CN110186577A - 超快光场的信息实时测量系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种超快光场的信息实时测量系统，包括连续级联式时间透镜光路、第一光谱分光部件、第一光电探测阵列、时间透镜时频变换光路、第二光电探测阵列、时域拉伸单模光纤、第二光谱分光部件和第三光电探测阵列；其中，采用连续级联式时间透镜光路、第一光谱分光部件和第一光电探测阵列测量超快光场信号中各个空间点位置的时域信息；采用时间透镜时频变换光路、第二光电探测阵列测量超快光场信号中连续光部分的第一频域信息；采用时域拉伸单模光纤、第二光谱分光部件和第三光电探测阵列测量超快光场信号中脉冲光部分的第二频域信息。采用上述超快光场的信息实时测量系统能够实现对超快光场信号时域信息和各类频域信息的实时测量。
Description
技术领域
本申请涉及超快信号测量技术领域，特别是涉及一种超快光场的信息实时测量系统。
背景技术
近年来，超快激光等超快光场(皮秒、飞秒时间量级的光场)在模拟多类跨尺度的物理学图景和过程中显现出巨大优势，能够重现仅在极端或临界条件下发生的物理学现象，如模拟天文学中黑洞和白洞视界、流体力学中怪波和湍流、热力学中玻色-爱因斯坦凝聚等。而对于这些过程的探测和表征对超快测量技术的时、频域分辨率、时域记录长度和实时性方面提出了很高的要求。
目前，基于较为成熟的FROG和SPIDER技术可以对超快光场的时频信息进行测量。这两类方法的时域分辨率均可达fs(飞秒)级别，时域测量范围约为10ps(皮秒)，时间带宽积约为104，能在一定程度上测量超快光场的时域等相关描述信息。但由于受限于其中采用算法的迭代速度和光谱仪等设备的帧速，传统测量方案的实时性较差。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实时获得超快光场的信息实时测量系统。
一种超快光场的信息实时测量系统，包括：连续级联式时间透镜光路、第一光谱分光部件、第一光电探测阵列、时间透镜时频变换光路、第二光电探测阵列、时域拉伸单模光纤、第二光谱分光部件和第三光电探测阵列；
连续级联式时间透镜光路将第一路信号进行时域放大，得到时域放大信号；第一光谱分光部件在时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；第一光电探测阵列将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到第一路信号各个空间点位置的时域信息；
时间透镜时频变换光路对第二路信号进行时间透镜时频变换处理；第二光电探测阵列将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第二路信号连续光部分的第一频域信息；
时域拉伸单模光纤对第三路信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；第二光谱分光部件对时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；第三光电探测阵列对解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第三路信号脉冲光部分的第二频域信息；上述第一路信号、第二路信号和第三路信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。
在一个实施例中，上述连续级联式时间透镜光路包括第一单模光纤、第一泵浦脉冲光源、第二单模光纤、第一高非线性光纤、第一光学滤波器和第一色散补偿光纤；
第一单模光纤对第一路信号进行第一色散处理，形成第一探测光；第一泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第一泵浦脉冲；第二单模光纤对第一泵浦脉冲施加第二色散处理，形成第一泵浦光；第一高非线性光纤为第一探测光和第一泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；第一光学滤波器将非线性参量过程产生的第一闲频光滤出；第一色散补偿光纤对第一闲频光进行第三色散处理，得到时域放大信号。
作为一个实施例，上述第一单模光纤的色散量、第二单模光纤的色散参数和第一色散补偿光纤的色散量满足如下成像关系式：
式中，Din表示第一单模光纤的色散量，Dout表示第一色散补偿光纤的色散量，Df表示第二单模光纤的色散参数，相应地，2Df表示第二单模光纤的色散量；
第一路信号的时域放大倍数M为：
作为一个实施例，上述第一泵浦脉冲光源的光谱带宽、第一泵浦脉冲光源的重复频率和第二单模光纤的色散参数，满足如下关系式：
式中，Ω表示第一泵浦脉冲光源的光谱带宽，Df表示第二单模光纤的色散参数，fp表示第一泵浦脉冲光源的重复频率。
