CN110954224A - 一种时间抖动频谱测量装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间抖动频谱测量装置和方法，解决现有装置和方法结构复杂、不便操作的问题。所述装置，包含：第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一光学晶体、第二光学晶体、第一探测采集模块、第二探测采集模块、上位机；所述第一、第二飞秒激光器，用于产生重复频率不同、偏振方向正交的激光脉冲；所述第一、第二光学晶体，用于输出第一、第二倍频光信号；所述第一、第二探测采集模块，分别用于接收所述第一、第二倍频光信号，进行光电转换和低通滤波，输出第一、第二包络信号；所述上位机，用于接收所述第一、第二包络信号，拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱。本发明易于工程实现。

Description

一种时间抖动频谱测量装置、方法

技术领域

本发明涉及光电转换技术领域，尤其涉及一种时间抖动频谱测量装置和方法。

背景技术

常规的高精度锁模激光器时间抖动频谱测量采用光学平衡互相关方法，两台重复频率相同的锁模激光器输出的激光脉冲在空间重合，并同时经过光学倍频晶体，晶体输出端面的镀膜使倍频光脉冲透过，基频光被反射并再次通过晶体，进而产生另一倍频光脉冲，两个倍频光脉冲被平衡探测器获得，输出差异信号。实际中，两台激光器之间的状态相对变化会造成脉冲重合程度的变化，从而使平衡探测器输出的差异信号发生幅度变化。光学平衡互相关方法的缺点是光学平衡互相关法的信号产生探测部分光路调节复杂，操作复杂、不方便使用。

发明内容

本发明提供一种时间抖动频谱测量装置和方法，解决现有装置和方法结构复杂、不便操作的问题。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

本发明实施例指出一种时间抖动频谱测量装置，包含：第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一光学晶体、第二光学晶体、第一探测采集模块、第二探测采集模块、上位机；所述第一飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第一本地脉冲和第一共路脉冲；所述第二飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第二本地脉冲和第二共路脉冲，所述第二飞秒激光器与第一飞秒激光器产生的激光脉冲的重复频率不同、偏振方向正交；所述第一光学晶体，用于接收所述第一本地脉冲、第二共路脉冲，输出第一倍频光信号；所述第二光学晶体，用于接收所述第二本地脉冲、第一共路脉冲，输出第二倍频光信号；所述第一、第二探测采集模块，分别用于接收所述第一、第二倍频光信号，进行光电转换和低通滤波，输出第一、第二包络信号；所述上位机，用于接收所述第一、第二包络信号，拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱：

其中，τ₁₂为所述时间抖动偏差，ΔT₁、ΔT₂分别为所述第一、第二脉冲重合时刻，

为所述时间抖动频谱，F{τ₁₂}为所述时间抖动偏差的傅里叶变换。

优选地，所述第一、第二光学晶体均为第二类相位匹配非线性光学晶体。

优选地，所述第一探测采集模块，包含：第一光电探测器、第一低通滤波器、第一数据采集卡；所述第二探测采集模块，包含：第二光电探测器、第二低通滤波器、第二数据采集卡；所述第一光电探测器，用于接收所述第一倍频光信号，光电转换输出第一倍频电信号；所述第一低通滤波器，用于接收所述第一倍频电信号，提取峰值点，输出第一峰值信号；所述第一数据采集卡，用于接收所述第一峰值信号，离散化处理，输出所述第一包络信号；所述第二光电探测器，用于接收所述第二倍频光信号，光电转换输出第二倍频电信号；所述第二低通滤波器，用于接收所述第二倍频电信号，提取峰值点，输出第二峰值信号；所述第二数据采集卡，用于接收所述第二峰值信号，离散化处理，输出所述第二包络信号。

进一步地，所述第一共路脉冲和第二共路脉冲经过相同的自由空间传递链路，完成相向传播。

进一步地，所述第一飞秒激光器与第二飞秒激光器重复频率不同，所述第一共路脉冲和第一本地脉冲发生时域扫描，第二共路脉冲和第二本地脉冲发生时域扫描。

本发明实施例还指出一种时间抖动频谱测量方法，用于所述装置，包含以下步骤：通过所述第一、第二飞秒激光器产生重复频率不同、偏振方向正交的激光脉冲：第一本地脉冲、第一共路脉冲、第二本地脉冲、第二共路脉冲；对所述第一本地脉冲、第二共路脉冲完成激光合束，得到第一倍频光信号，对所述第二本地脉冲、第一共路脉冲完成激光合束，得到第二倍频光信号；分别对所述第一、第二倍频光信号进行光电转换、峰值点提取、离散化处理得到第一、第二包络信号；分别对所述第一、第二包络信号拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱：

