CN110207837B - 高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学测量领域，涉及一种高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置及方法。解决了如何实现超短脉冲时频域信息的高分辨率实时测量，提升测量结果的准确性和可靠性技术难题。测量装置包括对待测信号光进行分束的分束单元，用于对待测信号光进行时域放大的时间透镜单元，用于对待测信号光进行傅里叶变换的色散傅里叶变换单元及用于接收测量数据进行探测的探测单元。采用时间透镜和色散傅里叶变换技术实现超短脉冲亚皮秒瞬态特性的实时测量，准确获得其时频域信息，突破了传统示波器带宽及光谱仪测量速度等能力限制，适用于飞秒级超短脉冲。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，涉及一种高分辨率实时时频域测量装置及方法，尤其涉及一种基于时间透镜和色散傅里叶变换的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置及方法。
背景技术
超短脉冲激光具有持续时间短、峰值功率高、带宽大等优点，是人们观察研究超快现象的有效手段，在强场物理、信息科学、材料科学、生物医学等诸多领域具有广泛的应用，其飞速发展给相关的科学研究带来了巨大的积极影响。例如，迄今至少两项诺贝尔奖与超快激光领域中的研究有关：美国化学家艾哈迈德·泽维尔(Ahmed Zewail)等人利用飞秒激光研究了化学反应中分子的过渡态，并因此获得1999年诺贝尔化学奖；美国物理学家约翰·霍尔(John Hall)和德国物理学家特奥多尔·亨施(Theodor )因“对包括光频梳技术在内的基于激光的精密光谱学发展做出的贡献”而获得了2005年诺贝尔物理学奖。超短激光脉冲自产生至今的几十年来，脉冲宽度越来越窄(从皮秒至飞秒甚至阿秒量级)、峰值功率越来越高(太瓦甚至拍瓦量级)，给超短脉冲时域和频域特性的精确测量提出了越来越高的要求，而现有的光电探测及光谱分析技术难以实时探测到其时频域信息。因此，如何实现超短脉冲时频域信息的高分辨率实时测量，提升测量结果的准确性和可靠性，以满足超快过程测量与分析需求，成为超快光学及应用领域亟待解决的热点和难点问题。
发明内容
为了解决上述问题，实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量，本发明提供了一种基于时间透镜和色散傅里叶变换的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置及方法。利用时间透镜和色散傅里叶变换测量超短脉冲时频域的技术，有效地实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量，方法原理简单，装置结构紧凑，调试方便。
本发明的技术解决方案是提供一种基于时间透镜和色散傅里叶变换的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置，其特殊之处在于：包括分束单元、时间透镜单元、色散傅里叶变换单元及探测单元；
上述分束单元用于将待测信号光进行分束，一束作为时间透镜单元的信号光，另一束作为色散傅叶变换单元的信号光；
上述时间透镜单元用于对接收的待测信号光进行时域放大，能够实现超短脉冲的高保真高倍率时域放大；上述色散傅里叶变换单元用于对接收的待测信号光进行傅里叶变换，能够实现光信号频域到时域的转换；
上述探测单元用于接收并记录时间透镜单元及色散傅里叶变换单元处理后的待测信号光时频域信息。
进一步地，上述时间透镜单元包括合束器、分别位于合束器两路入射光路中的信号光光路、泵浦光光路及位于合束器出射光路中的闲频光光路；
上述信号光光路包括沿光路设置的第一衰减器、第一偏振控制器及第一色散介质；上述泵浦光光路包括沿光路设置的泵浦源、第二偏振控制器及第二色散介质；
上述闲频光光路包括沿光路依次设置的高非线性低平坦色散硅基微纳波导、滤波器及第三色散介质；
上述第一衰减器用于调节信号光的强度；上述第一偏振控制器用于对信号光偏振调节；上述第一色散介质用于对信号光频域进行二次相位调制；