在一个实施例中，上述时间透镜时频变换光路包括第三单模光纤、第二泵浦脉冲光源、第四单模光纤、第二高非线性光纤、第二光学滤波器和第二色散补偿光纤；
第三单模光纤对第二路信号施加第四色散处理，形成第二探测光；第二泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第二泵浦脉冲；第四单模光纤对第二泵浦脉冲施加第五色散处理，形成第二泵浦光；第二高非线性光纤为第二探测光和第二泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；第二光学滤波器将非线性参量过程产生的第二闲频光滤出；第二色散补偿光纤压缩第二闲频光，得到时间透镜时频变换处理后的信号。
作为一个实施例，上述第三单模光纤的色散量、第四单模光纤的色散参数和第二色散补偿光纤的色散量，满足如下关系式：
Φin＝Φout＝Φf，
式中，Φin表示第三单模光纤的色散量，Φout表示第二色散补偿光纤的色散量，Φf表示第四单模光纤的色散参数，相应地，2Φf表示第四单模光纤的色散量。
在一个实施例中，上述超快光场的信息实时测量系统还包括同步参考脉冲源、光学分路部件和融合终端；
同步参考脉冲源产生同步参考脉冲信号；光学分路部件将合束后的超快光场信号和同步参考脉冲信号分为第一路信号、第二路信号和第三路信号；
融合终端读取时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别包含的同步参考脉冲信号，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，在时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，得到融合信息。
作为一个实施例，上述超快光场的信息实时测量系统还包括模数转换器；
上述模数转换器将时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别转换为相应的数字化信号，并将转换得到的各个数字化信号输入融合终端。
作为一个实施例，上述同步参考脉冲源为皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器；
和/或，同步参考脉冲源的脉冲重复频率低于时间透镜时频变换光路中的脉冲光源频率；
和/或，光学分路部件为光纤型耦合器。
在一个实施例中，上述超快光场的信息实时测量系统还包括单频激光光源；
单频激光光源产生单频激光信号；单频激光信号用于与第一路信号合束；连续级联式时间透镜光路将合束后的信号进行时域放大，得到时域放大信号。
上述超快光场的信息实时测量系统，采用连续级联式时间透镜光路、第一光谱分光部件和第一光电探测阵列测量超快光场信号中各个空间点位置的时域信息；采用时间透镜时频变换光路、第二光电探测阵列测量超快光场信号中连续光部分的第一频域信息；采用时域拉伸单模光纤、第二光谱分光部件和第三光电探测阵列测量超快光场信号中脉冲光部分的第二频域信息，能够实现对超快光场信号时域信息、包括时间信息和空间信息的各类频域信息(如第一频域信息和第二频域信息)的实时测量，具有较高的时效性，提高了所测量的信息的准确性和完整性。
附图说明
图1为一个实施例中超快光场的信息实时测量系统的结构示意图；
图2为另一个实施例中超快光场的信息实时测量系统的结构示意图；
图3为另一个实施例中超快光场的信息实时测量系统的结构示意图；
图4为一个实施例的待测信号时域相对强度示意图；
图5为一个实施例中现有测量系统和本发明提供的测量系统分布对应的仿真结果对比示意图；
图6为现有测量系统的仿真结果示意图；
图7为一个实施例中本发明的测量系统对应的仿真结果示意图；
图8为一个实施例中皮秒脉冲在时域上的幅度和相位信息示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种超快光场的信息实时测量系统，包括：连续级联式时间透镜光路11、第一光谱分光部件12、第一光电探测阵列13、时间透镜时频变换光路21、第二光电探测阵列22、时域拉伸单模光纤31、第二光谱分光部件32和第三光电探测阵列33；
连续级联式时间透镜光路11将第一路信号进行时域放大，得到时域放大信号；第一光谱分光部件12在时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；第一光电探测阵列13将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到第一路信号各个空间点位置的时域信息；
时间透镜时频变换光路21对第二路信号进行时间透镜时频变换处理；第二光电探测阵列22将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第二路信号连续光部分的第一频域信息；