其中，τ₁₂为所述时间抖动偏差，ΔT₁、ΔT₂分别为所述第一、第二脉冲重合时刻，

为所述时间抖动频谱，F{τ₁₂}为所述时间抖动偏差的傅里叶变换。

本发明有益效果包括：本发明采用第二类相位匹配的光学二次谐波产生技术，简化探测部分复杂度，并简化时间戳解算过程；另外，采用双向共光路配置，有效消除脉冲传输路径变化引起的测量误差。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种时间抖动频谱测量装置实施例；

图2为一种时间抖动频谱测量装置的第一探测采集模块实施例；

图3为一种时间抖动频谱测量方法流程实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明创新点为：第一，本发明采用第二类相位匹配的光学二次谐波产生技术，提取待检测信号包络，简化了探测部分复杂度；第二，本发明采用激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除了激光脉冲传播路径变化引入的误差，提高了测量精度。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种时间抖动频谱测量装置实施例，应用高精度锁模激光器测量时间抖动频谱，一种时间抖动频谱测量装置，包含：第一飞秒激光器1、第二飞秒激光器2、第一光学晶体3、第二光学晶体4、第一探测采集模块5、第二探测采集模块6、上位机7。

所述第一飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第一本地脉冲和第一共路脉冲；所述第二飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第二本地脉冲和第二共路脉冲，所述第二飞秒激光器与第一飞秒激光器产生的激光脉冲的重复频率不同、偏振方向正交；所述第一光学晶体，用于接收所述第一本地脉冲、第二共路脉冲，输出第一倍频光信号；所述第二光学晶体，用于接收所述第二本地脉冲、第一共路脉冲，输出第二倍频光信号；所述第一、第二探测采集模块，分别用于接收所述第一、第二倍频光信号，进行光电转换和低通滤波，输出第一、第二包络信号；所述上位机，用于接收所述第一、第二包络信号，拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱：

其中，τ₁₂为所述时间抖动偏差，ΔT₁、ΔT₂分别为所述第一、第二脉冲重合时刻，

为所述时间抖动频谱，F{τ₁₂}为所述时间抖动偏差的傅里叶变换。

在本发明实施例中，所述第一、第二光学晶体均为第二类相位匹配非线性光学晶体。

在本发明实施例中，所述第一共路脉冲和第二共路脉冲经过相同的自由空间传递链路，完成相向传播。

在本发明实施例中，两台脉冲激光器，采用共光路双向对称传递方式，向对侧激光器发射激光脉冲，即第一飞秒激光器应用空间对准技术向第二飞秒激光器发射所述第一共路脉冲，第二飞秒激光器应用空间对准技术向第一飞秒激光器发射所述第二共路脉冲。

在本发明实施例中，所述第一飞秒激光器与第二飞秒激光器重复频率不同，所述第一共路脉冲和第一本地脉冲发生时域扫描，第二共路脉冲和第二本地脉冲发生时域扫描。

采用共路双向对称传递的方式可消除环境变化引起的传输光程变化，排除传输路径延迟影响。设定双向传输脉冲的重复频率具有微小差异，使得激光脉冲之间在时域内存在相对扫描关系，即周期性的重合与分离；并且使异步脉冲串的偏振方向正交。

在本发明实施例中，当脉冲在时域内重合时，利用第二类相位匹配的光学二次谐波产生技术产生倍频光信号，此信号为两脉冲的重合部分强度乘积，通过光电探测器转换及电学低通滤波，获得倍频光脉冲峰值点包络。

在本发明实施例中，具体信号采集转换过程为：倍频光信号被光电探测器转换为分立的电脉冲信号，之后通过电学低通滤波器提取电脉冲的峰值点，利用数据采集卡将滤波信号离散化，最终，传输至上位机。在上位机中，通过数据拟合计算出脉冲重合时间戳。此时间戳与理想时刻存在偏差ΔT₁与ΔT₂。

在本发明实施例中，在上位机中拟合得到的所述第一包络信号、第二包络信号的包络峰值时刻，即为所述第一脉冲重合时刻、第二脉冲重合时刻，并记录对应的时间戳。实际中，所述第一脉冲重合时刻、第二脉冲重合时刻的重合时间戳与理想值存在一定偏差。分别测量双向的时间偏差，根据双向测量原理，可计算出两台激光器的时间抖动变化，作傅里叶变换后可获得时间抖动频谱。

