CN111289223A - 一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法 - Google Patents

一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111289223A
CN111289223A CN201911313230.2A CN201911313230A CN111289223A CN 111289223 A CN111289223 A CN 111289223A CN 201911313230 A CN201911313230 A CN 201911313230A CN 111289223 A CN111289223 A CN 111289223A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
light
optical
spatial
comb laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911313230.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111289223B (zh
Inventor
葛锦蔓
李小军
曾和平
和新阳
闫明
王迪
龚静文
张武
朱忠博
蒋炜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Institute of Space Radio Technology
Original Assignee
Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Institute of Space Radio Technology filed Critical Xian Institute of Space Radio Technology
Priority to CN201911313230.2A priority Critical patent/CN111289223B/zh
Publication of CN111289223A publication Critical patent/CN111289223A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111289223B publication Critical patent/CN111289223B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0207—Details of measuring devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0271—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by using interferometric methods

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法，采用两台时频域精密控制的光频梳激光器构成双光路测试系统，设计了一种实时相位测量方法，用于实现液晶光学相控阵天线各通道相位畸变的实时测量。其中色散模块对测试光进行空间色散，利用光频梳光源的宽光谱特性，实现液晶光学相控天线各个通道波前相位畸变的实时高分辨检测。利用两台光频梳的重复频率存在的微小重复频率差，对光信号进行下采样，再通过高精度的时频分析实现实时高分辨的相位畸变检测，这不仅为实现液晶光学相控阵相位畸变的高精度实时相位补偿提供了可靠的依据，还为实现非机械式光束偏转技术在空间光通信中的应用奠定了基础。

Description

一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法
技术领域
本发明属于双光梳拍频技术领域，尤其涉及一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法。
背景技术
随着空间多波束激光通信的发展，捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统正朝向高集成化、轻量化是的方向发展。因此，基于光学相控阵天线的非机械式光束偏转技术引起了国内外研究人员的广泛关注，是最具发展潜力的光束偏转方法，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜能。
光学相控阵天线主要由液晶光学相控阵元件和波控器两部分构成，其中液晶光学相控阵元件(LCOPA)是光束偏转的核心元件，它主要是基于液晶材料的双折射效应，通过波控器输出的外加驱动电压来控制液晶材料的偏转，从而得到自定义的LCOPA波前相位分布，以此实现稳定灵活、无惯性、捷变的光束偏转。因此，LCOPA的波前相位分布特性是其性能优劣的最直接和最根本的体现。
影响LCOPA波前相位分布特性的因素主要有两个：一是在生产工艺方面，液晶表面做不到绝对均匀、驱动电极尺寸和电极间距的精度控制等因素都必将引入波前相位畸变；二是在电压控制方面，受外部驱动电压的量化误差以及加载误差的影响，也必然会引入波前相位畸变。总之，LCOPA的波前相位畸变是不可避免的，因此，必须对光学相控阵天线通道做高精度的波前相位畸变校准。
若要进行波前相位畸变的校准，则必须首先准确地测量出波前相位畸变，从而得到精准的相位校准矩阵。目前研究的LCOPA尺寸仅cm量级，通常是一维电极驱动方式。美国雷声公司研制出的LCOPA孔径仅4cm×4cm，其像素尺寸仅为8μm。也就是说，该LCOPA天线的通道宽度仅为8μm。光学相控阵天线的通道几何尺寸很小，并且无法对每一个通道进行单独的测量校准。就目前的波前相位畸变检测方法来看，只能所有通道的相位同时进行测量。