上述泵浦源用于提供四波混频过程的泵浦光；上述第二偏振控制器用于对泵浦光偏振调节；上述第二色散介质用于对泵浦光频域进行二次相位调制；
上述合束器用于对信号光和泵浦光合束；
上述高非线性低平坦色散硅基微纳波导用于发生四波混频效应；
上述滤波器用于滤掉泵浦光和信号光等获得闲频光；上述第三色散介质用于对闲频光频域进行二次相位调制。
进一步地，为了确保信号光与泵浦光同时进入合束器，上述时间透镜单元还包括位于信号光光路或泵浦光光路中的时间延迟线，上述时间延迟线用于调节信号光与泵浦光相对时间延迟。
进一步地，为了实现光信号频域至时域的转换，利用示波器实时测量光信号的频域信息，上述色散傅里叶变换单元包括第二衰减器与第四色散介质；上述第二衰减器用于调节进入色散傅里叶变换单元中的信号光强度，上述第四色散介质用于对光信号进行傅里叶变换。
进一步地，上述探测单元包括实时示波器与两个光电探测器，两个光电探测器的输入端分别与色散傅里叶变换单元及时间透镜单元的输出端连接，两个光电探测器的输出端接实时示波器。
进一步地，为了实时测量并记录超短脉冲的时频域信息，上述光电探测器为GHz带宽的光电探测器，上述实时示波器为GHz带宽的实时示波器，分束单元为分束器。
进一步地，上述第一色散介质、第二色散介质及第三色散介质均为单模光纤或色散补偿光纤等具有群速度色散、色散平坦的色散介质，每个色散介质色散大小不同；上述第四色散介质为色散补偿光纤和啁啾布拉格光栅等具有足够大群速度色散、色散平坦的色散介质。
进一步地，当信号光较弱时，上述色散傅里叶变换单元还包括用于放大信号的拉曼泵浦源及波分复用器。
本发明还提供一种基于上述的装置实现高分辨率实时超短脉冲时频域测量的方法，包括以下步骤：
1】通过分束单元的分束器将待测信号光分成两束，一束作为时间透镜单元的信号光，另一束作为色散傅里叶变换单元的信号光；
2】同时利用时间透镜单元对入射至时间透镜单元内的光信号进行时域放大；
3】同时利用色散傅里叶变换单元对入射至色散傅里叶变换单元内的光信号实现频域到时域的转换；
4】利用探测单元接收并记录色散傅里叶变换单元与时间透镜单元处理后待测信号光的时频域信息，实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。
进一步地，步骤2】具体为：
控制泵浦源出射泵浦光；利用第一衰减器调节信号光的功率；分别利用第一偏振控制器与第二偏振控制器调节信号光和泵浦光的偏振方向；利用时间延迟线调节泵浦光和信号光的相对时间延迟；分别利用第一色散介质与第二色散介质对信号光和泵浦光的频域进行二次相位调制；二次相位调制后的信号光和泵浦光经合束器合束后注入高非线性低平坦色散硅基微纳波导中，发生高效低阈值的四波混频效应，经滤波器滤波后输出闲频光，并利用第三色散介质对闲频光频域进行二次相位调制，实现光信号的高保真高倍率时域放大。
进一步地，步骤3】具体为：利用第二衰减器调节信号光的功率；利用第四色散介质中的色散傅里叶变换实现光信号频域到时域的转换。
本发明的优点是：
1、本发明采用时间透镜和色散傅里叶变换技术实现超短脉冲亚皮秒瞬态特性的实时测量，准确获得其时频域信息，突破了传统示波器带宽及光谱仪测量速度等能力限制，适用于飞秒级超短脉冲。
2、本发明实现时频域同时高分辨率实时测量，时间分辨率≤100fs，光谱分辨率≤0.1nm，能够精确的实时测量出超短脉冲的时频域信息。
3、本发明测量装置探测灵敏度高，≤0.1nJ，极大地提升了超短脉冲时频域实时测量的灵敏度。
4、通过本发明可实时测量，能够实现时间分辨率≤100fs的超短脉冲的时域实时测量及光谱捕获速率百兆赫兹量级的频域实时测量。
5、本发明测量装置结构简单，方便实用，低SWaP(体积、重量和功耗)，低成本，且具有高分辨率和实时性等特点。
附图说明
图1为本发明的原理框架图；
图2为本发明实施例一装置结构示意图；
图3为本发明实施例二装置结构示意图；
图4a为本发明的时域放大结果图；
图4b为色散傅里叶变换结果图(OSA：光谱分析仪；DFT：色散傅里叶变换)；
图中附图标记为：1-待测信号光，2-分束器，3-色散傅里叶变换单元，4-时间透镜单元，5-探测单元；
