CN105932531B - 高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法 - Google Patents

高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法，包括：低重复频率激光振荡源产生低重复频率的激光脉冲；多个级联的延迟单元分别将输入本级延迟单元的激光脉冲分成两路，使其中一路延迟一段预定的延迟时间后再与另一路耦合后输出；通过高重复频率激光振荡源和光学自相关仪分别检测每个所述延迟单元输出的激光脉冲的光学输出特征，并根据各所述光学输出特征校准各所述延迟时间；校准后的多个级联的延迟单元输出高重复频率激光脉冲。其中，第一级延迟单元与低重复频率激光振荡源相连，各级延迟单元依次串联。本方法提出使用双脉冲光学自相关方法，精确校准延迟单元的延迟时间，通过级联的延迟单元，产生高精度的高重复频率激光脉冲。

Description

高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法
技术领域
本发明涉及光纤激光振荡源的技术领域，具体涉及一种高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法。
背景技术
构成光纤激光振荡源光学腔的各个元器件都需要有一定长度，无法做成很短的腔长，其脉冲重复频率一般在几十兆赫兹。
可以利用高阶孤子效应在腔内形成多个脉冲，这样可以提高脉冲重复频率，但高阶孤子脉冲之间的时间结构不是很稳定，不能满足严格时间抖动的要求。
射频调制的主动锁模激光器可以产生10GHz的激光脉冲重复频率，但激光使用的波导调制器直流偏置经常漂移，致使设备启动和运行时光脉冲参数重复性和稳定性较差。
对于用于L波段能量循环电子加速器装置光阴极上的激光振荡源，需要产生重复频率1.3GHz，皮秒的光脉冲宽度，低时间抖动光脉冲序列。对于S波段和X波段，需要的重复频率更高。如果振荡源输出激光的光脉冲参数重复性不好，会影响用它构建的激光系统中脉冲压缩、倍频或整形环节的参数匹配，降低整个激光系统的性能。工作状态不稳定，则需要经常用高带宽的示波器或是频谱仪等检测设备来调试校准，所以调试和运行维护成本非常高昂。
针对目前高重频振荡源存在的问题，寻找一种简单可靠的方法产生高重复频率激光脉冲无疑非常必要。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明的一个主要目的在于提供一种高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法。
本发明所提供的高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法包括：
低重复频率激光振荡源产生低重复频率的激光脉冲；
多个级联的延迟单元分别将输入本级延迟单元的激光脉冲分成两路，使其中一路延迟一段预定的延迟时间后再与另一路耦合后输出；
通过高重复频率激光振荡源和光学自相关仪分别检测每个所述延迟单元输出的激光脉冲的光学输出特征，并根据各所述光学输出特征校准各所述延迟时间；
校准后的所述多个级联的延迟单元输出高重复频率激光脉冲。
其中，所述多个级联的延迟单元的第一级延迟单元与所述低重复频率激光振荡源相连，各级延迟单元依次串联。
本发明生成的高重频光纤激光脉冲，由于采用了低频振荡源，比较稳定，生成的激光脉冲通过时间延迟，脉冲内插获得高重复频率脉冲，有源部分仅为低频振荡源，整个系统更加稳定可靠，维护容易、成本低廉。
然而，由于制作耦合器和延迟线等光纤器件时，尾纤长度差异较大，要通过时间延迟内插脉冲制作亚皮秒时间精度高重复频率激光脉冲序列，必须对时间延迟进行标定和调整，才能达到使用要求。也就是说，对延迟单元的标定和调整是制作的关键。