本发明实施例提供一种信号包络检测的锁模激光器时间抖动频谱测量装置，可简化已有光学平衡互相关法的信号产生探测部分复杂的结构，且不增加额外成本，工程实现性强。

图2为一种时间抖动频谱测量装置的第一探测采集模块实施例，本发明实施例对所述第一探测采集模块进行了细化说明，作为本发明实施例，一种时间抖动频谱测量装置，包含：第一飞秒激光器1、第二飞秒激光器2、第一光学晶体3、第二光学晶体4、第一探测采集模块5、第二探测采集模块6、上位机7。

所述第一探测采集模块，包含：第一光电探测器8、第一低通滤波器9、第一数据采集卡10。

所述第二探测采集模块，包含：第二光电探测器、第二低通滤波器、第二数据采集卡。

在本发明实施例中，所述第一飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第一本地脉冲和第一共路脉冲；所述第二飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第二本地脉冲和第二共路脉冲，所述第二飞秒激光器与第一飞秒激光器产生的激光脉冲的重复频率不同、偏振方向正交；所述第一光学晶体，用于接收所述第一本地脉冲、第二共路脉冲，输出第一倍频光信号；所述第二光学晶体，用于接收所述第二本地脉冲、第一共路脉冲，输出第二倍频光信号。

所述第一光电探测器，用于接收所述第一倍频光信号，光电转换输出第一倍频电信号；所述第一低通滤波器，用于接收所述第一倍频电信号，提取峰值点，输出第一峰值信号；所述第一数据采集卡，用于接收所述第一峰值信号，离散化处理，输出所述第一包络信号。

所述第二光电探测器，用于接收所述第二倍频光信号，光电转换输出第二倍频电信号；所述第二低通滤波器，用于接收所述第二倍频电信号，提取峰值点，输出第二峰值信号；所述第二数据采集卡，用于接收所述第二峰值信号，离散化处理，输出所述第二包络信号。

所述上位机，用于接收所述第一、第二包络信号，拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱。

在本发明实施例中，所述第一飞秒激光器与第二飞秒激光器输出的激光脉冲分为两束，一束用于本地脉冲重合探测，一束用于共路双向传递。两台激光器的重复频率分别为fr与fr+Δfr，使得来自不同激光器的脉冲发生时域扫描，同时使脉冲偏振方向正交。

如图2所示，当偏振正交脉冲在时域重合时，第一光学晶体与第二光学晶体均可输出倍频光信号，即第一倍频光信号与第二倍频光信号。倍频光信号被第一探测采集模块与第二探测采集模块获得。

具体信号采集转换过程为：所述第一倍频光信号被所述第一光电探测器转换为分立的电脉冲信号，即所述第一倍频电信号，之后通过所述第一低通滤波器提取所述第一倍频电信号的峰值点，利用所述第一数据采集卡将滤波信号离散化得到所述第一包络信号，最终，传输至上位机。

相应地，所述第二倍频光信号被所述第二光电探测器转换为分立的电脉冲信号，即所述第二倍频电信号，之后通过所述第二低通滤波器提取所述第二倍频电信号的峰值点，利用所述第二数据采集卡将滤波信号离散化得到所述第二包络信号，最终，传输至上位机。

在上位机中，通过数据拟合计算出脉冲重合时间戳。此时间戳与理想时刻存在偏差ΔT₁与ΔT₂。根据双向传递测量原理，可准确解算出激光器之间的相对时间抖动偏差τ₁₂，对τ₁₂作傅里叶变换，可获得激光器之间的时间抖动频谱。

需要说明的是，本发明实施例图2中指出了所述第一探测采集模块的具体组成，所述第二探测采集模块的具体组成与所述第一探测采集模块相同，这里不重复表述。

本发明实施例详细描述了所述第一探测采集模块组成，更具工程实现性。同时，本发明采用第二类相位匹配的光学二次谐波产生技术，提取待检测信号包络，简化探测部分复杂度。同时，采用激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除激光脉冲传播路径变化引入的误差。

图3为一种时间抖动频谱测量方法流程实施例，可用于本发明第一和或第二实施例的所述装置，一种时间抖动频谱测量方法，具体包含以下步骤：

步骤101，通过所述第一、第二飞秒激光器产生重复频率不同、偏振方向正交的激光脉冲：第一本地脉冲、第一共路脉冲、第二本地脉冲、第二共路脉冲。

在步骤101中，所述第一本地脉冲与所述第一共路脉冲通过所述第一飞秒激光器产生，二者为相同的脉冲信号；所述第二本地脉冲与所述第二共路脉冲通过所述第二飞秒激光器产生，二者为相同的脉冲信号，且所述第一本地脉冲与所述第二本地脉冲的重复频率相近似、偏振方向相正交。