31-第二衰减器，32-第四色散介质，33-拉曼泵浦源，34-波分复用器；
41-第一衰减器，42-时间延迟线，43-第一偏振控制器，44-第二偏振控制器，45-第一色散介质，46-第二色散介质，47-合束器，48-硅基微纳波导，49-滤波器，50-第三色散介质，51-泵浦源；
52-第一光电探测器，53-第二光电探测器，54-实时示波器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例一
参见图1与图2，本实施例提供了一种基于时间透镜和色散傅里叶变换的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置，包括对待测信号光进行分束的分束单元，用于对待测信号光进行时域放大的时间透镜单元，用于对待测信号光进行傅里叶变换的色散傅里叶变换单元及用于接收测量数据进行探测的探测单元。
本实施例中分束单元为分束器2，用于将待测信号光分成两束，其中一束作为时间透镜单元4的信号光，另一束作为色散傅里叶变换单元3的信号光；其他实施例中也可以采用其他形式的分束元器件，只要能够实现分束即可。
时间透镜单元4包括用于调节信号光强度的第一衰减器41、用于调节信号光与泵浦光相对时间延迟的时间延迟线42、用于对信号光频域进行二次相位调制的第一色散介质45、用于提供四波混频过程的泵浦光的泵浦源51、对泵浦光频域进行二次相位调制的第二色散介质46、分别对信号光和泵浦光进行偏振调节的第一偏振控制器43与第二偏振控制器44、对信号光与泵浦光合束的合束器47、发生四波混频效应的高非线性低平坦色散硅基微纳波导48、滤掉泵浦光和信号光等获得闲频光的滤波器49以及对闲频光频域进行二次相位调制的第三色散介质50。
本实施例中，第一衰减器41、时间延迟线42、第一偏振控制器43及第一色散介质45依次沿光路设置，位于合束器47的其中一路入射光路中；泵浦源51、第二偏振控制器44及第二色散介质46依次沿光路设置，位于合束器47的另一路入射光路中；高非线性低平坦色散硅基微纳波导48、滤波器49及第三色散介质50沿光路依次设置，位于合束器47的出射光路中。进入时间透镜单元中的待测信号光依次经过第一衰减器41、时间延迟线42、第一偏振控制器43及第一色散介质45进入合束器47，泵浦光依次经过第二偏振控制器44及第二色散介质46后进入合束器47；合束器47将信号光和泵浦光合束，合束后的光束依次经过高非线性低平坦色散硅基微纳波导48、滤波器49及第三色散介质50输出至探测单元5。
色散傅里叶变换单元3包括用于调节进入该单元信号光强度的第二衰减器31与发生色散傅里叶变换的第四色散介质32，该第四色散介质32为具有足够大群速度色散、色散平坦的色散介质；本实施例中，对进入色散傅里叶变换单元中的光信号，利用第二衰减器31调节功率、利用第四色散介质32进行傅里叶变换后输出至探测单元5。
探测单元5包括接收数据的光电探测器和实时示波器，本实施例中包括第一光电探测器52、第二光电探测器53及实时示波器54，第一光电探测器52的输入端与色散傅里叶变换单元3的输出端连接，用于采集待测信号光的频域信息，第二光电探测器53的输入端与时间透镜单元4的输出端连接，用于采集待测信号光的时域信息，第一光电探测器52、第二光电探测器53的输出端与实时示波器54输入端连接，其中第一光电探测器、第二光电探测器均为GHz带宽的光电探测器，实时示波器为GHz带宽的实时示波器。
通过下述过程实现基于时间透镜和色散傅里叶变换的高分辨率实时超短脉冲时频域测量方法，包括以下步骤：
1】通过分束器将待测信号光分成两束，一束作为时间透镜单元的信号光，另一束作为色散傅里叶变换单元的信号光；
2】同时泵浦源出射泵浦光，利用第一衰减器调节进入时间透镜单元中信号光的强度，使其满足发生四波混频的强度条件；利用时间延迟线调节时间透镜单元中泵浦光和信号光的相对时间延迟；分别利用第二偏振控制器与第一偏振控制器调节时间透镜单元中泵浦光和信号光的偏振方向，使其满足发生四波混频的相位匹配条件；分别利用第二色散介质与第一色散介质对泵浦光和信号光的频域进行二次相位调制；经合束器后注入高非线性低平坦色散硅基微纳波导中，发生高效低阈值的四波混频效应，再经滤波器后获得闲频光输出，并利用第三色散介质对其频域进行二次相位调制，实现光信号的高保真高倍率时域放大；