在本发明中，为了制作高精度延迟单元，配备了高重复频率振荡源和光学自相关仪。
如果把高重复频率振荡源，如1.3GHz重复频率接入延迟单元，延迟单元的输出连接到光学自相关仪，当光路的延迟时间差异是1.3GHz激光脉冲的一个间隔769.2ps，或两路的延迟距离为该时间间隔的整数倍时，两路脉冲合成后会有两个脉冲靠到一起。一旦延迟时间不准确，可以对延迟时间调整，利用光学自相关仪中双脉冲输出的相关曲线判定脉冲是否重合。如果确定了这一延迟单元中的延迟距离，当一个低重复频率激光脉冲经过这一延迟单元，会在每个输入脉冲的延迟769.2ps间隔位置上自然填充一个脉冲。通过级联整数倍的延迟单元，就可形成逐步填充，生成具有较高时间延迟精度的高重复频率脉冲序列。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
图1为本发明一实施例中校准高精度的延迟时间的示意图。
图2为本发明一实施例中确定延迟时间时双脉冲自相关信号输出示意图。
图3为本发明一实施例中激光脉冲经过一级延迟结构后脉冲填充的示意图。
图4为本发明一实施例中从一级延迟结构输出脉冲进入下一级延迟结构示意图。
图5为本发明一实施例中用四个延迟结构单元级联生成高重复频率脉冲示意图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
在本实施例中，本发明提供的高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法，包括：
低重复频率激光振荡源产生低重复频率的激光脉冲；
多个级联的延迟单元分别将输入本级延迟单元的激光脉冲分成两路，使其中一路延迟一段预定的延迟时间后再与另一路耦合后输出；
通过高重复频率激光振荡源和光学自相关仪分别检测每个所述延迟单元输出的激光脉冲的光学输出特征，并根据各所述光学输出特征校准各所述延迟时间；
校准后的所述多个级联的延迟单元输出高重复频率激光脉冲。
其中，所述多个级联的延迟单元的第一级延迟单元与所述低重复频率激光振荡源相连，各级延迟单元依次串联。
在一优选实施例中，每个所述延迟单元包括耦合器、可调延迟线和延迟光纤。
所述耦合器用于将输入本级延迟单元的激光脉冲分成两路，以使其中一路延迟一段预定的延迟时间后再与另一路耦合，形成两倍数量的输出脉冲。
所述延迟光纤用于将所述耦合器输出的一路激光脉冲延迟一段预定的延迟时间，再与另一路耦合。
所述可调延迟线用于调节所述延迟时间。
在一优选实施例中，所述低重复频率激光振荡源为光纤被动锁模振荡源。
在一优选实施例中，每级所述延迟单元预定的延迟时间为所述高重频激光振荡源输出光脉冲周期的整数倍。
在一优选实施例中，所述第一级延迟单元的预定的延迟时间为所述高重频光纤激光振荡源输出的高重频光纤激光脉冲的周期；
各级延迟单元的预定的延迟时间为相邻上级延迟单元预定的延迟时间的2倍。
在一优选实施例中，所述高重频激光振荡源的重复频率是所述低重复频率振荡源的重复频率的2N倍。其中，N为所述延迟单元的数量。
所述各级延迟单元自第一级延迟单元起，每级延迟单元分别对所输入的激光脉冲延迟T，2T，4T，8T，…，2N-1T。其中，T为输出的高重频激光脉冲的周期。
在一优选实施例中，各级所述延迟单元在进行所述检测和所述校准时，输入端接入所述高重复频率激光振荡源,输出端接入所述光学自相关仪。
在一优选实施例中，所述高重频激光振荡源的重复频率不低于所生成的高重复频率脉冲的频率。所述高重频激光振荡源的重复频率为2的倍数，使两路激光脉冲耦合后形成双脉冲相关信号。根据所述双脉冲相关信号的光学输出特征，校准所述延迟时间。
在一优选实施例中，所述双脉冲相关信号的光学输出特征，在所述光学自相关仪扫描时的重合程度不同，在所述光学自相关仪中形成不同形状的脉冲相关曲线。
在一优选实施例中，所述激光脉冲的精度为皮秒级，所述延迟时间的精度为亚皮秒级。