时域拉伸单模光纤31对第三路信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；第二光谱分光部件32对时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；第三光电探测阵列33对解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第三路信号脉冲光部分的第二频域信息；上述第一路信号、第二路信号和第三路信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。
上述第一光电探测阵列13、第二光电探测阵列22和第三光电探测阵列33分别为高速光电探测阵列，能高效地将输入的相应信号转换为相应电信号，以便于相应信息(如时域信息、第一频域信息和第二频域信息)的识别和其他处理。上述时间透镜时频变换光路21为高刷新率时间透镜时频变换光路，可以提高时间透镜时频变换处理的时效性。上述时域拉伸单模光纤31可以为第三色散补偿光纤或啁啾光纤布拉格光栅，以顺利对第三路信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换。
上述超快光场的信息实时测量系统，采用连续级联式时间透镜光路11、第一光谱分光部件12和第一光电探测阵列13测量超快光场信号中各个空间点位置的时域信息；采用时间透镜时频变换光路21、第二光电探测阵列22测量超快光场信号中连续光部分的第一频域信息；采用时域拉伸单模光纤31、第二光谱分光部件32和第三光电探测阵列33测量超快光场信号中脉冲光部分的第二频域信息，能够实现对超快光场信号时域信息、包括时间信息和空间信息的各类频域信息(如第一频域信息和第二频域信息)的实时测量，具有较高的时效性，提高了所测量的信息的准确性和完整性。
在一个实施例中，上述连续级联式时间透镜光路包括第一单模光纤、第一泵浦脉冲光源、第二单模光纤、第一高非线性光纤、第一光学滤波器和第一色散补偿光纤；
第一单模光纤对第一路信号进行第一色散处理，形成第一探测光；第一泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第一泵浦脉冲；第二单模光纤对第一泵浦脉冲施加第二色散处理，形成第一泵浦光；第一高非线性光纤为第一探测光和第一泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；第一光学滤波器将非线性参量过程产生的第一闲频光滤出；第一色散补偿光纤对第一闲频光进行第三色散处理，得到时域放大信号。
第一路信号可以直接或者与单频激光信号合束后输入第一单模光纤，使第一单模光纤对其进行色散Din，上述第一单模光纤的色散量Din也可以称为连续级联式时间透镜光路的“物距”。上述第一泵浦脉冲光源、第二单模光纤、第一高非线性光纤和第一光学滤波器相互协助，可以对第一色散处理后的光场信号(第一探测光)施加时域上的周期性二次相位调制上述周期性二次相位调制的频率为f，调制窗口宽度为Tf，能够实现时间透镜功能。具体地，连续级联式时间透镜光路的放大倍数M、周期性二次相位调制的频率f和调制窗口宽度Tf满足如下关系式：上述周期性二次相位调制的方法可以是电光型相位调制器或是基于啁啾脉冲序列的光参量频率转换过程。第二单模光纤的色散参数Df也可以称为相应时间透镜功能的“焦距”。
上述第一色散补偿光纤的色散量Dout也可以称为连续级联式时间透镜光路的“像距”。上述第一光学滤波器可以为光纤型带通滤波器或波分复用器，在连续级联式时间透镜光路中用于将非线性参量过程产生的闲频光滤出，以保证滤出效果。
作为一个实施例，上述第一单模光纤的色散量、第二单模光纤的色散参数和第一色散补偿光纤的色散量满足如下成像关系式：
式中，Din表示第一单模光纤的色散量，Dout表示第一色散补偿光纤的色散量，Df表示第二单模光纤的色散参数，相应地，2Df表示第二单模光纤的色散量；
第一路信号的时域放大倍数M为：
作为一个实施例，上述第一泵浦脉冲光源的光谱带宽、第一泵浦脉冲光源的重复频率和第二单模光纤的色散参数，满足如下关系式：
式中，Ω表示第一泵浦脉冲光源的光谱带宽，Df表示第二单模光纤的色散参数，fp表示第一泵浦脉冲光源的重复频率。
本实施例能够对第一路信号进行更为精准地时域放大，保证了所获得的时域放大信号的准确性。
在一个示例中，上述第一路信号可以直接或者和单频激光合束后输入连续级联式时间透镜光路，输入光场的表达式为：
在第一路信号与单频激光信号合束的情况下，er为单频激光的光场振幅，es(t)为第一路信号的幅度，为第一路信号的相位，Δω为第一路信号与单频激光信号的中心光频率差，Ain(t)表示第一路信号与单频激光合束后的信号，t为时间变量，i为虚数单位。基于时空对应原理，连续级联式时间透镜光路中输入端色散、泵浦端色散和输出端色散在满足成像关系的情况下可以实现M倍数的时域放大，如下式所示：
