CN108896192B - 基于单层石墨烯的脉冲自相关测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于单层石墨烯的超短脉冲自相关测量装置和测量方法，装置包括：沿待测脉冲光的方向依次是第一准直透镜和偏振分光镜，该偏振分光镜将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜、第二准直透镜、汇聚到单层石墨烯薄膜的公共点,该单层石墨烯薄膜贴在玻璃基底的前表面，沿第二路信号光方向依次是第二反射镜、可控延时反射镜、第三反射镜、第三准直透镜、汇聚于单层石墨烯薄膜的公共点并输出到光电探测器，该光电探测器的输出端经数据采集卡与计算机相连，该计算机的输出端与所述的可控延时反射镜的控制端相连。本发明简单结构，可以抑制现有自相关技术中非线性材料厚度导致的脉冲展宽，实现对超短脉冲宽度的自相关测量。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲宽度自相关测量，特别是一种基于单层石墨烯的超短脉冲自相关测量装置和测量方法。
背景技术
近些年来，由于超短脉冲在光通信、光传感、光雷达、微波光子学等方面的广泛应用，吸引了大批学者对脉冲宽度这一重要参数进行研究。自相关技术是一种广泛应用的对脉冲宽度进行测量的技术。自相关技术将脉冲分成两路，将两路脉冲共同作用于某种非线性介质，随着两路脉冲之间的延时改变，非线性介质本身产生的响应也相应改变，以此来对脉冲宽度进行测量。
目前自相关测量技术主要有2种：
方法1，是非线性介质采用倍频晶体，并用光电倍增管对晶体产生的脉冲信号倍频光进行探测。通过控制两路光脉冲的延时，产生的倍频光的功率会与延时相关。根据得到的倍频光功率与延时的关系曲线，可以推算出被测脉冲的宽度。这种方法需要对不同的入射波长调节不同的入射角度以实现倍频晶体所必要的相位匹配，并且晶体的厚度与色散限制了可以测量的最小脉冲宽度。倍频晶体和光电倍增管成本昂贵，导致整个系统价格昂贵。此外，该方案可集成性也较差。
方法2，是用具有双光子吸收效应的半导体探测器你替换方法1中的倍频晶体和光电倍增管。由于这些半导体探测器产生的光电流在一定功率区间内与输入的脉冲功率成比例，可以通过测量不同脉冲延时下的光电流图形，来推算脉冲的实际宽度。这种方法对光脉冲宽度的测量受到半导体器件本身波长和功率范围的限制。同时半导体材料的典型弛豫时间在皮秒至亚纳秒，微米级的厚度也一定程度上展宽了脉冲，限制了能够测量的最短脉冲宽度。
总之，以上的方法或者波长相关性大、成本较高、可集成性较差，或者对输入的脉冲波长和功率有限制，可测的最短脉宽有限。因此，需要一种综合改进的方法能够在兼顾高测量参数性能与低成本的同时，实现对脉冲宽度的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种超短脉冲自相关测量装置和测量方法。该装置具有简单的结构，可以抑制现有自相关技术中非线性材料厚度导致的脉冲展宽，实现无失真的超短脉冲宽度的自相关测量。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种超短脉冲自相关测量装置，其特点在于，包括：沿待测脉冲光的方向依次是第一准直透镜和偏振分光镜，该偏振分光镜将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜、第二准直透镜、汇聚到单层石墨烯薄膜的公共点,该单层石墨烯薄膜贴在玻璃基底的前表面，沿第二路信号光方向依次是第二反射镜、可控延时反射镜、第三反射镜、第三准直透镜、汇聚于单层石墨烯薄膜的公共点并输出到光电探测器，该光电探测器的输出端经数据采集卡与计算机相连，该计算机的输出端与所述的可控延时反射镜的控制端相连。
利用上述超短脉冲自相关测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：
1)将待测光脉冲输入到第一准直透镜的输入端，经偏振分光棱镜分成两路：一路光经过第一反射镜、第二准直透镜汇聚到单层石墨烯薄膜的公共点，另一路光经第二反射镜、可控延时反射镜、第三反射镜、第三准直透镜、汇聚于单层石墨烯薄膜的公共点并输出至所述的光电探测器；
