CN110631718A - 中红外超快光信号高速实时采样与测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学测量领域，涉及一种中红外超快光信号高速实时采样与测量装置及方法。解决目前中红外波段的探测器无法满足中红外超快光信号探测需求的问题，装置包括域放大单元及探测单元，利用时域放大单元对入射至时域放大单元内的信号光进行采样和时域放大，将中红外波段的信号光转化为近红外/可见波段；利用探测单元接收并记录时域放大单元处理后待测信号光的信息，实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。能够准确获得其亚皮秒瞬态特征，突破了传统光电探测器响应速率和示波器带宽等能力限制，适用于飞秒级中红外超快光信号。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，涉及一种高速实时采样与测量装置及方法，尤其涉及一种基于时域放大的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置及方法。
背景技术
中红外激光(3-5μm波段)在大气中传输时损耗很小，对大雾、烟尘等有着很强的穿透能力，受小颗粒悬浮物散射及气体分子吸收等影响较小，形成了一个极其重要的大气透明窗口，而且覆盖了众多原子及分子的特征谱线，有鉴于此，对这一波段激光及应用的研究一直是光学领域的重要分支和研究热点。近年来，随着激光技术的不断发展，中红外超快激光的宽度越来越窄，从皮秒量级进入到飞秒量级甚至更短，峰值功率越来越高，从兆瓦量级进入到太瓦量级甚至更高，成为诸多科学研究领域强有力的研究工具和手段，给相关科学研究带来了巨大的积极影响。中红外激光因其独特的特点和优势，在大容量高速远程通信、分子光谱学、环境检测、医学、军事等领域都有重要的应用价值和广阔的发展前景，受到国内外科研人员的高度关注和重视。例如，中红外超短脉冲可以用来研究很多材料结构的时间分辨光谱；利用波长较长的中红外超快激光作为泵浦光有利于实现高阶谐波的产生；自由空间光通信采用中红外光载波比近红外光载波经受更小的损耗；中红外分子光谱探测与近红外波段相比具有更高的灵敏度。然而目前中红外波段的探测器大多需要在低温环境下工作，操作条件、噪声环境和响应速率等都受到了极大限制，不利于高速、实时和低噪的应用场合，无法满足中红外超快光信号的探测需求，极大限制了中红外激光技术的应用和快速发展。因此，如何实现中红外超快光信号的高速实时采样和测量，提升测量结果的准确性和可靠性，成为中红外激光及应用领域迫切需要解决的热点和难点问题。
发明内容
为了解决目前中红外波段的探测器无法满足中红外超快光信号探测需求的问题，实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量，本发明提供了一种基于时域放大的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置及方法。利用时域放大方法采样和测量中红外超快光信号，有效地实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量，原理简单，结构紧凑，调试方便。
本发明的技术解决方案是提供一种中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特殊之处在于：包括时域放大单元及探测单元；
上述时域放大单元用于对接收的待测信号光进行采样与时域放大，能够实现中红外超快光信号的快速采样与高倍率低畸变时域放大，将中红外波段的光信号转换到近红外/可见波段；
上述探测单元用于接收并记录时域放大单元处理后的待测信号光信息。
进一步地，上述时域放大单元包括合束器、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新频率光光路；
上述信号光光路包括沿光路设置的衰减器、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；
上述新频率光光路包括沿光路依次设置的高非线性铌酸锂波导、滤波器及第三色散介质；
上述信号光光路中，衰减器用于调节信号光的强度；使得信号光满足发生三波混频的强度条件；第一偏振控制器用于对信号光偏振调节，使得信号光满足发生三波混频的相位匹配条件；第一色散介质用于对信号光频域进行二次相位调制；
上述泵浦光光路中，泵浦源用于提供三波混频过程的泵浦光；第二偏振控制器用于对泵浦光偏振调节，使得泵浦光满足发生三波混频的相位匹配条件；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光路输出的信号光和泵浦光光路输出的泵浦光进行合束；
上述高非线性铌酸锂波导用于接收合束器输出的合束光并发生三波混频效应；上述滤波器用于滤掉从高非线性铌酸锂波导中输出的泵浦光和信号光等获得三波混频产生的新频率光；上述第三色散介质用于对新频率光频域进行二次相位调制。
进一步地，为了确保泵浦光和信号光在时域上同步，上述时域放大单元还包括位于泵浦光光路或信号光光路中的时间延迟线，用于调节泵浦光与信号光相对时间延迟。
进一步地，上述探测单元包括实时示波器与光电探测器，光电探测器的输入端与时域放大单元的输出端连接，光电探测器的输出端接实时示波器。
进一步地，为了实时采样、测量并记录超快光信号的信息，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。
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、光纤光栅等具有群速度色散、色散平坦的色散介质，每个色散介质色散大小不同。
本发明还提供一种基于上述装置实现中红外超快光信号高速实时采样与测量的方法，包括以下步骤：
步骤一、利用时域放大单元对入射至时域放大单元内的信号光进行采样和时域放大，将中红外波段的信号光转化为近红外/可见波段；