连续级联式时间透镜的泵浦端需满足：
其中，Ain(t)和Ain(ω)分别为第一路信号与单频激光信号合束后信号在时域和频域上的表达式，Aout(t)为连续级联式时间透镜光路的输出信号，符号表示时频域上的傅里叶变换，符号表示时频域上的傅里叶逆变换，t表示时间变量，ω表示频率变量，i为虚数单位，符号“∝”表示正比于，Din和Dout分别为连续级联式时间透镜光路中输入端色散介质(第一单模光纤)和输出端色散介质(第一色散补偿光纤)的色散量大小，Df表示所述周期性二次相位调制过程采用的调制参数，M表示放大倍数，Ω表示第一泵浦脉冲光源的光谱带宽，fp表示第一泵浦脉冲光源的重复频率。直接输入的第一路信号得到了时域放大，同时和单频激光合束后的相干光场信号在被时域放大后可以从时域的调制信号中利用傅里叶域滤波方法反推输入的超快光场信号。
由于长时间尺度的光场在经历时域放大后会出现信号时域交叠问题，本示例可以利用光谱分光的方法解耦输出端时域交叠信号。经连续级联式时间透镜光路的光场通过第一光谱分光部件得到解耦后的强度信号，如下式所示：
其中，H(ω-ω0)为频谱响应函数，ω0为中心频率，Aout(t)为连续级联式时间透镜光路的输出信号，Ain为第一路信号与单频激光合束后的信号，A(t；ω0)为经第一光谱分光附件后的输出信号。光谱分光后的信号被高速光电探测阵列接收并转换为电信号，实现时域信息的采集和记录，以获得第一路信号各个空间点位置的时域信息。
在一个实施例中，上述时间透镜时频变换光路包括第三单模光纤、第二泵浦脉冲光源、第四单模光纤、第二高非线性光纤、第二光学滤波器和第二色散补偿光纤；
第三单模光纤对第二路信号施加第四色散处理，形成第二探测光；第二泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第二泵浦脉冲；第四单模光纤对第二泵浦脉冲施加第五色散处理，形成第二泵浦光；第二高非线性光纤为第二探测光和第二泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；第二光学滤波器将非线性参量过程产生的第二闲频光滤出；第二色散补偿光纤压缩第二闲频光，得到时间透镜时频变换处理后的信号(即第一频域信息对应的初始频域信息)。
上述第二光学滤波器可以为光纤型带通滤波器或波分复用器，在时间透镜时频变换光路中用于将非线性参量过程产生的闲频光滤出，以保证滤出效果。
上述第三单模光纤的色散量Φin也可以称为时间透镜时频变换光路的“物距”。第二泵浦脉冲光源、第四单模光纤、第二高非线性光纤和第二光学滤波器共同协作，可以实现对第四色散处理得到的光场信号(第二探测光)的周期性二次相位调制实现时间透镜功能，时间透镜的“焦距”为Φf，即第二色散补偿光纤的色散量。具体地，时间透镜时频变换处理过程中，周期性二次相位调制的方法可以是电光型相位调制器或是基于啁啾脉冲序列的光参量频率转换过程。上述第二色散补偿光纤的色散量Φout也可以称为时间透镜时频变换光路的“像距”。
作为一个实施例，上述第三单模光纤的色散量、第四单模光纤的色散参数和第二色散补偿光纤的色散量，满足如下关系式：
Φin＝Φout＝Φf，
式中，Φin表示第三单模光纤的色散量，Φout表示第二色散补偿光纤的色散量，Φf表示第四单模光纤的色散参数，相应地，2Φf表示第四单模光纤的色散量。
本实施例可以对第二路信号进行更为精准地时间透镜时频变换处理，进而保证了所获得的第一频域信息的准确性。
在一个示例中，第二路信号进入高刷新率时间透镜时频变换光路中，其中连续光部分的频域测量过程可以类比为空间透镜2-f系统中的傅里叶变换过程，光场中连续光成分在时间透镜后的像可以表示为：
式中，矩形函数描述了作为等效透镜的时域脉冲，ωp表示泵浦频率，ωs表示信号光频率，2Φf表示高刷新率时间透镜光路中的泵浦端色散量，符号“∝”表示正比于，i表示虚数单位，Acw(t)表示连续光部分的光场表达式，ETL(t)表示连续光部分在时间透镜后的像。经过输出端色散后在像面上实现时频傅里叶变换，如下式所示：
式中，ETLS(t)为经高刷新率时间透镜光路输出的光场表达式，2Φf和Φout分别为高刷新率时间透镜光路中泵浦端和输出端色散量大小，符号表示傅里叶变换，符号表示傅里叶逆变换，δω＝2ωp-ωs，sinc函数的变量δω携带了连续光频率ωs的信息，且在满足条件2ΦoutΔΩP＜TR下，其中，ΔΩP表示时间透镜时频变换光路中泵浦脉冲的光谱带宽，TR表示泵浦脉冲的脉冲间隔时间，不会出现时间拉伸时频变换光路中的时域信号交叠问题。超快光场信号经过高刷新率时间透镜时频变换光路后由高速光电探测阵列转换为电信号，实现其连续光部分频域信息的采集和记录，以获得第二路信号连续光部分的第一频域信息。