2)所述的计算机输出控制信号，控制所述的可控延时反射镜的延时到最小延时，所述的计算机经所述的数据采集卡读取所述的光电探测器的数据；
3)所述的计算机控制所述的可控延时反射镜增加延时Δt，并经所述的数据采集卡读取所述的光电探测器的数据，重复此步骤，直到所述的可控延时反射镜的延时达到最大值；
4)所述的计算机绘制不同延时与从数据采集卡得到的数据的关系曲线，计算得到曲线的半高全宽值，然后应用理论计算的脉冲演化关系，得到待测超短脉冲宽度的实际值。
所述的单层石墨烯薄膜具有约2％的调制深度。
本发明的原理是通过利用可控延时反射镜控制两路光脉冲信号的相对延时，使得在单层石墨烯薄膜公共点汇聚合并的脉冲的峰值功率随着延时的不同而变化。这样由于石墨烯饱和吸收特性，不同的峰值功率具有不同的透过率。随后，通过光电探测器测量一路光脉冲的功率值，得到延时与功率的曲线。然后应用理论计算的脉冲演化关系，得到待测超短脉冲宽度的实际值，实现无失真的超短脉冲测量。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明利用单层石墨烯的宽带吸收，可以在400nm到2μm内实现饱和吸收。而单层石墨烯具有单原子层厚度，使其对透过的脉冲宽度几乎不会产生影响，故可实现对飞秒级极短脉冲宽度的无失真测量。且石墨烯可以很方便的与空间光系统、光纤系统和集成光子系统相结合，具有广泛的适用性。相比于背景技术中的方法1(基于倍频晶体和光电倍增管的方法)，本发明不需要根据不同脉冲波长而调节光路，只需要普通的光电探测器，不需要成本很高的光电倍增管，单原子层厚度的石墨烯薄膜相比几十微米的倍频晶体对脉冲宽度的影响更小。相比于背景技术中的方法2(采用双光子吸收的方法)，本发明因为石墨烯的单原子层厚度，对脉冲宽度影响更小，可测量更窄的脉冲。
附图说明
图1是本发明基于单层石墨烯薄膜的脉冲自相关测量装置的结构图。
图中,1-第一准直透镜，2-偏振分束镜，31-第一反射镜，32-第二反射镜，33-第三反射镜，4-可控延时反射镜，51-第二准直透镜，52-第三准直透镜，6-单层石墨烯薄膜，61-基底玻璃，7-光电探测器，8-数据采集卡，9-计算机。
图2是基于单层石墨烯薄膜的脉冲自相关测量的原理图，其中(a)为被偏振分束镜分束的具有可控延时差的两束脉冲；(b)为分束的脉冲合并，不同的延时导致合并脉冲具有不同的峰值功率；(c)合并脉冲通过石墨烯薄膜，根据峰值功率的大小获得不同的透射率；(d)对特定脉冲，探测器测到的平均功率与脉冲间延时的示意图。
图3是脉冲自相关测量的输出图和对应的实际脉冲的转换图，其中(a)为实验测得的脉冲波形图与理论拟合曲线；(b)为实际被测量脉冲与光电探测器测量结果的理论对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于单层石墨烯薄膜的脉冲自相关测量装置的结构图，由图可见，本发明超短脉冲自相关测量装置，包括：沿待测脉冲光的方向依次是第一准直透镜1和偏振分光镜2，该偏振分光镜2将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜31、第二准直透镜51、汇聚到单层石墨烯薄膜6的公共点,该单层石墨烯薄膜6贴在玻璃基底61的前表面，沿第二路信号光方向依次是第二反射镜32、可控延时反射镜4、第三反射镜33、第三准直透镜52、汇聚于单层石墨烯薄膜6的公共点并输出到光电探测器7，该光电探测器7的输出端经数据采集卡8与计算机9相连，该计算机9的输出端与所述的可控延时反射镜4的控制端相连。
利用上述超短脉冲自相关测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：
1)将待测光脉冲输入到第一准直透镜1的输入端，经偏振分光棱镜2分成两路：一路光经过第一反射镜31、第二准直透镜51汇聚到单层石墨烯薄膜6的公共点，另一路光经第二反射镜32、可控延时反射镜4、第三反射镜33、第三准直透镜52、汇聚于单层石墨烯薄膜6的公共点并输出至所述的光电探测器7；
2)所述的计算机9输出控制信号，控制所述的可控延时反射镜4的延时到最小延时，所述的计算机9经所述的数据采集卡8读取所述的光电探测器7的数据；
3)所述的计算机9控制所述的可控延时反射镜4增加延时Δt，并经所述的数据采集卡8读取所述的光电探测器7的数据，重复此步骤，直到所述的可控延时反射镜4的延时达到最大值；
