CN105514782B - 基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置 - Google Patents

基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置 Download PDF

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Abstract

基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置属于激光探测领域，该方法依据远端发射过来的功率极弱的飞秒脉冲序列，由本地飞秒激光器沿原方向发射新的脉冲序列，并利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应产生反馈信号，对本地飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，使得输出信号的脉冲与原信号实时重叠并锁定；该装置包括本地飞秒激光器、平衡光电探测单元、控制单元和分光光路；本发明在实现了飞秒激光脉冲中继传输的同时，保证了脉冲锁定偏差的阿伦方差在亚纳米量级。

Description

基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置
技术领域
本发明属于激光探测领域，主要涉及一种在超远距离精密测量中对飞秒激光进行中继传输的方法及装置。
背景技术
超远距离精密激光测量是大型科学装置和空间飞行任务所必备的关键技术，随着科学技术的迅猛发展，其测程和精度的需求也在日益提高。例如，近年来引力波探测等大型科学装置的建造是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测也直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；而中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里。此外，在分布式小卫星合成孔径雷达等空间编队飞行任务中，各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，并突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。但是，上述任务需要对卫星间基线进行高精度测量，其精度要求达到亚毫米甚至更高量级，而测程要求则达到上百公里甚至更高。
在上述超远距离精密激光测量任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统最终探测到的回光信号仅为出射信号中很小的一部分。例如，LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/1010。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而使得测距精度大幅度下降，最终无法满足测量需求。因此，需要在被测端对探测到的微弱光进行功率放大。
另一方面，随着近年来飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测量方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。在飞秒激光测量的基础上进行光功率放大，将可以最大幅度地扩展目前激光测量系统的测程。
在通信领域，如中国专利公布号CN101997612A，公布日2011年3月30日，发明《光放大装置及光中继器》，公布了一种基于掺铒光纤和泵浦激光器的光放大装置及光中继器，通过有源的方式提升了光信号的增益；又如中国专利公布号CN102244544A，公布日2011年11月16日，发明《长距光放大装置、PON和光信号传输方法》，公布了一种基于无源光纤网络的光放大装置，通过上下行光信号分路的方式实现了光网络的长距离传输。上述方法适用于光纤通信领域，但输出的光信号与原信号存在较大时域偏差。
在信号探测领域，如中国专利公布号CN103475318A，公布日2013年12月25日，发明《一种用于测光系统中的光电信号放大电路》，公布了一种用于测光系统中的光电信号放大电路，通过电学方法实现了光信号的放大，但该方法在激光测量领域中应用时噪声较大，且难以实现对飞秒脉冲的放大；又如中国专利公布号CN103324003A，公布日2013年9月25日，发明《弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置》，公布了一种基于部分相干光泵浦的弱光信号非线性光学放大方法及装置，但该方法需要引入另一束泵浦光与被测信号进行耦合，且输出的光信号与原信号存在较大时域偏差。
在激光测量领域，如2001年，Surveys in Geophysics第22卷第5期发表文章《Unified approach to photon-counting microlaser rangers,transponders,andaltimeters》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，输出的光信号与原信号存在较大时域偏差，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。
在飞秒激光测距领域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了较高的测距精度。但是，该方法目前只在测距装置中得以应用，并不能用来进行飞秒激光的探测和中继传输。