在一个示例中，第三路信号进入时域拉伸色散部件，经过时间拉伸后待测超快光场完成时频傅里叶变换。基于时空对应原理，在满足夫琅禾费衍射的近似条件下输出信号强度ITSS(t)可以表达为：
其中，Ap(ω)为第三路信号脉冲光部分光场在频域上的表达式，ΦTS表示时域拉伸色散部件的色散量大小，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。在高光谱分辨率频域测量中，时间拉伸时频变换后会出现时域信号交叠的问题。本示例提出利用光谱分光的方法解耦输出端时域交叠信号，经时域拉伸色散部件输出的时域光场通过第二光谱分光部件得到解耦后的强度信号，如下式所示：
其中，H(ω-ω0)为频谱响应函数，ω0为中心频率。从上式可以看出，时间变量t与频率变量ω为一一对应关系，经过时域拉伸时频变换后的光场信号与光谱分光部件作用后会直接映射到时刻t＝ω0ΦTS下的时域信号，光场经光谱分光部件后由高速光电探测阵列转换为电信号，实现其脉冲光部分频域信息的采集和记录，以获得第三路信号中脉冲光部分的第二频域信息。
参考图2所示，在一个实施例中，上述超快光场的信息实时测量系统还包括同步参考脉冲源41、光学分路部件42和融合终端43；
同步参考脉冲源41产生同步参考脉冲信号；光学分路部件42将合束后的超快光场信号和同步参考脉冲信号分为第一路信号、第二路信号和第三路信号；
融合终端43读取时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别包含的同步参考脉冲信号，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，在时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，得到融合信息。
上述融合终端43为具有接收各类信号，对相应信号进行对准、融合等处理功能的智能终端。融合终端43可以读取时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别包含的同步参考脉冲信号，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准时域信息、第一频域信息和第二频域信息中除上述两个信息之外的第三个信息，以实现时域信息、第一频域信息和第二频域信息三者地对准。融合终端43在对准时域信息、第一频域信息和第二频域信息之前，可以将上述时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别转换为相应的数字化信号，再进行三者的对准，以保证对准结果的准确性。上述同步参考脉冲源41产生的同步参考脉冲信号可以携带对准标记，融合终端43读取时域信息、第一频域信息和第二频域信息携带的对准标记，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，以提高相应的对准效率。融合终端43在时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，使得到的融合信息可以包括超快光场信号的时域信息、空域信息和频域信息，具有较高的完整性。
作为一个实施例，上述超快光场的信息实时测量系统还包括模数转换器；
上述模数转换器将时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别转换为相应的数字化信号，并将转换得到的各个数字化信号输入融合终端，以使融合终端针对时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别对应的数字化信号进行对准、融合等处理，保证相关处理过程的准确性。
上述模数转换器为高速电模数转换器，以保证相应数字化转换过程中的效率，使所得到的数字化信号更易于被采集或者读取，便于进行相关后端数据处理。
作为一个实施例，上述同步参考脉冲源为皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器；其产生的同步参考脉冲信号更为稳定，能够有效保证后续融合终端进行时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准工作的准确性。
作为一个实施例，上述同步参考脉冲源的脉冲重复频率低于时间透镜时频变换光路中的脉冲光源频率；以弱化第二路信号携带的同步参考脉冲信号在时间透镜时频变换光路进行时间透镜时频变换处理过程所造成的干扰。
作为一个实施例，上述光学分路部件为光纤型耦合器，以对合束后的超快光场信号和同步参考脉冲信号进行准确分路，得到第一路信号、第二路信号和第三路信号。