具体地，在本实施例中，用81.25MHz的低重复频率振荡源来生成一个脉冲重复频率为1.3GHz的激光脉冲序列。首先要制作高时间延迟精度的延迟单元，来延迟1.3GHz一个脉冲周期T0，亦即769.23ps。图1为本发明一实施例中校准高精度的延迟时间的示意图。
在本实施方式中，包括1.3GHz的振荡源110，耦合器11用来把振荡源的光脉冲分开两路，相同的延迟线13和14，其中延迟线14包含一段T1长度的光纤100，长度约为158.8mm，配合延迟线用来实现T0的延迟。耦合器12将延迟的两路激光脉冲合在一起，然后激光脉冲引入光学自相关仪120。
主动锁模的高重复频率振荡源110发出的输入延迟单元的光脉冲序列中，图1特别标出其中的脉冲1和2，其间隔是一个脉冲周期T0。进入延迟单元后，脉冲1和2分成两路脉冲。由于两路有T1的延迟，分离的两路脉冲中标记为2-1和1-1的光脉冲经过耦合器12后会重合或靠得很近。单独考察这两个脉冲，2-1和1-1进入自相关仪后，经过相关仪的分束片，会生成两个脉冲对210和110，脉冲对的间隔是延迟单元延迟T0周期不准确导致。相关仪输出检测的就是由这两个脉冲对产生相关脉冲。
图2显示了延迟单元校准延迟时间时，相关脉冲变化过程。图2a是延迟单元偏离延迟周期T0时的情况，三个峰值表达了延迟时间大大偏离T0，其宽度为脉冲宽度的1.4倍。所以采用窄脉冲能够获得更精确的延迟时间。但是太窄的脉冲对应着大的光谱宽度，会因光纤中的色散而导致脉冲展宽，所以一般使用1ps到2ps左右脉冲宽度，能够获得好于0.1ps的延迟精确度。当延迟继续调整的过程中，相关曲线经历图2b到图2h的变化。图2e是延迟距离恰好为光脉冲周期T1的情况，由于脉冲对已经重合，实际上是等同于两个高斯形状的光脉冲的相关。但是延迟在这个位置引起的相关曲线变化灵敏度不是最高。偏离重合位置1/4脉冲宽度附近，能够观察到相关曲线图样中图2c到图2d和图2g到图2f的剧烈变化，利用两个剧烈变化的位置，确定延迟线的位移调整中心，能够更精确标记图2e所处的脉冲重合的位置，能够获得最大的延迟精确度。
用这种方法，可以制作出延迟量为T0的精确的延迟单元T1。同样延迟量为2T0的延迟单元T2，以及延迟单元T3，T4也可以按着此方法制作。
如图3所示，把延迟单元T1输入端1a接到一个低重复频率振荡源，振荡源的每一个脉冲将在其后延迟T0并插入一个脉冲。
如图4所示，把延迟单元T1输出脉冲接入到延迟单元T2输入端2a，经过延迟填充，分开的两路激光脉冲将延迟2T0，脉冲数目增加一倍。
如图5所示，如果把四个延迟线T1，T2，T3，T4级联，在每一级延迟单元后将插入1，3，7，15个脉冲。在T1输入端接入81.25MHz的振荡源，由于其重复频率正好是1.3GHz的1/16，经过这一系列延迟后，就把低重复频率的脉冲间隔中，插入15个脉冲，形成1.3GHz的脉冲序列。
这样一来，以低重复频率的光纤被动自锁模振荡源为基础，采用耦合器和延迟线这样的无源器件构成的延迟单元，通过时间延迟进行脉冲自然内插得方法，便可获得高重复频率激光脉冲。
比较简单的做法是多个级联的延迟单元延迟的预定时间为其相邻上级延迟单元延迟的预定时间的2倍。
假设高重频光纤激光振荡源输出的高重频光纤激光脉冲的周期为T，那么第一级延迟单元的延迟时间为T，其它延迟单元的延迟时间依次是2T、4T、8T等。
类似地，还可以采用输出频率为40.125MHZ的低频振荡源，重复频率是1.2GHz的1/32，经过延迟时间分别为T、2T、4T、8T和16T的5个延迟单元，最终得到频率为1.3GHZ的高重频光纤激光脉冲。
采用本发明的生成高重复频率激光脉冲，由于其采用对低频振荡源生成的脉冲延迟内插，有源部分仅为低频振荡源，整个系统更加稳定可靠。尽量设计重复频率是选用的低频振荡源的2的倍数，这样结构比较简单。如果不是2的倍数，延迟单元结构将比较复杂。
