CN107036720A - 一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法及系统 - Google Patents
一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法和系统，所述方法包括：S1、测出待测脉冲实际时域信号和频域信号的幅值函数；S2、通过二分法预确定时域和频域的一阶线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数；S3、通过迭代法确定各阶啁啾系数，得到脉冲的时域相位与频域相位。通过测出脉冲的时域强度波形信息和光谱强度信息，然后利用迭代算法逐步确定各阶次的啁啾系数，不需要搭建复杂的干涉光路，不需要直接测量相位的仪器，只需要测出脉冲的时域强度波形信息和光谱强度信息，可以同时测量出时域和频域的线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数。
Description
技术领域
本发明涉及超短啁啾光脉冲领域，更具体地，涉及一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法与系统。
背景技术
超短激光脉冲，一般指亚纳秒到飞秒量级脉宽的光脉冲，以其超快和高峰值功率的特点而广泛应用于物理、化学、材料、生物、国防、工业加工等各个领域。超短脉冲一般通过锁模激光器的方式产生，脉冲由相位锁定的纵模相干叠加而形成，在实际的锁模激光器搭建和脉冲放大过程中受各种器件的影响，超短脉冲的各个纵模相位不可能完全锁定为一致，实际的超快脉冲必然存在相位的色散，即啁啾。特别在一些超快光学技术中，如啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，CPA)技术，脉冲的啁啾情况必须得到很好地控制以实现脉冲展宽、放大和压缩。
在现有的能够测量超短脉冲相位信息的技术中，具有代表性的有两种：第一，频率分辨光快门技术(Frequency Resolved Optical Gating，FROG)，该技术需要搭建光学延迟光路，将待测脉冲打入光学延迟光路得到不同延迟下的输出干涉信号的瞬时光谱，然后用一套复杂的二维相位还原算法反解出原脉冲的相位信息；第二，光谱剪切干涉电场重构(Spectral Phase Interferometry for DirectElectric-Field Reconstruction，SPIDER)技术，与FROG相比，SPIDER的测量只需在频域进行不需要延迟调节，但是干涉光路的结构由于需要加入展宽器而显得更复杂。
基于这两种主要技术，现在也有很多改进的方法，如申请公布号为CN104697647A的中国发明专利“超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置及测量方法”(申请号：201510079310.1)，以及申请公布号为CN1936523A的中国发明专利“基于SPIDER技术的超短光脉冲测量装置”(申请号：200610116811.3)等。这些技术方法都可以成功测量出啁啾脉冲的频域相位信息，而没能直接测出时域相位信息。另外，现有的这些方法都需要搭建干涉光路和利用还原算法进行复杂的数据处理，这些复杂性不仅带来了成本还限制了工作效率和诊断能力。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法和系统，解决了现有技术中测量方法复杂、数据处理繁琐导致的工作效率低及测量能力不足的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法，包括：
S1、测出待测脉冲实际时域信号和频域信号的幅值函数；
S2、通过二分法预确定时域和频域的一阶线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数；
S3、通过迭代法确定各阶啁啾系数，得到脉冲的时域相位与频域相位。
作为优选的，所述步骤S2具体包括：
S21、预确定时域与频域的一阶线性啁啾系数；
S22、预确定时域与频域的N阶非线性啁啾系数；
S23、保持N阶非线性啁啾系数不动，重复确定小于N阶次的非线性啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S1中具体包括：
测出脉冲的时域强度信息信号和光谱强度频域强度信息信号；
将测量信号规范化得到实际时域信号和光谱频域信号的幅值函数。
作为优选的，所述步骤S21中，频域的一阶线性啁啾系数预确定方法具体包括：
将高阶啁啾系数设为零，分别预估出大于和小于实际啁啾的两个线性啁啾系数值作为频域或时域线性啁啾系数取值范围边界值；
分别作两个边值啁啾系数的频域信号逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与时域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定频域的一阶啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S21中，时域的一阶线性啁啾系数预确定方法具体包括：
将高阶啁啾系数设为零，取一个偏大和偏小的值作为频域时域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数的时域信号逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与频域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定时域的一阶啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S22中，预确定频域的N阶非线性啁啾系数具体包括：
保持已确定的各阶啁啾系数不变，分别预估出大于和小于实际啁啾的两个线性啁啾系数值作为N阶频域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数的频域信号的逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与时域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定频域的N阶啁啾系数；
保持N阶啁啾系数不变，重复确定小于N阶次的啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S22中，预确定时域的N阶非线性啁啾系数具体包括：