但是就目前现有的波前检测方法来说，无法实时快速地获取LCOPA波前相位畸变。美国的雷声公司曾采用马赫泽德移相干涉仪对LCOPA进行了波前测量，但由于干涉测量对环境要求高而导致波前畸变的测量精度并不理想。国内也有些科研人员利用Mach-Zehnder移相干涉方法、径向剪切干涉方法以及正交移向干涉法这三种方法先后对LCOPA进行了波前相位畸变检测的研究。虽然这几种方法均能高精度的测出LCOPA的波前畸变，但是却都不能实时获取 LCOPA天线通道的波前相位畸变的精确测量。主要原因在于：基于光干涉原理的这些波前检测方法，测量的都是远场的干涉波前相位分布，利用波前恢复算法复原得到的波前畸变实际是远场合成的波前相位，与LCOPA驱动电极的空间位置并不是一一对应的关系，而是复杂的干涉叠加关系，无法直接对应出 LCOPA波前相位畸变的来源(即LCOPA的驱动单元所在位置)。因此，只能扫描式地进行不同个数的驱动电极电压作用下的LCOPA波前相位畸变测量，然后再将最终获取的全部驱动电压作用下的所测得的波前相位畸变进行反演复原，通过复杂的算法处理后才能准确定位波前相位畸变所产生的LCOPA驱动电极的空间位置。这种方式耗时太长，并且波前畸变复原过程也很复杂。曾经有人在干涉波前检测的光路中，设计加入了一个4f系统，实现了LCOPA空间位置与波前相位畸变之间的镜像对应关系。但是，由于干涉图的空间分辨率无法达到微米量级而无法准确获取相位畸变的校准矩阵。因此，如何快速精确的获取LCOPA天线通道的波前相位畸变校准矩阵成了一个难题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提高了一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法，利用光频梳的宽光谱特性，通过色散形成空间啁啾探测光阵列，从而大大提高了波前相位检测的空间分辨率。并且本发明结合双光梳拍频技术和时频分析方法，利用两个光频梳之间微小的重复频率差首次实现了仅单次测量即可快速准确获取光学相控阵天线的相位畸变校准矩阵，大大提高了波前相位畸变校准的速度。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统，包括：信号产生模块、空间色散模块和信号获取与分析模块；其中，所述信号产生模块包括第一光频梳激光器、第二光频梳激光器、锁相器和频率调制器；所述信号获取与分析模块包括光电探测器、信号采集模块和时频分析模块；其中，所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述锁相器相连接，所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述频率调制器相连接；所述第一光频梳激光器发出探测光，所述第二光频梳激光器第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；所述频率调制器将所述第一光频梳激光器的重复频率和所述第二光频梳激光器的重复频率之间调制成存在一个重复频率差；探测光进入空间色散模块，利用光学衍射元件，如光栅、棱镜、平板玻璃等，空间色散模块对该探测光进行空间色散，生成空间高分辨的空间啁啾探测光阵列，该探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极空间位置一一对应；其中，被测件为液晶光学相控阵元件；空间高分辨的空间啁啾探测光阵列经过被测件后生成携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列；携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列与本振光进行合束，再聚焦至光电探测器的灵敏面上，生成拍频信号；所述信号采集模块对所述拍频信号进行信号采集，所述时频分析模块基于时频分析方法对所述拍频信号进行傅里叶变换并提取相位信息，最终恢复得到被测件的波前相位分布。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量系统中，第一光频梳激光器的重复频率为fr1，第二光频梳激光器的重复频率为fr2，此时fr2＝fr1+Δfr，其中，Δfr即为这两台光频梳光源的重复频率差；
所述探测光和所述本振光均含有N根梳齿，则本振光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr1,f0+2fr1,…,f0+Nfr1，并且探测光中包含的空间光频率有： f0,f0+fr2,f0+2fr2,…,f0+Nfr2，其中，f0是第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的中心波长；
探测光的电场可以表示为：
Figure BDA0002325107000000041
参考光的电场可以表示为：
Figure BDA0002325107000000042
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量系统中，由光电探测器探测到的拍频信号仅为探测光和参考光频率的差频项，其数学模型如下：
Figure BDA0002325107000000043
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅，τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
利用信号采集模块对该拍频信号进行采集后，经过傅里叶变换并提取相位信息，即可获得不同频率空间光的相位延迟τi，用公式可以表示为：
τi＝2π·(i·Δfr)·Δi，i＝1,2,…,N
其中，Δi即为被测件的驱动电极引入的波前畸变；N为梳齿的数量，i为梳齿的序号；
利用探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极的对应关系进行频谱解码，即可实现被测件的波前相位实时测量。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量系统中，该重复频率差的数量级较第一光频梳激光器的重复频率至少相差3个数量级。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量系统中，所述信号采集模块为数据采集卡或者示波器。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量系统中，第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的中心波长均为1550nm。