步骤二、利用探测单元接收并记录时域放大单元处理后待测信号光的信息，实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。
进一步地，步骤一具体为：
控制泵浦源出射泵浦光；接收待测信号光，利用衰减器调节信号光的强度；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三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，确保泵浦光和信号光在时域上同步；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铌酸锂波导中，发生高效三波混频效应，经滤波器滤波后输出三波混频产生的新频率光，并利用第三色散介质对其频域进行二次相位调制，实现信号光的高倍率低畸变时域放大。
本发明的优点是：
1、本发明采用时域放大技术实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量，准确获得其亚皮秒瞬态特征，突破了传统光电探测器响应速率和示波器带宽等能力限制，适用于飞秒级中红外超快光信号。
2、本发明实现高速实时采样与测量，时间分辨率≤100fs，采样率≥1TS/s，能够精确的实时采样和测量中红外超快光信号。
3、本发明采样与测量装置探测灵敏度高，≤0.05nJ，极大地提升了中红外超快光信号实时采样与测量的灵敏度。
4、通过本发明可实现中红外超快光信号的高倍率低畸变时域放大，同时将中红外波段的信号光转换到近红外/可见波段，易于探测和处理。
5、本发明测量装置结构简单，方便实用，低成本，低SWaP(体积、重量和功耗)，且具有高速、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为本发明实施例装置结构示意图；
图3a为本发明采样图；
图3b为对图3a进行时域放大的结果图；
图中附图标记为：1-待测信号光，2-衰减器，3-第一偏振控制器，4-第一色散介质，5-泵浦源，6-时间延迟线，7-第二偏振控制器，8-第二色散介质，9-合束器，10-铌酸锂波导，11-滤波器，12-第三色散介质，13-探测器，14-实时示波器，20-时域放大单元，30-探测单元；
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。
本发明基于铌酸锂波导中的高效低阈值的三波混频效应构建时域放大单元，实现中红外超快光信号的高倍率低畸变时域放大，并利用探测单元记录下待测信号光的信息，从而实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。
参见图1与图2，本实施例提供了一种基于时域放大的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，包括用于对待测信号光1进行采样和时域放大的时域放大单元20及用于对时域放大单元20处理后的数据进行探测的探测单元30。
时域放大单元20包括用于调节信号光强度的衰减器2、对信号光频域进行二次相位调制的第一色散介质4、用于提供三波混频过程的泵浦光的泵浦源5、对泵浦光频域进行二次相位调制的第二色散介质8、分别用于对信号光和泵浦光进行偏振调节的第一偏振控制器3与第二偏振控制器7、对信号光与泵浦光相对时间延迟调节的时间延迟线6、对调制后的信号光与泵浦光合束的合束器9、用于发生三波混频效应的高非线性铌酸锂波导10、滤掉泵浦光和信号光等获得三波混频产生的新频率光的滤波器11以及对其频域进行二次相位调制的第三色散介质12。
本实施例中，衰减器2、第一偏振控制器3及第一色散介质4依次沿光路设置，位于合束器9的其中一路入射光路中；泵浦源5、时间延迟线6、第二偏振控制器7及第二色散介质8依次沿光路设置，位于合束器9的另一路入射光路中；高非线性铌酸锂波导10、滤波器11及第三色散介质12沿光路依次设置，位于合束器9的出射光路中。进入时域放大单元20中的待测信号光1依次经过衰减器2、第一偏振控制器3及第一色散介质4进入合束器9，泵浦光依次经过时间延迟线6、第二偏振控制器7及第二色散介质8后进入合束器9；合束器9将两路入射光路的出射的信号光和泵浦光合束，合束后的光束依次经过高非线性铌酸锂波导10、滤波器11及第三色散介质12输出至探测单元30。
探测单元30包括接收数据的光电探测器13和实时示波器14，光电探测器13的输入端与时域放大单元20的输出端连接，用于采集待测信号光1信息，光电探测器13的输出端与实时示波器14输入端连接，其中光电探测器13为GHz带宽的光电探测器13，实时示波器14为GHz带宽的实时示波器14。
通过下述过程实现基于时域放大的中红外超快光信号高速实时采样与测量方法，包括以下步骤：
1】泵浦源5出射泵浦光；利用衰减器2调节进入时域放大单元20中信号光的强度，使其满足发生三波混频的强度条件；利用时间延迟线6调节时域放大单元20中泵浦光和信号光的相对时间延迟，使泵浦光与信号光在时域上同步；分别利用第二偏振控制器7与第一偏振控制器3调节时域放大单元20中泵浦光和信号光的偏振方向，使其满足发生三波混频的相位匹配条件；分别利用第二色散介质8与第一色散介质4对泵浦光和信号光的频域进行二次相位调制；经合束器9合束后注入高非线性铌酸锂波导10中，发生高效三波混频效应，再经滤波器11后获得三波混频产生的新频率光，并利用第三色散介质12对其频域进行二次相位调制，实现信号光的高倍率低畸变时域放大；
2】利用探测单元30实时记录时域放大单元20输出信号光的信息，从而实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。
本发明将待测信号光1注入到基于时域放大的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置中，利用探测单元30记录待测信号光1的信息，从而实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。
本发明工作原理是：
