CN106526575B - 一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统 - Google Patents

Abstract

一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统包括激光主光源(1)，延时单元(2)，时间同步监测探测器(3)，数字锁相单元(4)，以及同步控制单元(5)。本发明系统通过数字锁相单元(4)的反馈信号来指导延时单元(2)进行高精度的光脉冲延时，能够解决量子增强激光探测时泵浦光、信号光、本振光三者需同时满足时间同步和保持脉冲相干特性的问题，延时单元(2)采用光纤或者法布里‑玻罗干涉腔进行固定延时调制，体积小且集成度高。

Description

一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统

技术领域

本发明属于量子增强激光探测领域以及脉冲序列的时间同步领域，特别是涉及一种将同源的激光脉冲同步的方法。

背景技术

随着对现有经典遥感载荷的成像能力，以及发现、识别、区分目标能力的需求的日益激增，量子成像技术因为其在突破经典光学遥感理论极限的潜在应用而受到广泛关注。经典成像技术考虑光的传播和光与物质的相互作用都是线性的，可以用经典电磁场理论进行描述。与经典成像技术对比，量子成像是利用一些无法用经典电磁场理论描述的非线性相互作用对光场进行调制从而成像，相关的辐射场或者探测过程必须依靠量子力学理论来描述。所以量子成像在辐射源或探测过程中至少存在一项隶属于非经典相互作用过程，即要么采用非经典辐射源，要么采用量子探测手段，整个成像过程存在非线性相互作用。

自2007年起，麻省理工学院和Raytheon BBN Technologies公司联合开展了一种量子增强型激光雷达的研究，这是一种在经典的相干测量雷达的接收光学系统和探测器之间插入量子成像增强模块的量子增强激光雷达。这种新型的激光雷达包含两部分，一部分是能够重现进入光学口径的高频信息的压缩真空态注入单元(SVI)，另一部分是能够提高零拍测量探测器的探测效率的相位敏感放大单元(PSA)。量子增强激光雷达采用脉冲激光作为信号的载体，在SVI单元中的脉冲压缩真空态和PSA单元中的脉冲信号的相位敏感放大都是非线性过程，相干测量雷达采用平衡零拍探测体制，均要求泵浦光、信号光、本振光之间保持良好的相干特性。为解决这个难题，相互作用的泵浦光脉冲、信号光脉冲、本振光脉冲必须同源，即来自于脉冲激光主光源的同一个脉冲。当信号光脉冲与泵浦光脉冲、本振光脉冲不同源时，三者的相干性将大幅下降，无法满足非线性过程和平衡零拍探测过程的要求。

现有的激光脉冲时间同步技术能够解决来自两个独立的激光器系统的泵浦光和信号光的同步，主要手段包括锁腔和精密电子控制技术相结合的方法，以及基于光学参量放大的全光学方法。若泵浦光、信号光来自不同的激光器系统，两者之间没有稳定的相位，虽然可以实现经典的非线性过程，如参量放大等，但是无法实现具有量子性质的非线性过程，如真空压缩光的制备、相位敏感放大过程。

在量子增强激光雷达探测中，要求到达非线性晶体的信号光脉冲、泵浦光脉冲是同源脉冲。但是，信号光脉冲经量子增强激光雷达的发射机发射，与本地的泵浦光脉冲和本振光脉冲具有不同的路径，存在光程差，需要采取措施来消除光程差造成的不同步问题。由于泵浦光脉冲、信号光脉冲同源，所以无法通过锁腔的方式进行同步。并且，不同路径引起的光程差也无法通过基于光学参量放大的全光学方法来补偿。那么，如何精确控制同源的泵浦光脉冲、本振光脉冲和信号光脉冲在同一时间抵达SVI单元、PSA单元的非线性晶体以及平衡零拍探测系统，是实现量子增强激光雷达的一个关键问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，能够精确控制同源的泵浦光脉冲、本振光脉冲和信号光脉冲在同一时间抵达SVI单元、PSA单元的非线性晶体以及平衡零拍探测系统，以满足量子增强激光探测对泵浦光、本振光、信号光的相干要求，提供了一种解决同源激光脉冲序列的精确同步问题的方案。