3】同时利用第二衰减器调节进入色散傅里叶变换单元中信号光的强度，使其满足发生色散傅里叶变换的强度条件；利用第四色散介质中的色散傅里叶变换实现光信号频域到时域的转换；
4】利用探测单元(GHz带宽的光电探测器和实时示波器)实时记录待测信号光的时频域信息，从而实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。
本发明将待测超短脉冲注入到基于时间透镜和色散傅里叶变换的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置中，利用探测单元(GHz带宽的光电探测器和实时示波器)记录待测信号光的时频域信息，从而实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。
本发明工作原理是：
首先将待测超短脉冲分成二束，一束作为时间透镜单元的信号光，另一束作为色散傅里叶变换单元的信号光；
在时间透镜单元中利用两个偏振控制器分别调节泵浦光和信号光的偏振方向，使其满足发生四波混频的相位匹配条件，利用时间延迟线调节泵浦光和信号光的相对时间延迟，使信号光与泵浦光在时间上同步，利用衰减器调节信号光的强度，使其满足发生四波混频的强度条件，利用色散介质分别对泵浦光和信号光的频域进行二次相位调制(即分别对泵浦光引入线性啁啾和作为时间透镜系统的输入色散)，经合束器后注入硅基微纳波导中，发生高效低阈值的四波混频效应，经滤波器获得闲频光输出，并利用色散介质对其频域进行二次相位调制(作为时间透镜系统的输出色散)，实现光信号的高保真高倍率时域放大；
在色散傅里叶变换单元中利用衰减器调节信号光的功率，使其满足发生色散傅里叶变换的强度条件，利用具有足够大群速度色散、色散平坦的色散介质中的色散傅里叶变换实现光信号频域到时域的转换，将光信号的频域信息转换到时域；利用探测单元(GHz带宽的光电探测器和实时示波器)实时记录待测信号光的时频域信息，从而实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。
参见图4a及图4b，时域放大和傅里叶变换结果。利用时间透镜可以实现超短脉冲的高保真高倍率时域放大，利用色散傅里叶变换可以实现超短脉冲频域到时域的转换。因此，采用时间透镜和色散傅里叶变换方法能够实现大于500倍的高保真时域放大和傅里叶变换，从而利用GHz带宽的示波器和光电探测器实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。本发明基于硅基微纳波导中的高效低阈值的四波混频效应构建时间透镜单元，具有足够大群速度色散、色散平坦的色散介质(其中色散介质可以采用色散补偿光纤或啁啾布拉格光栅等)构建色散傅里叶变换单元，实现超短脉冲的高倍率高保真时域放大和傅里叶变换，并利用探测单元(GHz带宽的光电探测器和实时示波器)记录下待测信号光的时频域信息，从而实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。
实施例二
本实施例与实施例一不同的是，本实施例色散傅里叶变换单元还包括用于放大信号的拉曼泵浦源33及波分复用器34，当进入色散傅里叶变换单元中的待测信号较弱时，对待测信号进行放大。
Claims (7)
1.一种高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置，其特征在于：包括分束单元、时间透镜单元、色散傅里叶变换单元及探测单元；
所述分束单元用于将待测信号光进行分束，一束作为时间透镜单元的信号光，另一束作为色散傅叶变换单元的信号光；
所述时间透镜单元用于对接收的待测信号光进行时域放大；
所述色散傅里叶变换单元用于对接收的待测信号光进行傅里叶变换，实现待测信号光频域到时域的转换；
所述探测单元用于接收并记录时间透镜单元及色散傅里叶变换单元处理后的待测信号光时频域信息；
所述时间透镜单元(4)包括合束器(47)、分别位于合束器(47)两路入射光路中的信号光光路、泵浦光光路及位于合束器出射光路中的闲频光光路；