在时域放大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，使其满足发生三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，使泵浦光与信号光在时域上同步，利用衰减器调节信号光的强度，使其满足发生三波混频的强度条件，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(即对泵浦光引入线性啁啾及对信号光时域展宽和作为时域放大系统的输入色散)，经合束器合束后注入铌酸锂波导中，发生高效三波混频效应(满足能量守恒和动量守恒条件)，经滤波器获得三波混频产生的新频率光，并利用色散介质对其频域进行二次相位调制(作为时域放大系统的输出色散)，实现信号光的高倍率低畸变时域放大；利用探测单元实时记录时域放大单元输出信号光的信息，从而实现中红外超快光信号高速实时采样与测量。
参见图3a与图3b，采样与时域放大结果。利用时域放大技术可以实现中红外超快光信号的高倍率低畸变时域放大。因此，采用时域放大方法能够实现大于600倍的低畸变时域放大，从而利用GHz带宽的示波器和光电探测器实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。
Claims (8)
1.一种中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特征在于：包括时域放大单元(20)及探测单元(30)；
所述时域放大单元(20)用于对接收的待测信号光(1)进行采样并时域放大，将中红外波段的信号光转化为近红外/可见波段；
所述探测单元(30)用于接收并记录时域放大单元(20)处理后的待测信号光(1)信息。
2.根据权利要求1所述的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特征在于：所述时域放大单元(20)包括合束器(9)、分别位于合束器(9)两路入射光路中的信号光光路、泵浦光光路及位于合束器(9)出射光路中的新频率光光路；
所述信号光光路包括沿光路设置的衰减器(2)、第一偏振控制器(3)及第一色散介质(4)；
所述泵浦光光路包括沿光路设置的泵浦源(5)、第二偏振控制器(7)及第二色散介质(8)；
所述新频率光光路包括沿光路依次设置的铌酸锂波导(10)、滤波器(11)及第三色散介质(12)；
所述信号光光路中，衰减器(2)用于调节信号光的强度，使得信号光满足发生三波混频的强度条件；第一偏振控制器(3)用于对信号光偏振调节，使得信号光满足发生三波混频的相位匹配条件；第一色散介质(4)用于对信号光频域进行二次相位调制；
所述泵浦光光路中，泵浦源(5)用于提供三波混频过程的泵浦光；第二偏振控制器(7)用于对泵浦光偏振调节，使得泵浦光满足发生三波混频的相位匹配条件；第二色散介质(8)用于对泵浦光频域进行二次相位调制；
所述合束器(9)用于对信号光光路输出的信号光和泵浦光光路输出的泵浦光进行合束；
所述铌酸锂波导(10)用于接收合束器(9)输出的合束光并发生三波混频效应；所述滤波器(11)用于滤掉从铌酸锂波导(10)中输出的泵浦光和信号光获得三波混频产生的新频率光；所述第三色散介质(12)用于对新频率光频域进行二次相位调制。
3.根据权利要求2所述的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特征在于：所述时域放大单元(20)还包括设置在泵浦光光路或信号光光路中的时间延迟线(6)，用于调节泵浦光与信号光在时域上的同步。
4.根据权利要求3所述的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特征在于：所述探测单元(30)包括实时示波器(14)与光电探测器(13)，光电探测器(13)的输入端与时域放大单元(20)的输出端连接，光电探测器(13)的输出端接实时示波器(14)。
5.根据权利要求4所述的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特征在于：所述光电探测器(13)为GHz带宽的光电探测器(13)，实时示波器(14)为GHz带宽的实时示波器(14)。
6.根据权利要求5所述的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置，其特征在于：所述第一色散介质(4)、第二色散介质(8)及第三色散介质(12)均为单模光纤，各色散介质色散大小不同。
7.一种基于权利要求1所述的中红外超快光信号高速实时采样与测量装置实现中红外超快光信号高速实时采样与测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用时域放大单元对入射至时域放大单元内的中红外波段的信号光进行采样和时域放大，将中红外波段的信号光转化为近红外/可见波段；
步骤二、利用探测单元接收并记录时域放大单元处理后待测信号光的信息，实现中红外超快光信号的高速实时采样与测量。
8.根据权利要求7所述的实现中红外超快光信号高速实时采样与测量方法，其特征在于，步骤一具体为：
控制泵浦源出射泵浦光；利用衰减器调节信号光的强度，使信号光满足发生三波混频的强度条件；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三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，使泵浦光与信号光在时域上同步；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，使得对泵浦光引入线性频率啁啾和信号光时域展宽；二次相位调制后的信号光和泵浦光经合束器合束后注入铌酸锂波导中，发生高效三波混频效应，产生新频率信号光，经滤波器滤波后输出三波混频产生的新频率信号光，并利用第三色散介质对其频域进行二次相位调制，实现信号光的时域放大。
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