保持已确定的各阶啁啾系数不变分别预估出大于和小于实际啁啾的两个线性啁啾系数值作为N阶时域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数频域信号的逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与频域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定时域的N阶啁啾系数；
保持N阶啁啾系数不变，重复确定小于N阶次的啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S3具体包括：循环步骤S21至S23，直至理论的时域和频域强度信号与实际测量的时域与频域信号的偏差达到设定阈值范围，最终确定各阶次啁啾系数。
一种超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量系统，包括：
实际幅值函数获取模块，用于获取实际时域信号和频域信号的幅值函数；
啁啾系数确定模块，用于通过二分法和迭代法确定时域和频域的线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数。
本申请提出超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量方法和系统，通过测出脉冲的时域强度波形信息和光谱强度信息，然后利用迭代算法逐步确定各阶次的啁啾系数，不需要搭建复杂的干涉光路，不需要直接测量相位的仪器，只需要测出脉冲的时域强度波形信息和光谱强度信息。在确定某阶啁啾系数时，首先粗略估计啁啾系数的取值范围，在范围边界处的傅里叶变换谱与测得的时域波形和光谱作对比，通过比较两边界处的吻合度可以进一步缩小啁啾系数的取值范围，同时各阶系数相互迭代，将理论的傅里叶变换谱与实际的时域波形和光谱的吻合度收敛到容忍误差范围内，最终完成各阶啁啾系数的确定，即相位的测定，与现有技术中的还原算法相比，提高了工作效率和测量能力。
附图说明
图1为根据本发明实施例的超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法流程图；
图2为根据本发明实施例3的啁啾系数迭代求解算法程序框图；
图3为根据本发明实施例3的测量信号时域强度与算法解出波形强度与时域相位示意图；
图4为根据本发明实施例3的测量信号光谱强度与算法解出光谱强度与光谱相位示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，图中示出了一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法，包括：
S1、测出待测脉冲实际时域信号和频域信号的幅值函数；
S2、通过二分法预确定时域和频域的一阶线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数；
S3、通过迭代法确定各阶啁啾系数，得到脉冲的时域相位与频域相位。
作为优选的，所述步骤S2具体包括：
S21、预确定时域与频域的一阶线性啁啾系数；
S22、预确定时域与频域的N阶非线性啁啾系数；
S23、保持N阶非线性啁啾系数不动，重复确定小于N阶次的非线性啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S1中具体包括：
测出脉冲的时域强度信息信号和光谱强度频域强度信息信号，具体的，通过示波器测出待测脉冲波形信息，通过光谱仪测出待测脉冲的光谱信息；
将测量信号规范化得到实际时域信号和光谱频域信号的幅值函数。
在本实施例中，确定某阶啁啾系数时，首先粗略估计啁啾系数的取值范围，在范围边界处的傅里叶变换谱与测得的时域波形和光谱作对比，通过比较两边界处的吻合度可以进一步缩小啁啾系数的取值范围，同时各阶系数相互迭代，将理论的傅里叶变换谱与实际的时域波形和光谱的吻合度收敛到容忍误差范围内，最终完成各阶啁啾系数的确定，即相位的测定。
具体的，在所述步骤S21中，频域的一阶线性啁啾系数预确定方法具体包括：
将高阶啁啾系数设为零，取一个明显偏大和明显偏小的值作为频域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数的频域信号逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与时域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定频域的一阶啁啾系数。
在本实施例中，采用相同的方法，所述步骤S21中，时域的一阶线性啁啾系数预确定方法具体包括：
将高阶啁啾系数设为零，取一个明显偏大和明显偏小的值作为频域时域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数的时域信号逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与频域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定时域的一阶啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S22中，预确定频域的N阶非线性啁啾系数具体包括：
保持已确定的各阶啁啾系数不变，取一个明显偏大和明显偏小的值作为N阶频域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数的频域信号的逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与时域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定频域的N阶啁啾系数；
保持N阶啁啾系数不变，重复确定小于N阶次的啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S22中，预确定时域的N阶非线性啁啾系数具体包括：
保持已确定的各阶啁啾系数不变，取一个明显偏大和明显偏小的值作为N阶时域啁啾系数取值范围的边值；
分别作两个边值啁啾系数频域信号的逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与频域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定时域的N阶啁啾系数；
保持N阶啁啾系数不变，重复确定小于N阶次的啁啾系数。
作为优选的，所述步骤S3具体包括：循环步骤S21至S23，直至理论的时域和频域强度信号与实际测量的时域与频域信号的偏差达到设定阈值范围，最终确定各阶次啁啾系数。
实施例2