一种基于双光梳拍频的实时相位测量方法，所述方法包括如下步骤：第一光频梳激光器和第二光频梳激光器分别与锁相器相连接，第一光频梳激光器和第二光频梳激光器分别与频率调制器相连接；第一光频梳激光器发出探测光，第二光频梳激光器第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；频率调制器将第一光频梳激光器的重复频率和第二光频梳激光器的重复频率之间调制成存在一个重复频率差；探测光进入空间色散模块，利用光学衍射元件，如光栅、棱镜、平板玻璃等，空间色散模块对该探测光进行空间色散，生成空间高分辨的空间啁啾探测光阵列，该探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极空间位置一一对应；其中，被测件为液晶光学相控阵元件；空间高分辨的空间啁啾探测光阵列经过被测件后生成携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列；携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列与本振光进行合束，再聚焦至光电探测器的灵敏面上，生成拍频信号；信号采集模块对拍频信号进行信号采集，时频分析模块基于时频分析方法对拍频信号进行傅里叶变换并提取相位信息，最终恢复得到被测件的波前相位分布。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量方法中，第一光频梳激光器的重复频率为fr1，第二光频梳激光器的重复频率为fr2，此时fr2＝fr1+Δfr，其中，Δfr即为这两台光频梳光源的重复频率差；
所述探测光和所述本振光均含有N根梳齿，则本振光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr1,f0+2fr1,…,f0+Nfr1，并且探测光中包含的空间光频率有： f0,f0+fr2,f0+2fr2,…,f0+Nfr2，其中，f0是第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的中心波长；
探测光的电场可以表示为：
Figure BDA0002325107000000051
参考光的电场可以表示为：
Figure BDA0002325107000000061
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量方法中，由光电探测器探测到的拍频信号仅为探测光和参考光频率的差频项，其数学模型如下：
Figure BDA0002325107000000062
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅，τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
利用信号采集模块对该拍频信号进行采集后，经过傅里叶变换并提取相位信息，即可获得不同频率空间光的相位延迟τi，用公式可以表示为：
τi＝2π·(i·Δfr)·Δi，i＝1,2,…,N
其中，Δi即为被测件的驱动电极引入的波前畸变；N为梳齿的数量，i为梳齿的序号；
利用探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极的对应关系进行频谱解码，即可实现被测件的波前相位实时测量。
上述基于双光梳拍频的实时相位测量方法中，该重复频率差的数量级较第一光频梳激光器的重复频率至少相差3个数量级。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明针对光学相控阵天线通道的相位畸变快速校准这个难题，提出了一种基于双光梳拍频的实时相位测量方法。本发明利用光频梳的宽光谱特性，通过色散形成空间啁啾探测光阵列，从而大大提高了波前相位检测的空间分辨率。并且本发明结合双光梳拍频技术和时频分析方法，利用两个光频梳之间微小的重复频率差首次实现了仅单次测量即可快速准确获取光学相控阵天线的相位畸变，大大提高了波前相位畸变校准的速度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的基于双光梳拍频的实时相位测量系统的框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
随着超快激光以及锁模激光技术的发展，光学频率梳成了一种新型的宽光谱光源，具有时频域可以精确控制的优点，其频率梳齿(对应不同波长的光) 可以通过光学色散的方式与LCOPA驱动电极的空间位置建立起一一对应的关系，这就给波前相位畸变的实时校准提供了可能。双光梳拍频技术是指利用两台重复频率略有不同的光学频率梳实现均匀且精细的相互采样。这种方法最大的优点是空间分辨率高，且没有可移动的部件，可以同时对所有的信号进行获取，因此系统响应速度快。因此，本发明提出了一种基于双光梳拍频的光学相控阵天线通道实时相位校准方法，为加快LCOPA在空间激光通信领域的工程化应用进度具有重要的意义。为了占领技术市场，申请专利“一种基于双光梳拍频的实时相位测量方法”。
图1是本发明实施例提供的基于双光梳拍频的实时相位测量系统的框图。如图1所示，该基于双光梳拍频的实时相位测量系统包括：信号产生模块、空间色散模块和信号获取与分析模块；其中，
所述信号产生模块包括第一光频梳激光器、第二光频梳激光器、锁相器和频率调制器；
所述信号获取与分析模块包括光电探测器、信号采集模块和时频分析模块；其中，
所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述锁相器相连接，所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述频率调制器相连接；
所述第一光频梳激光器发出探测光，所述第二光频梳激光器第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