步骤102，对所述第一本地脉冲、第二共路脉冲完成激光合束，得到第一倍频光信号，对所述第二本地脉冲、第一共路脉冲完成激光合束，得到第二倍频光信号。

在步骤102中，通过第一光学晶体对所述第一本地脉冲、第二共路脉冲完成激光合束，采用第二类相位匹配的光学二次谐波产生技术；通过第二光学晶体对所述第二本地脉冲、第一共路脉冲完成激光合束，采用第二类相位匹配的光学二次谐波产生技术。

步骤103，分别对所述第一、第二倍频光信号进行光电转换、峰值点提取、离散化处理得到第一、第二包络信号。

步骤104，分别对所述第一、第二包络信号拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱：

其中，τ₁₂为所述时间抖动偏差，ΔT₁、ΔT₂分别为所述第一、第二脉冲重合时刻，

为所述时间抖动频谱，F{τ₁₂}为所述时间抖动偏差的傅里叶变换。

本发明实施例提供了一种时间抖动频谱测量方法，应用双向传递测量原理，可准确解算出激光器之间的时间抖动偏差。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种时间抖动频谱测量装置，其特征在于，包含：第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一光学晶体、第二光学晶体、第一探测采集模块、第二探测采集模块、上位机；

所述第一飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第一本地脉冲和第一共路脉冲；

所述第二飞秒激光器，用于产生两路相同的激光脉冲，第二本地脉冲和第二共路脉冲，所述第二飞秒激光器与第一飞秒激光器产生的激光脉冲的重复频率不同、偏振方向正交；

所述第一光学晶体，用于接收所述第一本地脉冲、第二共路脉冲，输出第一倍频光信号；

所述第二光学晶体，用于接收所述第二本地脉冲、第一共路脉冲，输出第二倍频光信号；

所述第一、第二探测采集模块，分别用于接收所述第一、第二倍频光信号，进行光电转换和低通滤波，输出第一、第二包络信号；

所述上位机，用于接收所述第一、第二包络信号，拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱：

其中，τ₁₂为所述时间抖动偏差，ΔT₁、ΔT₂分别为所述第一、第二脉冲重合时刻，

为所述时间抖动频谱，F{τ₁₂}为所述时间抖动偏差的傅里叶变换。

2.如权利要求1所述的时间抖动频谱测量装置，其特征在于，所述第一、第二光学晶体均为第二类相位匹配非线性光学晶体。

3.如权利要求1所述的时间抖动频谱测量装置，其特征在于，

所述第一探测采集模块，包含：第一光电探测器、第一低通滤波器、第一数据采集卡；

所述第二探测采集模块，包含：第二光电探测器、第二低通滤波器、第二数据采集卡；

所述第一光电探测器，用于接收所述第一倍频光信号，光电转换输出第一倍频电信号；

所述第一低通滤波器，用于接收所述第一倍频电信号，提取峰值点，输出第一峰值信号；

所述第一数据采集卡，用于接收所述第一峰值信号，离散化处理，输出所述第一包络信号；

所述第二光电探测器，用于接收所述第二倍频光信号，光电转换输出第二倍频电信号；

所述第二低通滤波器，用于接收所述第二倍频电信号，提取峰值点，输出第二峰值信号；

所述第二数据采集卡，用于接收所述第二峰值信号，离散化处理，输出所述第二包络信号。

4.如权利要求1所述的时间抖动频谱测量装置，其特征在于，

所述第一共路脉冲和第二共路脉冲经过相同的自由空间传递链路，完成相向传播。

5.如权利要求1所述的时间抖动频谱测量装置，其特征在于，

所述第一飞秒激光器与第二飞秒激光器重复频率不同，所述第一共路脉冲和第一本地脉冲发生时域扫描，第二共路脉冲和第二本地脉冲发生时域扫描。

6.一种时间抖动频谱测量方法，用于权利要求1～5任一项的所述装置，其特征在于，包含以下步骤：

通过所述第一、第二飞秒激光器产生重复频率不同、偏振方向正交的激光脉冲：第一本地脉冲、第一共路脉冲、第二本地脉冲、第二共路脉冲；

对所述第一本地脉冲、第二共路脉冲完成激光合束，得到第一倍频光信号，对所述第二本地脉冲、第一共路脉冲完成激光合束，得到第二倍频光信号；

分别对所述第一、第二倍频光信号进行光电转换、峰值点提取、离散化处理得到第一、第二包络信号；

分别对所述第一、第二包络信号拟合得到第一、第二脉冲重合时刻，并计算得到时间抖动偏差与时间抖动频谱：

其中，τ₁₂为所述时间抖动偏差，ΔT₁、ΔT₂分别为所述第一、第二脉冲重合时刻，

为所述时间抖动频谱，F{τ₁₂}为所述时间抖动偏差的傅里叶变换。

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