本发明关键是采用了创新方法对延迟时间检测，也就是，对延迟偏离理想位置的激光脉冲，进行双脉冲的光学自相关检测，确定延迟单元的延迟量，使得延迟单元延迟时间，达到亚皮秒精度。
上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本技能就能实现的，因此不需在此具体说明。
本发明的目的还可以通过光学相关方法制作严格时间延迟的延迟线，进而使用延迟线实现高重复频率振荡源。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供实现所述方法或者设备来实现。也就是说，这样的相似制作延迟线的方法也构成本发明，因此也没有必要在此一一列举。
在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (8)

1.一种高重复频率激光脉冲生成和延迟时间校准方法，包括：
低重复频率激光振荡源产生低重复频率的激光脉冲；
多个级联的延迟单元分别将输入本级延迟单元的激光脉冲分成两路，使其中一路延迟一段预定的延迟时间后再与另一路耦合后输出；
通过高重复频率激光振荡源和光学自相关仪分别检测每个所述延迟单元输出的激光脉冲的光学输出特征，并根据各所述光学输出特征校准各所述延迟时间；
校准后的所述多个级联的延迟单元输出高重复频率激光脉冲；
其中，所述多个级联的延迟单元的第一级延迟单元与所述低重复频率激光振荡源相连，各级延迟单元依次串联；
各级所述延迟单元在进行所述检测和所述校准时，输入端接入所述高重复频率激光振荡源,输出端接入所述光学自相关仪；
所述高重频激光振荡源的重复频率不低于所生成的高重复频率脉冲的频率；
所述高重频激光振荡源的重复频率为2的倍数，使两路激光脉冲耦合后形成双脉冲相关信号；
根据所述双脉冲相关信号的光学输出特征，校准所述延迟时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述双脉冲相关信号的光学输出特征，在所述光学自相关仪扫描时的重合程度不同，在所述光学自相关仪中形成不同形状的脉冲相关曲线。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述激光脉冲的精度为皮秒级，所述延迟时间的精度为亚皮秒级。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
每个所述延迟单元包括耦合器、可调延迟线和延迟光纤；
所述耦合器用于将输入本级延迟单元的激光脉冲分成两路，以使其中一路延迟一段预定的延迟时间后再与另一路耦合，形成两倍数量的输出脉冲；
所述延迟光纤用于将所述耦合器输出的一路激光脉冲延迟一段预定的延迟时间，再与另一路耦合；
所述可调延迟线用于调节所述延迟时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述低重复频率激光振荡源为光纤被动锁模振荡源。
6.根据权利要求1-5任意一项所述方法，其特征在于：
每级所述延迟单元预定的延迟时间为所述高重频激光振荡源输出光脉冲周期的整数倍。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述第一级延迟单元的预定的延迟时间为所述高重频光纤激光振荡源输出的高重频光纤激光脉冲的周期；
各级延迟单元的预定的延迟时间为相邻上级延迟单元预定的延迟时间的2倍。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述高重频激光振荡源的重复频率是所述低重复频率振荡源的重复频率的2N倍；
其中，N为所述延迟单元的数量；
所述各级延迟单元自第一级延迟单元起，每级延迟单元分别对所输入的激光脉冲延迟T，2T，4T，8T，…，2N-1T；
其中，T为输出的高重频激光脉冲的周期。
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