在一个示例中，在进行时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准、融合等数据重构时，以同步参考脉冲信号为依据对各路采集信号的时间轴进行校正，获得统一时间轴下的时频信息。基于广义投影法反演光场的相位信息，在假设初始相位的情况下通过如下迭代关系重构超快光场的相位信息：
其中IM(t)和分别为时域和频域的测量样本，ut1(t)为广义投影法中迭代步骤1中的光场时域表达式，φ0(t)为迭代步骤4中光场ut0(t)的相位表达式，uω0(ω)为迭代步骤2中根据ut1(t)得到的光场频域表达式，uω1(ω)为迭代步骤3中根据频域测量样本和uω0(ω)的相位信息得到的频域表达式，以此进行数据重构，可以实现针对超快光场信号时频信息的实时超快测量。
参考图3所示，在一个实施例中，上述超快光场的信息实时测量系统还包括单频激光光源14；
单频激光光源14产生单频激光信号；单频激光信号用于与第一路信号合束；连续级联式时间透镜光路11将合束后的信号进行时域放大，得到时域放大信号。
具体地，可以将单频激光光源14通过干涉的方法将时空域相位信息加载到第一路信号的强度信息上，实现第一路信号与单频激光信号的合束，使第一路信号与单频激光信号相干形成调制信号，通过对该调制信号的解调处理可以还原初始信号的幅度和相位信息。
在一个示例中，时间长度为5ns的待测信号其时域相对强度如图4所示，通过现有测量系统和本发明提供的测量系统分别进行超快光场信息测量的仿真结果对比图可以参考图5所示，从图5中可以看出现有测量系统的记录时间长度有限，得到的为非时域连续的测量结果，而本发明的测量系统可以完整地采集到待测信号的时域信息。
在一个具体的示例中，分别采用现有测量系统和本发明测量系统对时间长度为9ns的待测信号进行测试。通过现有测量系统后的仿真结果如图6所示，从图6中可以看出测得的结果其光谱分辨率低，且不具备识别待测信号中连续光部分的能力。通过本发明测量系统后的仿真结果如图7所示，与图6中的结果对比可以看出，本发明测量系统具备辨别超快光场中连续光部分的能力，同时测量刷新率达到1GHz。实验中，利用本发明的测量系统测得的超快光场的时域和频域信息，可以得到皮秒脉冲在时域上的幅度和相位信息，如图8所示。
上述超快光场的信息实时测量系统通过连续级联式时间透镜光路获得了包含所有细节的放大的时域光场信号，经光谱分光解耦信号时域交叠后由高速光电探测阵列实现时域信号波形的实时测量；同时利用时间透镜光路和时域拉伸色散部件分别完成对光场连续光部分和脉冲光部分的时频傅里叶变换，经光谱分光解耦信号交叠后配合高速光电探测阵列实现高刷新率频域信息实时测量，采用参考脉冲源同步、校准各路信号并利用反演算法融合时频信息，最终达到高刷新率(刷新率大于1GHz)，高时、频分辨率(时间分辨率可达约50fs，光谱分辨率可达约1pm)的超快光场时频信息的实时超快测量。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种超快光场的信息实时测量系统，其特征在于，包括：连续级联式时间透镜光路、第一光谱分光部件、第一光电探测阵列、时间透镜时频变换光路、第二光电探测阵列、时域拉伸单模光纤、第二光谱分光部件和第三光电探测阵列；
所述连续级联式时间透镜光路将第一路信号进行时域放大，得到时域放大信号；所述第一光谱分光部件在所述时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；所述第一光电探测阵列将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到所述第一路信号各个空间点位置的时域信息；
所述时间透镜时频变换光路对第二路信号进行时间透镜时频变换处理；所述第二光电探测阵列将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到所述第二路信号连续光部分的第一频域信息；
所述时域拉伸单模光纤对第三路信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；所述第二光谱分光部件对所述时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；所述第三光电探测阵列对所述解耦时域交叠信息进行光电转换，得到所述第三路信号脉冲光部分的第二频域信息；所述第一路信号、所述第二路信号和所述第三路信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连续级联式时间透镜光路包括第一单模光纤、第一泵浦脉冲光源、第二单模光纤、第一高非线性光纤、第一光学滤波器和第一色散补偿光纤；