所述频率调制器将所述第一光频梳激光器的重复频率和所述第二光频梳激光器的重复频率之间调制成存在一个微小的重复频率差，该重复频率差的数量级较调制前至少相差3个数量级；
探测光进入空间色散模块，利用光学衍射元件，如光栅、棱镜、平板玻璃等，空间色散模块对该探测光进行空间色散，生成空间高分辨的空间啁啾探测光阵列，该探测光阵列中的频率梳齿与被测件的LCOPA的驱动电极空间位置一一对应；
空间高分辨的空间啁啾探测光阵列经过被测件后生成携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列；其中，被测件为液晶光学相控阵元件；
携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列与本振光进行合束，再聚焦至光电探测器的灵敏面上，生成拍频信号；
所述信号采集模块对所述拍频信号通过数据采集卡或者示波器进行信号采集，所述时频分析模块基于时频分析方法对所述拍频信号进行傅里叶变换并提取相位信息，最终恢复得到被测件的波前相位分布。
首先使得第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的重复频率相等，各自分别实现光频梳的自锁，保证其重复频率、零频差的锁定；其次对其中的一台光频梳激光器进行频率微调制，使其重复频率与另一台光频梳激光器的重复频率之间存在一个微小的差异，通常这个微小的重复频率差要比这两台光频梳的重复频率量级至少相差3个数量级。
第一光频梳激光器的重复频率为fr1，第二光频梳激光器的重复频率为fr2，此时fr2＝fr1+Δfr，其中，Δfr即为这两台光频梳光源的重复频率差；
所述探测光和所述本振光均含有N根梳齿，则本振光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr1,f0+2fr1,…,f0+Nfr1，并且探测光中包含的空间光频率有： f0,f0+fr2,f0+2fr2,…,f0+Nfr2，其中。f0是两台光频梳激光器的中心波长，为1550nm；
探测光的电场可以表示为：
Figure BDA0002325107000000091
参考光的电场可以表示为：
Figure BDA0002325107000000092
式中：AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅。
经过被测件LCOPA后，不同频率的空间探测光中携带了被测件LCOPA 不同驱动电极所引入的波前畸变，该探测光在光电探测器的光敏面上与参考光进行拍频后进行信号采集。本发明中所选用的光电探测器带宽为MHz甚至MHz 以下，因此，由光电探测器探测到的拍频信号仅为探测光和参考光频率的差频项，其数学模型如下：
Figure BDA0002325107000000093
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅，τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变(即相位延迟)。利用数据采集卡对该拍频信号进行采集后，经过高精度的时频转换分析及数据处理，即可获得不同频率空间光的相位延迟τi，用公式可以表示为：
τi＝2π·(i·Δfr)·Δi，i＝1,2,…,N
其中，Δi即为被测件LCOPA不同驱动电极引入的波前畸变，即可对LCOPA 进行波前相位恢复。最后，利用探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极的对应关系进行频谱解码，即可实现LCOPA波前相位实时测量。
对一种基于双光梳拍频的实时相位测量方法，进行了仿真验证。假设两台光频梳的中心波长是1550nm，梳齿个数为30根，其中一台光频梳的重复频率为100MHz，另一台的重复频率为100.001MHz，即这两台光频梳的重复频率差为 1kHz。通过MATLAB进行编程仿真，在探测光中设置引入0-2π的不同相位延迟作为波前畸变，并且设置采样频率为500MHz，采样长度5M采样点。仿真结果表明，本发明提出的基于甚多模光频梳异步光学采样的波前溯源方法中，波前相位检测的PV值可以达到0.41rad(λ/15)，RMS值可以达到0.105rad(λ/60)。这一测量精度比目前通常采用的高精度干涉波前检测方法的测试精度略高。
另外，该方法中的色散模块，主要用于将甚多模光频梳的宽光谱光源进行色散，通过MATLAB进行仿真其色散后的空间分辨率。利用空间色散模块可以使得该波前畸变溯源方法的波前检测空间分辨率达到约0.05μm。这一数值已远远小于目前LCOPA的驱动电极间距1μm，因此完全可以保证建立起甚多模光频梳频率梳齿与LCOPA驱动电极的空间准确对应关系。
本实施例还通过了一种基于双光梳拍频的实时相位测量方法，该方法包括如下步骤：
第一光频梳激光器和第二光频梳激光器分别与锁相器相连接，第一光频梳激光器和第二光频梳激光器分别与频率调制器相连接；
第一光频梳激光器发出探测光，第二光频梳激光器第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
频率调制器将第一光频梳激光器的重复频率和第二光频梳激光器的重复频率之间调制成存在一个重复频率差；
探测光进入空间色散模块，利用光学衍射元件，如光栅、棱镜、平板玻璃等，空间色散模块对该探测光进行空间色散，生成空间高分辨的空间啁啾探测光阵列，该探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极空间位置一一对应；其中，被测件为液晶光学相控阵元件；
空间高分辨的空间啁啾探测光阵列经过被测件后生成携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列；
携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列与本振光进行合束，再聚焦至光电探测器的灵敏面上，生成拍频信号；
信号采集模块对拍频信号进行信号采集，时频分析模块基于时频分析方法对拍频信号进行傅里叶变换并提取相位信息，最终恢复得到被测件的波前相位分布。