本发明的技术解决方案是：一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，包括激光主光源、延时单元、时间同步监测探测器、数字锁相单元以及同步控制单元；激光主光源产生一列脉冲相干光，经分束器分为两束光，一束作为本振光和泵浦光，一束作为信号光，延时单元位于本振光和泵浦光所在的光路中，延时单元接收同步控制单元的控制指令，引起本振光和泵浦光的时间延迟；时间同步监测探测器对本振光、泵浦光以及信号光进行探测，转换成电信号后输出给数字锁相单元，数字锁相单元通过将本振光、泵浦光与信号光进行数字鉴相，输出相位误差，指导同步控制单元对延时单元发出新的指令，使得泵浦光、信号光、本振光三者达到时间同步并且保持相干特性。

所述的延时单元包括自由空间延时部分、基于光开关的光纤延时部分和固定延时部分，其中固定延时部分为两种类型，一种是基于光纤的固定延时部分，另一种是基于法布里-玻罗干涉腔的固定延时部分。

所述的自由空间延时部分采用高精度电控平移台调整光在自由空间中传播的光程，实现高精度延时功能。

所述的基于光开关的光纤延时部分由光开关和光纤段组成，通过控制光开关的切换使得信号通过不同长度的光纤，获得不同长度的时间延迟，其中光纤段采用保偏光纤。

所述的基于光纤的固定延时部分由光纤环形器、光纤极化分束器、法拉第光纤旋转镜、光纤反射镜和光纤段组成，实现对线偏振光的延时，其中光纤段采用保偏光纤，线偏振光是P偏振光。

所述的基于法布里-玻罗干涉腔的固定延时部分由高品质的法布里-玻罗干涉腔组成，控制激光在腔中反复循环多次实现延时，其中激光的频率与法布里-玻罗干涉腔的共振频率相等。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明系统的延时单元可以对同源的两列脉冲的光程差进行连续调制和离散调制，体积小且调制灵活，经延时单元同步后的脉冲将保持高度的相干特性。

(2)本发明系统采取数字锁相单元来实现泵浦光脉冲、本振光脉冲和信号光脉冲的高精度同步，成本低，结构简单。

附图说明

图1为本发明一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统示意图；

图2为本发明将光纤作为固定延时部分的延时单元2的组成示意图；

图3为本发明将法布里-玻罗干涉腔作为固定延时部分的延时单元2的组成示意图；

图4为本发明数字锁相单元4的工作原理框图；

图5为本发明在实现相位敏感放大PSA的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本发明所描述的是一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，能够促使同源的泵浦光、信号光和本振光在非线性晶体或者平衡零拍探测器处达到时间同步。

这种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统如图1所示，包括激光主光源1，延时单元2，时间同步监测探测器3，数字锁相单元4以及同步控制单元5，其中激光主光源1经分束器分为两束光，一束作为本振光和泵浦光，一束作为信号光；延时单元2位于本振光和泵浦光的光路中，用于改变本振光和泵浦光的光程；时间同步监测探测器3对从光路中分出的一部分本振光、泵浦光和信号光进行探测，转换成电信号送入数字锁相单元4分析，输出两列脉冲的相位的误差信号，指导同步控制单元5对延时单元2发出指令，实现高精度同步。

图2中示出的是本发明将光纤作为固定延时部分的延时单元2的组成示意图，此类型的延时单元2包括自由空间延时部分6、基于光开关的光纤延时部分7和基于光纤的固定延时部分8。自由空间延时部分6由一个电控平移台控制，对光延时进行连续的调制。基于光开关的光纤延时部分7由许多光开关和光纤段组成，这里以四个光开关相互串联为例说明，如图2所示，由光纤段11、13、15、17，光开关10、12、14、16和光纤耦合器18组成，对光延时进行离散地调制。定义Δτ为单位延时，光纤段11、13、15、17的长度分别为Δτ、2Δτ、4Δτ、8Δτ，通过光开关10、12、14、16选通上下支路，促使不同长度的光纤段自由组合，实现间隔为Δτ的从0至15Δτ的光程离散调制。基于光纤的固定延时部分8包括光纤环形器19，光纤极化分束器20，光纤段21、23，法拉第光纤旋转镜22，以及光纤反射镜24。光纤段21的长度为ΔL₁，光纤段23的长度为ΔL₂，当光开关18输出的入射光通过光纤环形器19进入光纤极化分束器20。入射光是P偏振的线偏振光，经过光纤极化分束器20、光纤段21，与法拉第光纤旋转镜22作用后反射，第二次经过光纤段21。法拉第光纤旋转镜22将入射光的偏振从P偏振转变为S偏振。当光第二次通过光纤极化分束器20时，被光纤极化分束器20反射进入光纤段23。此后，光经光纤段23，由光纤反射镜24反射，第二次进入光纤段23，此时偏振仍为S偏振，经光纤极化分束器20反射，第三次通过光纤段21，由法拉第光纤旋转镜22反射，光的偏振变为P偏振，并第四次通过光纤段21，从光纤极化分束器20透射后，第二次进入光纤环形器，从光纤环形器19的下一个出口输出。在固定长度的光纤延时部分中，光四次通过光纤段21，二次通过光纤段23，因此基于光纤的固定延时部分8总的光程延时长度为4ΔL₁+2ΔL₂。