所述第一单模光纤对所述第一路信号进行第一色散处理，形成第一探测光；所述第一泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第一泵浦脉冲；所述第二单模光纤对第一泵浦脉冲施加第二色散处理，形成第一泵浦光；所述第一高非线性光纤为第一探测光和第一泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；所述第一光学滤波器将非线性参量过程产生的第一闲频光滤出；所述第一色散补偿光纤对所述第一闲频光进行第三色散处理，得到所述时域放大信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一单模光纤的色散量、所述第二单模光纤的色散参数和所述第一色散补偿光纤的色散量满足如下成像关系式：
式中，Din表示第一单模光纤的色散量，Dout表示第一色散补偿光纤的色散量，Df表示第二单模光纤的色散参数；
所述第一路信号的时域放大倍数M为：
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一泵浦脉冲光源的光谱带宽、所述第一泵浦脉冲光源的重复频率和所述第二单模光纤的色散参数，满足如下关系式：
式中，Ω表示第一泵浦脉冲光源的光谱带宽，Df表示第二单模光纤的色散参数，fp表示第一泵浦脉冲光源的重复频率。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述时间透镜时频变换光路包括第三单模光纤、第二泵浦脉冲光源、第四单模光纤、第二高非线性光纤、第二光学滤波器和第二色散补偿光纤；
所述第三单模光纤对所述第二路信号施加第四色散处理，形成第二探测光；所述第二泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第二泵浦脉冲；所述第四单模光纤对所述第二泵浦脉冲施加第五色散处理，形成第二泵浦光；所述第二高非线性光纤为第二探测光和第二泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；所述第二光学滤波器将非线性参量过程产生的第二闲频光滤出；所述第二色散补偿光纤压缩第二闲频光，得到时间透镜时频变换处理后的信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第三单模光纤的色散量、所述第四单模光纤的色散参数和所述第二色散补偿光纤的色散量，满足如下关系式：
Φin＝Φout＝Φf，
式中，Φin表示第三单模光纤的色散量，Φout表示第二色散补偿光纤的色散量，Φf表示第四单模光纤的色散参数。
7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，还包括同步参考脉冲源、光学分路部件和融合终端；
所述同步参考脉冲源产生同步参考脉冲信号；所述光学分路部件将合束后的所述超快光场信号和所述同步参考脉冲信号分为所述第一路信号、所述第二路信号和所述第三路信号；
所述融合终端读取所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息分别包含的同步参考脉冲信号，将所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，在所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息对准之后，融合所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息，得到融合信息。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括模数转换器；
所述模数转换器将所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息分别转换为相应的数字化信号，并将转换得到的各个数字化信号输入所述融合终端。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述同步参考脉冲源为皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器；
和/或，所述同步参考脉冲源的脉冲重复频率低于所述时间透镜时频变换光路中的脉冲光源频率；
和/或，所述光学分路部件为光纤型耦合器。
10.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，还包括单频激光光源；
所述单频激光光源产生单频激光信号；所述单频激光信号用于与所述第一路信号合束；所述连续级联式时间透镜光路将合束后的信号进行时域放大，得到所述时域放大信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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