综上所述，目前在激光探测领域中缺少一种在超远距离精密测量中对飞秒激光进行中继传输并消除输出光信号与原信号时域偏差的方法及装置。
发明内容
本发明针对上述方法及装置不能对飞秒激光进行中继传输以及输出的光信号与原信号存在较大时域偏差等问题，提出并设计了一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置。利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应产生反馈信号，对飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，在实现了飞秒激光中继传输的同时将输出信号与原信号的脉冲偏差控制在亚纳米量级。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法，该方法步骤如下：
a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号；光源发出的飞秒激光脉冲序列进入中继光路后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号，另一束功率较弱作为参考信号；
b、步骤a中的参考信号与输入信号在中继光路中汇合，先后通过三个周期性极化晶体，并相应产生三个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜实现原信号与二次谐波的分离；三个二次谐波信号在信号处理单元中分别由三个光电探测器探测后转化为电信号；
c、信号处理单元对在步骤b中探测到的电信号进行处理，并产生控制信号，对光源发出的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。
2.一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继装置，由光源、中继光路、和信号处理单元组成；远端和光源发射的激光分别射入中继光路的两个输入端；中继光路的输出端分别指向远端和信号处理单元的输入端；信号处理单元的输出端连接到光源。
所述中继光路的结构是：远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器和一号四分之一波片后射向一号偏振分光镜；光源发出的激光经过二号偏振分光镜后分为两束，被透射的一束经过三号反射镜、二号反射镜和二号扩束准直器后射向远端，被反射的一束经过一号偏振分光镜后与远端发射来的激光汇合；汇合后的光束经过一号透镜、一号周期性极化晶体、二号透镜和一号反射镜后射向一号双色镜；一号双色镜的反射光射入一号光电探测器的输入端，一号双色镜的透射光经过三号透镜、二号周期性极化晶体和四号透镜后射向二号双色镜；二号双色镜的反射光射入二号光电探测器的输入端，二号双色镜的透射光经过五号透镜、三号周期性极化晶体、和六号透镜后射向三号双色镜；三号双色镜的反射光射入三号光电探测器的输入端，三号双色镜的透射光直接射出系统。所述一号周期性极化晶体、二号周期性极化晶体和三号周期性极化晶体采用的非线性光学材料为碘酸锂。
所述信号处理单元的结构是：一号光电探测器和二号光电探测器的输出端连接至一号减法器的输入端，二号光电探测器和三号光电探测器的输出端连接至二号减法器的输入端，一号减法器和二号减法器的输出端连接至三号减法器的输入端，三号减法器的输出端连接至控制电路的输入端，控制电路的输出端连接至光源。
本发明具有以下特点及有益效果：
(1)利用飞秒激光器实现了对输入信号的有源中继传输，针对远端发射过来的不同周期、不同功率的飞秒脉冲，输出信号的脉冲周期与原信号相同，输出脉冲的功率为可调的常数且不受噪声和放大倍率限制。
(2)利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应产生反馈信号，通过对飞秒激光器脉冲重复频率的反馈控制，实现了输出信号对输入信号脉冲序列的高精度锁定，其脉冲锁定偏差的阿伦方差在亚纳米量级。
附图说明
图1为本发明的总体配置结构示意图。
图2为本发明的装置结构示意图。
图中件号说明：1中继光路、2信号处理单元、3光源、4一号扩束准直器、5一号四分之一波片、6一号偏振分光镜、7一号透镜、8一号周期性极化晶体、9一号光电探测器、10二号透镜、11一号反射镜、12一号双色镜、13三号透镜、14二号周期性极化晶体、15四号透镜、16二号双色镜、17五号透镜、18三号周期性极化晶体、19六号透镜、20三号双色镜、21二号扩束准直器、22三号光电探测器、23二号反射镜、24三号反射镜、25二号偏振分光镜、26一号减法器、27二号光电探测器、28控制电路、29三号减法器、30二号四分之一波片、31飞秒激光器、32二号减法器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
本实施例的基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继装置，图1为其总体配置结构示意图，图2为其装置结构示意图，该装置由光源3、中继光路1、和信号处理单元2组成；远端和光源3发射的激光分别射入中继光路1的两个输入端；中继光路1的输出端分别指向远端和信号处理单元2的输入端；信号处理单元2的输出端连接到光源3。