4)所述的计算机9绘制不同延时与从数据采集卡8得到的数据的关系曲线，计算得到曲线的半高全宽值，然后应用理论计算的脉冲演化关系式，得到待测超短脉冲宽度的实际值。
下面是实施例参数的说明：
所述的单层石墨烯薄膜6，通过化学气相沉积法制备，具有饱和吸收特性，且工作在非线性区间，工作波段为石墨烯饱和吸收体薄膜6的吸收波段。本发明的优选实例中，所述的石墨烯饱和吸收薄膜6具有约2％的调制深度。
所述的玻璃基底61对石墨烯起支撑作用，在被测脉冲的带宽内呈高透射特性。本发明的优选实例中，玻璃基底选用厚度为100微米的石英基底，两面抛光。
所述的光电探测器7是商用光电探测器，电信号输出，输出接口为BNC接口。本发明的优选实例中，光电探测器7的有效面积直径0.2毫米，最大转换增益为9×106V/W，可探测波长为900nm到1700nm。
所述的可控延时反射镜4是空间光工作。本发明的优选实例中，可控延时反射镜4是商用的可编程调节延时反射镜，具有与计算机连接的通信接口，由计算机输出控制参数，可调延时范围是0-300皮秒。
所述的数据采集卡8采集光电探测器7的数据并量化编码后传输至计算机9。在本发明的优选实例中，数据采集卡8是商用可编程开发板，具有连接光电探测器输出的接口和与计算机通信的接口，可以实现数据的量化、编码和传输。
所述的计算机9具有与所述可控延时反射镜4和数据采集卡8的通信接口，能实现远程参数控制与数据读取。
步骤1中，第一反射镜31所在的第一光路与可控延时反射镜4所在的第二光路以一定角度汇聚于石墨烯薄膜6。在本发明的优选实例中，两路光的夹角为30o。
图2给出了基于石墨烯饱和吸收体的脉冲宽度测量的原理图。通过控制两束脉冲间的延时(图2(a))，来改变脉冲合并后的峰值功率(图2(b))。而具有不同峰值功率的合并脉冲通过石墨烯薄膜时会获得不同的透射率(图2(c))，利用探测器探测其中一路脉冲的平均功率，可以绘制出不同脉冲延时的功率变化曲线，然后结合理论模型，即可推算出输入脉冲的实际宽度。
图3(a)给出了一个典型的系统测量输出，横坐标为延时，纵坐标为探测器测得的信号幅度。图3(b)给出了理论计算结合仿真得到的实验波形脉宽与实际输入脉冲宽度的对应关系。
Claims (2)
1.一种超短脉冲自相关测量装置，其特征在于，包括：沿待测脉冲光的方向依次是第一准直透镜(1)和偏振分光镜(2)，该偏振分光镜(2)将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次经第一反射镜(31)、第二准直透镜(51)、汇聚到单层石墨烯薄膜(6)的公共点,该单层石墨烯薄膜(6)贴在玻璃基底(61)的前表面，沿第二路信号光方向依次经第二反射镜(32)、可控延时反射镜(4)、第三反射镜(33)、第三准直透镜(52)、汇聚于单层石墨烯薄膜(6)的公共点并输出到光电探测器(7)，该光电探测器(7)的输出端经数据采集卡(8)与计算机(9)相连，该计算机(9)的输出端与所述的可控延时反射镜(4)的控制端相连。
2.利用权利要求1所述的超短脉冲自相关测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将待测光脉冲输入到第一准直透镜(1)的输入端，经偏振分光棱镜(2)分成两路：一路光经过第一反射镜(31)、第二准直透镜(51)汇聚到单层石墨烯薄膜(6)的公共点，另一路光经第二反射镜(32)、可控延时反射镜(4)、第三反射镜(33)、第三准直透镜(52)、汇聚于单层石墨烯薄膜(6)的公共点并输出至所述的光电探测器(7)；
2)所述的计算机(9)输出控制信号，控制所述的可控延时反射镜(4)的延时到最小延时，所述的计算机(9)经所述的数据采集卡(8)读取所述的光电探测器(7)的数据；
3)所述的计算机(9)控制所述的可控延时反射镜(4)增加延时Δt，并经所述的数据采集卡(8)读取所述的光电探测器(7)的数据，重复此步骤，直到所述的可控延时反射镜(4)的延时达到最大值；
4)所述的计算机(9)绘制不同延时与从数据采集卡(8)得到的数据的关系曲线，计算得到曲线的半高全宽值，然后应用理论计算的脉冲演化关系，得到待测超短脉冲宽度的实际值。
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