本实施例中提供了一种超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量系统，采用实施例1中所述的方法，包括：
实际幅值函数获取模块，用于获取实际时域信号和频域信号的幅值函数；
啁啾系数确定模块，用于通过二分法和迭代法确定时域和频域的线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数。
实施例3
本实施例中待测的是一个的百皮秒级的准单色啁啾脉冲，如图2所述，具体实施步骤如下：
首先分别用示波器和光谱仪测出脉冲的时域强度信息和光谱强度信息，将测量信号规范化得到实际时域信号和光谱信号的幅值函数。
假设测到的时域强度波形频域光谱强度经规范化后分别表示为I0t，I0ω，如图3和图4中所示；假设时域各阶啁啾系数Ct1，Ct2，Ct3…；光谱各阶啁啾系数Cω1，Cω2，Cω3…；设中心频率为ω0；记则实际的时域信号和频域信号应为：
二者应满足傅里叶变换对的关系：
时域相位和频域相位就是：
预确定时域与频域的一阶(线性)啁啾系数：先将高阶啁啾系数设为零，估计出一个明显偏小和明显偏大的频域啁啾系数分别代入实际频域信号公式，并作逆傅里叶变换，将得到的逆傅里叶变换谱Ft1，Ft2,将这两个傅里叶变换谱的幅值函数与时域幅值函数作比较并计算标准偏差D1(|Fω1|2,I0ω)，D2(|Fω2|2,I0ω)，标准偏差越小说明理论谱与实测谱吻合度较高，那么就可以运用二分法的思想不断向偏差较小的方向缩小取值范围而最终确定一阶啁啾系数。同理确定一阶时域啁啾系数。
接着预确定时域与频域的N(N>1)阶(非线性)啁啾系数：保持已经预确定的各阶啁啾系数不动，估计出一个明显偏小和明显偏大的N阶频域啁啾系数当作啁啾系数取值范围的边值，分别作取这两个啁啾系数的实际频域信号的逆傅里叶变换，将得到的逆傅里叶变换谱与时域幅值函数作比较并计算偏差，用二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围而最终确定N阶啁啾系数。同理确定N阶时域啁啾系数。作为一个实施例，这里认为确定到三阶啁啾系数即可以准确描述脉冲的相位信息，当然可以确定更高阶的啁啾系数达到更高精度的估计。
预确定完各阶次啁啾系数之后可以发现，上述算法在确定低阶啁啾系数时没有考虑高阶啁啾系数对它的影响，为了考虑各阶啁啾系数之间的相互影响是计算更精确，需要再加一层外迭代算法，即当N阶啁啾系数预确定后，保持N阶啁啾系数不动，其余条件不变，重复确定小于N阶次啁啾系数。不断循环进行上述过程，直到理论的时域和频域强度信号与实测的时域与频域信号的偏差随迭代过程收敛到容忍误差范围之内，最终确定各阶啁啾系数，即脉冲时域与光谱相位信息的测定，本次实施例测试结果如图3、图4所示。
本申请提出超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量方法和系统，通过测出脉冲的时域强度波形信息和光谱强度信息，然后利用迭代算法逐步确定各阶次的啁啾系数，不需要搭建复杂的干涉光路，不需要直接测量相位的仪器，只需要测出脉冲的时域强度波形信息和光谱强度信息。在确定某阶啁啾系数时，首先粗略估计啁啾系数的取值范围，在范围边界处的傅里叶变换谱与测得的时域波形和光谱作对比，通过比较两边界处的吻合度可以进一步缩小啁啾系数的取值范围，同时各阶系数相互迭代，将理论的傅里叶变换谱与实际的时域波形和光谱的吻合度收敛到容忍误差范围内，最终完成各阶啁啾系数的确定，即相位的测定，与现有技术中的还原算法相比，提高了工作效率和测量能力。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法，其特征在于，包括：
S1、测出待测脉冲实际时域信号和频域信号的幅值函数；
S2、通过二分法预确定时域和频域的一阶线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数；
S3、通过迭代法确定各阶啁啾系数，得到脉冲的时域相位与频域相位。
2.根据权利要求1所述的超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、预确定时域与频域的一阶线性啁啾系数；
S22、预确定时域与频域的N阶非线性啁啾系数；
S23、保持N阶非线性啁啾系数不动，重复确定小于N阶次的非线性啁啾系数，取代前一次确定的啁啾系数。
3.根据权利要求2所述的超短啁啾脉冲时域相位与频域相位测量方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括：
测出脉冲的时域强度信号和频域强度信号；
将测量信号规范化得到实际时域信号和频域信号的幅值函数。
4.根据权利要求1所述的超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量方法，其特征在于，所述步骤S21中，频域或时域的一阶线性啁啾系数预确定方法具体包括：
将高阶啁啾系数设为零，分别预估出大于和小于实际啁啾的两个线性啁啾系数值作为频域或时域线性啁啾系数取值范围边界值；
分别作两个边值啁啾系数的频域信号或时域信号逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与时域或频域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定频域或频域的一阶啁啾系数。
5.根据权利要求4所述的超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量方法，其特征在于，所述步骤S22中，预确定频域或时域的N阶非线性啁啾系数具体包括：
保持已确定的各阶啁啾系数不变，分别预估出大于和小于实际啁啾的两个线性啁啾系数值作为N阶频域或时域啁啾系数取值范围的边界初值；
分别作两个边值啁啾系数的频域信号或时域信号的逆傅里叶变换，得到对应的逆傅里叶变换谱；
将得到的逆傅里叶变换谱与时域幅值函数或频域幅值函数作比较并计算偏差，通过二分法不断向偏差较小的方向缩小取值范围，最终确定频域或时域的N阶啁啾系数；
保持N阶啁啾系数不变，重复确定小于N阶次的啁啾系数。
6.根据权利要求2所述的超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：循环步骤S21至S23，直至理论的时域和频域强度信号与实际测量的时域与频域信号的偏差达到设定阈值范围，最终确定各阶次啁啾系数。
7.一种超短啁啾时域脉冲相位与频域相位测量系统，其特征在于，包括：
实际幅值函数获取模块，用于获取实际时域信号和频域信号的幅值函数；
啁啾系数确定模块，用于通过二分法和迭代法确定时域和频域的线性啁啾系数和高阶的非线性啁啾系数。
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