本发明解决的技术问题是针对光学相控阵天线通道的相位畸变快速校准这个难题，实现液晶光学相控阵通道的实时相位畸变检测，为对其进行下一步的高精度相位校准提供准确的依据。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统，其特征在于包括：信号产生模块、空间色散模块和信号获取与分析模块；其中，
所述信号产生模块包括第一光频梳激光器、第二光频梳激光器、锁相器和频率调制器；
所述信号获取与分析模块包括光电探测器、信号采集模块和时频分析模块；其中，
所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述锁相器相连接，所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述频率调制器相连接；
所述第一光频梳激光器发出探测光，所述第二光频梳激光器第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
所述频率调制器将所述第一光频梳激光器的重复频率和所述第二光频梳激光器的重复频率之间调制成存在一个重复频率差；
探测光进入空间色散模块，利用光学衍射元件，如光栅、棱镜、平板玻璃等，空间色散模块对该探测光进行空间色散，生成空间高分辨的空间啁啾探测光阵列，该探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极空间位置一一对应；其中，被测件为液晶光学相控阵元件；
空间高分辨的空间啁啾探测光阵列经过被测件后生成携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列；
携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列与本振光进行合束，再聚焦至光电探测器的灵敏面上，生成拍频信号；
所述信号采集模块对所述拍频信号进行信号采集，所述时频分析模块基于时频分析方法对所述拍频信号进行傅里叶变换并提取相位信息，最终恢复得到被测件的波前相位分布。
2.根据权利要求1所述的基于双光梳拍频的实时相位测量系统，其特征在于：第一光频梳激光器的重复频率为fr1，第二光频梳激光器的重复频率为fr2，此时fr2＝fr1+Δfr，其中，Δfr即为这两台光频梳光源的重复频率差；
所述探测光和所述本振光均含有N根梳齿，则本振光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr1,f0+2fr1,…,f0+Nfr1，并且探测光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr2,f0+2fr2,…,f0+Nfr2，其中，f0是第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的中心波长；
探测光的电场表示为：
Figure FDA0002325106990000021
参考光的电场表示为：
Figure FDA0002325106990000022
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅。
3.根据权利要求2所述的基于双光梳拍频的实时相位测量系统，其特征在于：由光电探测器探测到的拍频信号仅为探测光和参考光频率的差频项，其数学模型如下：
Figure FDA0002325106990000023
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅，τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
利用信号采集模块对该拍频信号进行采集后，经过傅里叶变换并提取相位信息，即可获得不同频率空间光的相位延迟τi，用公式表示为：
τi＝2π·(i·Δfr)·Δi，i＝1,2,…,N
其中，Δi即为被测件的驱动电极引入的波前畸变；N为梳齿的数量，i为梳齿的序号；
利用探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极的对应关系进行频谱解码，即可实现被测件的波前相位实时测量。
4.根据权利要求1所述的基于双光梳拍频的实时相位测量系统，其特征在于：该重复频率差的数量级较第一光频梳激光器的重复频率至少相差3个数量级。
5.根据权利要求1所述的基于双光梳拍频的实时相位测量系统，其特征在于：所述信号采集模块为数据采集卡或者示波器。
6.根据权利要求2所述的基于双光梳拍频的实时相位测量系统，其特征在于：第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的中心波长均为1550nm。
7.一种基于双光梳拍频的实时相位测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一光频梳激光器和第二光频梳激光器分别与锁相器相连接，第一光频梳激光器和第二光频梳激光器分别与频率调制器相连接；
第一光频梳激光器发出探测光，第二光频梳激光器第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
频率调制器将第一光频梳激光器的重复频率和第二光频梳激光器的重复频率之间调制成存在一个重复频率差；
探测光进入空间色散模块，利用光学衍射元件，如光栅、棱镜、平板玻璃等，空间色散模块对该探测光进行空间色散，生成空间高分辨的空间啁啾探测光阵列，该探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极空间位置一一对应；其中，被测件为液晶光学相控阵元件；
空间高分辨的空间啁啾探测光阵列经过被测件后生成携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列；
携带被测件波前相位畸变信息的探测光阵列与本振光进行合束，再聚焦至光电探测器的灵敏面上，生成拍频信号；
信号采集模块对拍频信号进行信号采集，时频分析模块基于时频分析方法对拍频信号进行傅里叶变换并提取相位信息，最终恢复得到被测件的波前相位分布。
8.根据权利要求7所述的基于双光梳拍频的实时相位测量方法，其特征在于：第一光频梳激光器的重复频率为fr1，第二光频梳激光器的重复频率为fr2，此时fr2＝fr1+Δfr，其中，Δfr即为这两台光频梳光源的重复频率差；