所述信号光光路包括沿光路设置的第一衰减器(41)、第一偏振控制器(43)及第一色散介质(45)；
所述泵浦光光路包括沿光路设置的泵浦源(51)、第二偏振控制器(44)及第二色散介质(46)；
所述闲频光光路包括沿光路依次设置的硅基微纳波导(48)、滤波器(49)及第三色散介质(50)；
所述第一衰减器(41)用于调节信号光的强度；所述第一偏振控制器(43)用于对信号光偏振调节；所述第一色散介质(45)用于对信号光频域进行二次相位调制；
所述泵浦源(51)用于提供四波混频过程的泵浦光；所述第二偏振控制器(44)用于对泵浦光偏振调节；所述第二色散介质(46)用于对泵浦光频域进行二次相位调制；
所述合束器(47)用于对信号光和泵浦光合束；
所述硅基微纳波导(48)用于发生四波混频效应；
所述滤波器(49)用于滤掉泵浦光和信号光获得闲频光；所述第三色散介质(50)用于对闲频光频域进行二次相位调制；
所述时间透镜单元(4)还包括设置在信号光光路或泵浦光光路中的时间延迟线(42)，用于调节信号光与泵浦光同时入射至合束器(47)；
所述色散傅里叶变换单元(3)包括第二衰减器(31)与第四色散介质(32)；所述第二衰减器(31)用于调节进入色散傅里叶变换单元(3)中的信号光强度，所述第四色散介质(32)用于对光信号进行傅里叶变换；
所述色散傅里叶变换单元(3)还包括用于放大信号的拉曼泵浦源及波分复用器。
2.根据权利要求1所述的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置，其特征在于：所述探测单元(5)包括实时示波器(54)与两个光电探测器，两个光电探测器的输入端分别与色散傅里叶变换单元及时间透镜单元的输出端连接，两个光电探测器的输出端接实时示波器。
3.根据权利要求2所述的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置，其特征在于：所述光电探测器为GHz带宽的光电探测器，实时示波器为GHz带宽的实时示波器，分束单元为分束器。
4.根据权利要求3所述的高分辨率实时超短脉冲时频域测量装置，其特征在于：所述第一色散介质(45)、第二色散介质(46)及第三色散介质(50)均为单模光纤或色散补偿光纤，各色散介质色散大小不同；所述第四色散介质(32)为色散补偿光纤或啁啾布拉格光栅。
5.一种基于权利要求1至4任一所述的装置实现高分辨率实时超短脉冲时频域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】通过分束单元将待测信号光分成两束，一束作为时间透镜单元的信号光，另一束作为色散傅里叶变换单元的信号光；
2】同时利用时间透镜单元对入射至时间透镜单元内的光信号进行时域放大；
3】同时利用色散傅里叶变换单元对入射至色散傅里叶变换单元内的光信号实现频域到时域的转换；
4】利用探测单元接收并记录色散傅里叶变换单元与时间透镜单元处理后待测信号光的时频域信息，实现超短脉冲时频域的高分辨率实时测量。
6.根据权利要求5所述的实现高分辨率实时超短脉冲时频域测量方法，其特征在于，步骤2】具体为：
利用第一衰减器调节信号光的功率，使信号光满足发生四波混频的强度条件；分别利用第一偏振控制器与第二偏振控制器调节信号光和泵浦光的偏振方向，使信号光和泵浦光满足发生四波混频的相位匹配条件；利用时间延迟线调节泵浦光和信号光的相对时间延迟；分别利用第一色散介质与第二色散介质对信号光和泵浦光的频域进行二次相位调制；二次相位调制后的信号光和泵浦光经合束器合束后注入硅基微纳波导中，发生高效低阈值的四波混频效应，经滤波器滤波后输出闲频光，并利用第三色散介质对闲频光频域进行二次相位调制，实现光信号的时域放大。
7.根据权利要求6所述的实现高分辨率实时超短脉冲时频域测量方法，其特征在于，步骤3】具体为：
利用第二衰减器调节信号光的功率，使其满足发生色散傅里叶变换的强度条件；利用第四色散介质中的色散傅里叶变换实现光信号频域到时域的转换。
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