输入装置，第一时间信号通过第二飞秒激光器4产 生第二超短脉冲时间序列；第一超短脉冲时间序列和经过时间延迟线的第二超短脉冲时间序列分别通过第二反射镜12和第一反射镜11入射至聚焦透镜5上，经聚焦透镜5聚焦后的两路脉冲时间序列入射至超短脉冲非线性倍频介质6中，并产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列，该互相关二次谐波超短脉冲时间序列经滤波片7滤除杂波后，利用光电探头8采集，并获取其示值。时间延迟线反馈控制电路9根据光电探头8的示值变化，调整时间延迟线10使光电探头8的示值达到最大。本发明中第一时间信号和第二时间信号的重复频率相同。本发明中所采用的时间延迟线的时延调整分辨力小于1ps。
本发明进一步公开了一种基于超短脉冲的相对时间同步方法，该方法的步骤包括第一飞秒激光器2基于第一时间信号，产生第一超短脉冲时间序列，第二飞秒激光器4基于与第一时间信号频率相同的第二时间信号，产生与第一超短脉冲时间序列脉冲宽度相同的第二超短脉冲时间序列S1；第一超短脉冲时间序列和延时的第二超短脉冲时间序列分别通过第一透光镜和第二透光镜入射至聚焦透镜5，再通过聚焦透镜5入射至超短脉冲非线性倍频介质6上，产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列S2；利用光电探头8采集互相关二次谐波超短脉冲时间序列，获得其示值；调整时间延迟线，使光电探头8的示值达到最大。该方法的步骤进一步包括当光电探头8的示值变小时，时间延迟线反馈控制电路9根据光电探头的示值变化，对时间延迟线10进行调整，使光电探头8示值恢复到最大，实现相对时间同步。
下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：
一种基于超短脉冲的相对时间同步装置，该装置包括第一时间信号源1、第一飞秒激光器2、第二时间信号源3、第二飞秒激光器4、聚焦透镜5、超短脉冲非线性倍频介质6、滤波片7、光电探头8、时间延迟线反馈控制电路9、时间延迟线10、第一反射镜11和第二反射镜12，以及第一时间信号输入接口A1和第二时间信号输入接口A2。
利用上述装置的一种基于超短脉冲的相对时间同步方法，该方法的步骤包括
(1)第一飞秒激光器2基于第一时间信号输出第一超短脉冲时间序列，且第一飞秒激光器2的重复频率锁定于发出第一时间信号的第一时间信号源1，第二飞秒激光器4产生第二超短脉冲时间序列，且第二飞秒激光器4的重复频率锁定于发出第二时间信号的第二时间信号源3，第一时间信号源1与第二时 间信号源3的重复频率相同，第一飞秒激光器2与第二飞秒激光器4产生的第一超短脉冲时间序列与第二超短脉冲时间序列的脉冲宽度相同，为400fs；
(3)第一超短脉冲时间序列由第二反射镜12反射后入射到聚焦透镜5上，第二超短脉冲时间序列通过时间延迟线10后，由第一反射镜11反射，入射到聚焦透镜5上；
(4)第一超短脉冲时间序列和第二超短脉冲时间序列由聚焦透镜5聚焦入射到超短脉冲非线性倍频介质6上，产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列；
(5)互相关二次谐波超短脉冲时间序列通过滤波片7，滤波片7的作用为仅允许互相关二次谐波超短脉冲时间序列通过；
(6)调整时间延迟线10，使光电探头8的示值最大，其中，时间延迟线10的时延调整分辨力100fs。
(7)人为给第一超短脉冲时间序列和第二超短脉冲之间提供一个3ps的时间抖动延迟，此时，光电探头8的示值将变小，随后时间延迟线反馈控制电路9调整时间延迟线10，使光电探头8重新恢复至示值最大，实现相对时间同步。
(8)将第一超短脉冲时间序列与第二超短脉冲时间序列直接输入到平衡探测器进行相对时间同步的监测，分别进行两次监测，每次监测时间4小时，第一次监测结果为时间抖动为38ps，第二次监测结果为时间抖动为42ps。
测试结果显示一种基于超短脉冲的相对时间同步装置的时间抖动的精度<50ps，能够在保持高精度的同时，实现相对时间同步。
综上所述，本发明所述技术方案能够抵抗由于两路时间脉冲序列时间抖动引起的时间延迟，实现高精度的相对时间同步，同步精度小于50ps。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于超短脉冲的相对时间同步装置，其特征在于，该装置包括
用于输入重复的第一时间信号的第一时间信号输入接口；
用于输入重复的第二时间信号的第二时间信号输入接口；
第一飞秒激光器，基于重复的第一时间信号，产生第一超短脉冲时间序列；
第二飞秒激光器，基于重复的第二时间信号，产生第二超短脉冲时间序列；
时间延迟线，对第二超短脉冲时间序列进行延时；
超短脉冲非线性倍频介质，基于第一超短脉冲时间序列和延时的第二超短脉冲时间序列，产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列；
光电探头，用于采集互相关二次谐波超短脉冲时间序列，获取其示值；
时间延迟线反馈控制电路，基于光电探头的示值变化，对时间延迟线进行延时调整。
2.根据权利要求1所述的相对时间同步装置，其特征在于，该装置进一步包括
设置在第一超短脉冲时间序列传播路径上的第一反射镜；
设置在延时的第二超短脉冲时间序列传播路径上的第二反射镜。
3.根据权利要求1所述的相对时间同步装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在第一超短脉冲时间序列和延时的第二超短脉冲时间序列的传播路径上，位于超短脉冲非线性倍频介质入射端的聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的相对时间同步装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在超短脉冲非线性倍频介质和光电探头之间的滤波片。
5.根据权利要求1所述的相对时间同步装置，其特征在于，所述第一时间信号和第二时间信号的重复频率相同。
6.根据权利要求1所述的相对时间同步装置，其特征在于，所述第一超短脉冲时间序列和第二超短脉冲时间序列的脉冲宽度相同。
7.根据权利要求6所述的相对时间同步装置，其特征在于，所述脉冲宽度小于1ps。
8.根据权利要求1所述的相对时间同步装置，其特征在于，所述时间延迟线的时延调整分辨力小于1ps。
9.一种基于超短脉冲的相对时间同步方法，其特征在于，该方法的步骤包括
第一飞秒激光器基于第一时间信号，产生第一超短脉冲时间序列，第二飞秒激光器基于与第一时间信号频率相同的第二时间信号，产生与第一超短脉冲时间序列脉冲宽度相同的第二超短脉冲时间序列；
第一超短脉冲时间序列和经过时间延迟线的第二超短脉冲时间序列分别通过第一透光镜和第二透光镜入射至聚焦透镜，再通过聚焦透镜入射至超短脉冲非线性倍频介质上，产生互相关二次谐波超短脉冲时间序列；
利用光电探头采集互相关二次谐波超短脉冲时间序列，获得其示值；
调整时间延迟线，使光电探头的示值达到最大。
10.根据权利要求9所述的相对时间同步方法，其特征在于，当光电探头的示值变小时，时间延迟线反馈控制电路根据光电探头的示值变化，对时间延迟线进行调整，使光电探头示值恢复到最大，实现相对时间同步。
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