所述探测光和所述本振光均含有N根梳齿，则本振光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr1,f0+2fr1,…,f0+Nfr1，并且探测光中包含的空间光频率有：f0,f0+fr2,f0+2fr2,…,f0+Nfr2，其中，f0是第一光频梳激光器和第二光频梳激光器的中心波长；
探测光的电场表示为：
Figure FDA0002325106990000041
参考光的电场表示为：
Figure FDA0002325106990000042
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅。
9.根据权利要求8所述的基于双光梳拍频的实时相位测量方法，其特征在于：由光电探测器探测到的拍频信号仅为探测光和参考光频率的差频项，其数学模型如下：
Figure FDA0002325106990000043
其中，AN是探测光的电场的振幅，BN是参考光的电场的振幅，τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；τi表示空间探测光阵列中不同频率的空间光中所引入的不同的波前畸变；
利用信号采集模块对该拍频信号进行采集后，经过傅里叶变换并提取相位信息，即可获得不同频率空间光的相位延迟τi，用公式可以表示为：
τi＝2π·(i·Δfr)·Δi，i＝1,2,…,N
其中，Δi即为被测件的驱动电极引入的波前畸变；N为梳齿的数量，i为梳齿的序号；
利用探测光阵列中的频率梳齿与被测件的驱动电极的对应关系进行频谱解码，即可实现被测件的波前相位实时测量。
10.根据权利要求8所述的基于双光梳拍频的实时相位测量方法，其特征在于：该重复频率差的数量级较第一光频梳激光器的重复频率至少相差3个数量级。
CN201911313230.2A 2019-12-19 2019-12-19 一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法 Active CN111289223B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911313230.2A CN111289223B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911313230.2A CN111289223B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111289223A true CN111289223A (zh) 2020-06-16
CN111289223B CN111289223B (zh) 2021-12-07

Family

ID=71025357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911313230.2A Active CN111289223B (zh) 2019-12-19 2019-12-19 一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111289223B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111693509A (zh) * 2020-06-23 2020-09-22 清华大学 差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统与方法
CN111934783A (zh) * 2020-07-29 2020-11-13 电子科技大学 基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法
CN113419229A (zh) * 2021-06-04 2021-09-21 广东工业大学 一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法
CN113932729A (zh) * 2021-08-24 2022-01-14 西安空间无线电技术研究所 一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法
CN113965266A (zh) * 2021-09-26 2022-01-21 中国科学院微小卫星创新研究院 基于飞秒光梳的时频传递和通信一体化系统及方法
CN114153137A (zh) * 2021-11-03 2022-03-08 北京大学 一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置及方法
WO2022070949A1 (ja) * 2020-09-30 2022-04-07 株式会社デンソー 光学スキャナ

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102967274A (zh) * 2012-11-14 2013-03-13 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种测量物体表面形貌的方法
CN103712689A (zh) * 2014-01-02 2014-04-09 上海朗研光电科技有限公司 基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置
CN104236857A (zh) * 2014-09-11 2014-12-24 电子科技大学 基于四分之一波片法的液晶光学移相分布检测系统及方法
JP2017078569A (ja) * 2014-02-28 2017-04-27 国立大学法人埼玉大学 過渡吸収応答検出装置および過渡吸収応答検出方法
CN107219002A (zh) * 2017-04-19 2017-09-29 华中科技大学 一种超高分辨率光谱测量方法及系统