图3中示出的是本发明将法布里-玻罗干涉腔作为固定延时部分的延时单元2的组成示意图。图3所示的延时单元2，包括自由空间延时部分6、基于光开关的光纤延时部分7和法布里-玻罗干涉腔25。与图2相比，区别仅限于固定延时部分，将光纤替换成了法布里-玻罗干涉腔25。定义法布里-玻罗干涉腔25的腔长为L₃，根据需求设计腔长、腔镜的尺寸和反射系数，激光能够在法布里-玻罗干涉腔25进行M次往返，以实现长度为M×L₃的光程调制。

数字锁相单元4的工作原理如图4所示。时间同步监测探测器3输出的本振光、泵浦光的电信号和信号光电信号分别作为待测信号和参考信号。本振光、泵浦光的电信号通过带通放大器26和脉冲整形器27，转化成上升沿触发的方波信号，方波信号的占空比为50％。信号光的电信号通过带通放大器28和脉冲整形器29，转化成占空比为50％的方波信号。两路方波信号送入数字鉴相器30，再经低通滤波器31输出与相位相关的电压信号，通过A/D转换32输出相位差信号。相位差信号送入同步控制单元5进行分析，由同步控制单元5控制延时单元2对本振光、泵浦光进行延时，实现本振光、泵浦光与信号光同步。

下面结合实例对本发明一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统进行详细说明。如图5所示，分析量子增强激光探测的脉冲时间同步系统在实现相位敏感放大PSA的具体方案。量子增强激光探测装置主要包括：激光主光源1，延时单元2，时间同步监测探测器3，数字锁相单元4，同步控制单元5，望远镜发射接收光学天线39，二维扫描单元40，二次谐波产生单元42，相位敏感放大单元50，平衡零拍探测单元56，平衡零拍伺服控制单元63以及信号处理单元64。

激光主光源1发射波长为1064nm，1MHz重复频率的基频光，并且基频光为线偏振光。半波片33和极化分束器34组成基频光的分束器，基频光的P偏振组分经极化分束器34透射，作为泵浦光和本振光，基频光的S偏振组分经极化分束器34反射，作为信号光。，经极化分束器34透射的的P偏振光，即泵浦光和本振光，通过延时单元2产生光延时，经半波片35，偏振方向由P偏振转换成含有P偏振组分和S偏振组分的线偏振光。其中，S偏振组分的1064nm线偏振光经过二次谐波单元42转化成532nm的S偏振倍频光，作为相位敏感放大单元50的泵浦光，P偏振组分的1064nm线偏振光经过二次谐波单元42，但不与非线性晶体相互作用，作为平衡零拍探测单元56的本振光。图5中，波长为532nm的激光如灰色实线所示，波长为1064nm的激光如黑色实线所示。透镜41和43用于对进入二次谐波单元42的高斯光束的束腰进行调制。二色分光镜44对532nm倍频光透射，对1064nm基频光反射。

经极化分束器34反射的S偏振光作为信号光，经折转镜36、极化分束器37、半波片38、望远镜发射接收光学天线39和二维扫描单元40向目标发射。极化分束器37对S偏振光透射，对P偏振光反射。信号光经目标反射后，第二次通过半波片38，促使极化方向由S偏振改为P偏振，再经极化分束器37反射，与发射光路分离，经折转镜45和48进入量子增强激光探测装置的相位敏感放大部分。