所述中继光路1的结构是：远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器4和一号四分之一波片5后射向一号偏振分光镜6；光源3发出的激光经过二号偏振分光镜25后分为两束，被透射的一束经过三号反射镜24、二号反射镜23和二号扩束准直器21后射向远端，被反射的一束经过一号偏振分光镜6后与远端发射来的激光汇合；汇合后的光束经过一号透镜7、一号周期性极化晶体8、二号透镜10和一号反射镜11后射向一号双色镜12；一号双色镜12的反射光射入一号光电探测器9的输入端，一号双色镜12的透射光经过三号透镜13、二号周期性极化晶体14和四号透镜15后射向二号双色镜16；二号双色镜16的反射光射入二号光电探测器27的输入端，二号双色镜16的透射光经过五号透镜17、三号周期性极化晶体18、和六号透镜19后射向三号双色镜20；三号双色镜20的反射光射入三号光电探测器22的输入端，三号双色镜20的透射光直接射出系统；所述一号周期性极化晶体8、二号周期性极化晶体14和三号周期性极化晶体18采用的非线性光学材料为碘酸锂，有益效果在于：透光波段宽，能量转换效率高，且易于制备。
所述信号处理单元2的结构是：一号光电探测器9和二号光电探测器27的输出端连接至一号减法器26的输入端，二号光电探测器27和三号光电探测器22的输出端连接至二号减法器32的输入端，一号减法器26和二号减法器32的输出端连接至三号减法器29的输入端，三号减法器29的输出端连接至控制电路28的输入端，控制电路28的输出端连接至光源31。
本实施例的基于双周期性极化晶体的飞秒脉冲功率放大方法，该方法步骤如下：
a、从远端发射的飞秒激光脉冲序列S波长λ为1550nm；脉冲重复频率f为100MHz；脉冲周期T为10-8s；脉冲宽度w为10fs；平均光功率为1W；脉冲峰值功率P为106W；该信号及其峰值功率可以表示为：
S＝ΣnE(t-nT) (1)
其中，n为脉冲序号，E为信号S的单个脉冲电场表达式。以空间引力波探测任务为例，S在真空条件下经过530万公里的距离到达被测端后，其光功率与传播距离呈平方关系剧烈衰减。探测到的信号作为光功率放大装置的输入信号Sin，其脉冲峰值功率Pin为1μW，且相比于S产生了飞行时间延迟Tdelay。Sin及其脉冲峰值功率可以表示为：
Sin＝ΣnEin(t-nT-Tdelay) (3)
其中，Ein为输入信号的单个脉冲电场表达式，光学系统透过率η为0.5，光学系统口径d为0.3m，光束发散角θ为0.00004，光的传播距离D为5.3×106km。Sin经过一号扩束准直器4和一号四分之一波片5后由圆偏振光变为P光，又经一号偏振分光镜6透射射向一号透镜7。
另一方面，飞秒激光器31发出的飞秒激光作为本地信号S’。首先设定其波长λ’为1550nm；脉冲重复频率f’约100MHz；脉冲周期T’约10-8s；脉冲宽度w’为10fs；平均光功率为1W；脉冲峰值功率P’为106W；此外，S’与Sin之间存在一个不确定的时域延迟Δt；S’可以表示为：
S′＝ΣnE′(t-nT′-Tdelay-Δt) (5)
其中，E’为本地信号的单个脉冲电场表达式。S’为线偏振光，经过二号四分之一波片30后变为圆偏振光，又经过二号偏振分光镜25后被分为两束光；其中被透射的一束占绝大部分光功率，输出信号Sout，其平均光功率约1W；脉冲峰值功率Pout约106W；被反射的一束光功率较小，作为参考信号Sref，其脉冲峰值功率Pref为1μW；Sout和Sref分别可以表示为：
Sout＝ΣnEout(t-nT′-Tdelay-Δt) (6)
Sref＝ΣnEref(t-nT′-Tdelay-Δt) (7)
其中，Eout、Eref分别为输出信号和参考信号的单个脉冲电场表达式。Sout为P光，经过三号反射镜24、二号反射镜23和二号扩束准直器21后射向远端；Sref是S光，经过一号偏振分光镜1的反射后与Sin汇合并射向一号透镜7。
b、步骤a中偏振态相互垂直的Sref和Sin首先经过一号透镜7进入一号周期性极化晶体8，并产生波长减半的二次谐波信号Ssec1；Sref、Sin和Ssec1共同经过二号透镜10和一号反射镜11后射向一号双色镜12；其中，波长775nm的Ssec1经一号双色镜12反射后射向一号光电探测器9，波长1550nm的Sref和Sin经一号双色镜12透射后，又经三号透镜13进入二号周期性极化晶体14，并产生波长减半的二次谐波信号Ssec2；Sref、Sin和Ssec2共同经过四号透镜15射向二号双色镜16；其中，波长775nm的Ssec2经二号双色镜16反射后射向二号光电探测器27，波长1550nm的Sref和Sin经二号双色镜16透射后，又经五号透镜17进入三号周期性极化晶体18，并产生波长减半的二次谐波信号Ssec3；Sref、Sin和Ssec3共同经过六号透镜19射向三号双色镜20；其中，波长775nm的Ssec3经三号双色镜20反射后射向三号光电探测器22，波长1550nm的Sref和Sin经三号双色镜20直接透射出系统；一号光电探测器9、二号光电探测器27和三号光电探测器22将探测到的Ssec1、Ssec2和Ssec3转换为电信号。
c、一号光电探测器9和二号光电探测器27将电信号输出至一号减法器26相减，二号光电探测器27和三号光电探测器22将电信号输出至二号减法器32相减，一号减法器26和二号减法器32将输出信号输出至三号减法器29再次相减，三号减法器29的输出信号作为反馈信号进入控制电路28，经过滤波、放大和整形后产生控制信号，对飞秒激光器31的脉冲重复频率f’进行反馈控制，使得Sref和Sin的脉冲在时域上实时重叠并锁定，亦即：
Sref＝ΣnEref(t-nT-Tdelay) (8)
进而，针对不同功率的输入信号Sin，输出信号Sout的光功率为可调的常数，本实施例中设置Pout＝1W,且输出脉冲序列与输入脉冲序列在时域实现了精确互锁，亦即：
Sout＝ΣnEout(t-nT-Tdelay) (9)
其脉冲锁定偏差的阿伦方差在亚纳米量级。