透镜49和51调制信号光的束腰，透镜46和51调制泵浦光的束腰，将信号光、泵浦光一齐耦合入相位敏感放大单元50。二色分光镜47用于将532nm的泵浦光和1064nm的信号光合束。相位敏感放大单元50是一个非线性过程，它要求进入的泵浦光、信号光时间同步，且具有稳定的相位。为实现该目的，分束器52对信号光、泵浦光进行分束，从光路中分出5％的能量用于同步监测。用于同步监测的信号光、泵浦光经二色分光镜53分离，分别通过时间同步监测探测器3和数字锁相单元4，检出相位差信号，并通过同步控制单元5对延时单元2发出指令，实现泵浦光、信号光的同步。信号光和泵浦光同步后，经相位敏感放大单元50，能够得到高增益的信号光，同时不会引入外部噪声。

从相位敏感放大单元50输出的信号光和泵浦光除了少部分用于同步监测，95％的能量通过二色分光镜54，所有的泵浦光被反射到光收集器57中，信号光继续传播，与本振光在平衡零拍探测单元56处汇合。平衡零拍探测单元56包括分束器58，两个探测器59和60，以及减法器61。信号光和本振光通过分束器58进行50:50分束，然后两路光分别被探测器59，60探测，探测器的电信号通过减法器61差分处理，送至信号处理单元64进行分析和显示。由于平衡零拍探测是一种依赖于位相的探测，在测量信号的不同状态时，需要改变参考光和信号光的位相差，这个过程可以通过平衡零拍伺服控制单元63调制压电陶瓷55、62来实现。如图5所示的带箭头的黑色点划线代表电信号及其指令方向。

由于平衡零拍探测技术要求信号光和本振光保持高度相干性，因此信号光和本振光也需要满足时间同步。由于本振光和泵浦光来自同一个激光主光源1，并且通过相同的延时单元2，两者在量子增强激光探测装置内部的光程能够通过调整光学元件的位置达到严格一致，因此信号光和本振光的同步可以等效成信号光和泵浦光的同步。

量子增强激光探测的延时单元2有两种类型供选择，具体由未同步时信号光和泵浦光的初始光程差决定。图2所示的延时单元2，固定延时部分采用光纤，适用于初始光程差不超过50km的情况；图3所示的延时单元2，固定延时部分采用法布里-玻罗干涉腔，适用于初始光程差超过50km的情况。量子增强激光探测的延时单元2的固定延时部分对初始光程差进行粗调，自由空间延时部分6和基于光开关的光纤延时部分7对初始光程差进行细调。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，其特征在于：包括激光主光源(1)、延时单元(2)、时间同步监测探测器(3)、数字锁相单元(4)以及同步控制单元(5)；激光主光源(1)产生一列脉冲相干光，经分束器分为两束光，一束作为本振光和泵浦光，一束作为信号光，延时单元(2)位于本振光和泵浦光所在的光路中，延时单元(2)接收同步控制单元(5)的控制指令，引起本振光和泵浦光的时间延迟；时间同步监测探测器(3)对本振光、泵浦光以及信号光进行探测，转换成电信号后输出给数字锁相单元(4)，数字锁相单元(4)通过将本振光、泵浦光与信号光进行数字鉴相，输出相位误差，指导同步控制单元(5)对延时单元(2)发出新的指令，使得泵浦光、信号光、本振光三者达到时间同步并且保持相干特性。

2.根据权利要求1所述的一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，其特征在于：所述的延时单元(2)包括自由空间延时部分、基于光开关的光纤延时部分和固定延时部分，其中固定延时部分为两种类型，一种是基于光纤的固定延时部分，另一种是基于法布里-玻罗干涉腔的固定延时部分。

3.根据权利要求2所述的一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，其特征在于：所述的自由空间延时部分采用电控平移台调整光在自由空间中传播的光程，实现延时功能。

4.根据权利要求2所述的一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，其特征在于：所述的基于光开关的光纤延时部分由光开关和光纤段组成，通过控制光开关的切换使得信号通过不同长度的光纤，获得不同长度的时间延迟，其中光纤段采用保偏光纤。

5.根据权利要求2所述的一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，其特征在于：所述的基于光纤的固定延时部分由光纤环形器、光纤极化分束器、法拉第光纤旋转镜、光纤反射镜和光纤段组成，实现对线偏振光的延时，其中光纤段采用保偏光纤，线偏振光是P偏振光。

6.根据权利要求2所述的一种用于量子增强激光探测的脉冲时间同步系统，其特征在于：所述的基于法布里-玻罗干涉腔的固定延时部分控制激光在腔中反复循环多次实现延时，其中激光的频率与法布里-玻罗干涉腔的共振频率相等。