Claims (3)

1.基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法，其特征在于：该方法步骤如下：
a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号；光源(3)发出的飞秒激光脉冲序列进入中继光路(1)后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号，另一束功率较弱作为参考信号；
b、步骤a中的参考信号与输入信号在中继光路(1)中汇合，先后通过一号周期性极化晶体(8)、一号双色镜(12)、二号周期性极化晶体(14)、二号双色镜(16)、三号周期性极化晶体(18)和三号双色镜(20)；通过三个周期性极化晶体(8、14、18)时，分别产生三个波长减半的二次谐波信号，因而分别利用双色镜(12、16、20)实现原信号与二次谐波的分离；三个二次谐波信号在信号处理单元(2)中分别由三个光电探测器(9、27、22)探测后转化为电信号；
c、信号处理单元(2)对在步骤b中探测到的电信号进行处理，并产生控制信号，对光源(3)发出的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。
2.一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继装置，其特征在于：它由光源(3)、中继光路(1)、和信号处理单元(2)组成；远端和光源(3)发射的激光分别射入中继光路(1)的两个输入端；中继光路(1)的输出端分别指向远端和信号处理单元(2)的输入端；信号处理单元(2)的输出端连接到光源(3)；
所述中继光路(1)的结构是：远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器(4)和一号四分之一波片(5)后射向一号偏振分光镜(6)；光源(3)发出的激光经过二号偏振分光镜(25)后分为两束，被透射的一束经过三号反射镜(24)、二号反射镜(23)和二号扩束准直器(21)后射向远端，被反射的一束经过一号偏振分光镜(6)后与远端发射来的激光汇合；汇合后的光束经过一号透镜(7)、一号周期性极化晶体(8)、二号透镜(10)和一号反射镜(11)后射向一号双色镜(12)；一号双色镜(12)的反射光射入一号光电探测器(9)的输入端，一号双色镜(12)的透射光经过三号透镜(13)、二号周期性极化晶体(14)和四号透镜(15)后射向二号双色镜(16)；二号双色镜(16)的反射光射入二号光电探测器(27)的输入端，二号双色镜(16)的透射光经过五号透镜(17)、三号周期性极化晶体(18)、和六号透镜(19)后射向三号双色镜(20)；三号双色镜(20)的反射光射入三号光电探测器(22)的输入端，三号双色镜(20)的透射光直接射出系统；
所述信号处理单元(2)的结构是：一号光电探测器(9)和二号光电探测器(27)的输出端连接至一号减法器(26)的输入端，二号光电探测器(27)和三号光电探测器(22)的输出端连接至二号减法器(32)的输入端，一号减法器(26)和二号减法器(32)的输出端连接至三号减法器(29)的输入端，三号减法器(29)的输出端连接至控制电路(28)的输入端，控制电路(28)的输出端连接至光源(3)。
3.根据权利要求2所述的基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继装置，其特征在于：所述一号周期性极化晶体(8)、二号周期性极化晶体(14)和三号周期性极化晶体(18)采用的非线性光学材料为碘酸锂。
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