CN108844493A (zh) * 2018-07-04 2018-11-20 天津大学 电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102967274A (zh) * 2012-11-14 2013-03-13 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种测量物体表面形貌的方法
CN103712689A (zh) * 2014-01-02 2014-04-09 上海朗研光电科技有限公司 基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置
JP2017078569A (ja) * 2014-02-28 2017-04-27 国立大学法人埼玉大学 過渡吸収応答検出装置および過渡吸収応答検出方法
CN104236857A (zh) * 2014-09-11 2014-12-24 电子科技大学 基于四分之一波片法的液晶光学移相分布检测系统及方法
CN107219002A (zh) * 2017-04-19 2017-09-29 华中科技大学 一种超高分辨率光谱测量方法及系统
CN108844493A (zh) * 2018-07-04 2018-11-20 天津大学 电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
郑春艳等: "液晶闪耀光栅波前相位测量方法", 《中国激光》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111693509B (zh) * 2020-06-23 2021-04-23 清华大学 差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统与方法
CN111693509A (zh) * 2020-06-23 2020-09-22 清华大学 差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统与方法
CN111934783A (zh) * 2020-07-29 2020-11-13 电子科技大学 基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法
CN111934783B (zh) * 2020-07-29 2021-07-13 电子科技大学 基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法
JP7463929B2 (ja) 2020-09-30 2024-04-09 株式会社デンソー 光学スキャナ
WO2022070949A1 (ja) * 2020-09-30 2022-04-07 株式会社デンソー 光学スキャナ
CN113419229B (zh) * 2021-06-04 2023-07-25 广东工业大学 一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法
CN113419229A (zh) * 2021-06-04 2021-09-21 广东工业大学 一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法
CN113932729A (zh) * 2021-08-24 2022-01-14 西安空间无线电技术研究所 一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法
CN113932729B (zh) * 2021-08-24 2024-02-09 西安空间无线电技术研究所 一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法
CN113965266A (zh) * 2021-09-26 2022-01-21 中国科学院微小卫星创新研究院 基于飞秒光梳的时频传递和通信一体化系统及方法
CN113965266B (zh) * 2021-09-26 2023-10-17 中国科学院微小卫星创新研究院 基于飞秒光梳的时频传递和通信一体化系统及方法
CN114153137B (zh) * 2021-11-03 2022-08-05 北京大学 一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置及方法
CN114153137A (zh) * 2021-11-03 2022-03-08 北京大学 一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111289223B (zh) 2021-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111289223B (zh) 一种基于双光梳拍频的实时相位测量系统及方法
Walmsley et al. Characterization of ultrashort electromagnetic pulses
CN104316186B (zh) 一种基于光学频率梳的光谱测量方法
CN102246016B (zh) 具有频率梳光源的傅里叶变换光谱仪
CN107219002B (zh) 一种超高分辨率光谱测量方法及系统
CN102576971A (zh) 锁模激光器的光信号处理
CN102680118B (zh) 一种激光器频率稳定度的测量方法和装置
WO2017169800A1 (ja) パルス光の波形計測方法及び波形計測装置
Borrego-Varillas et al. Optimized ancillae generation for ultra-broadband two-dimensional spectral-shearing interferometry
CN112683495A (zh) 一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法及装置
Davis et al. Experimental single-photon pulse characterization by electro-optic shearing interferometry
Zhou et al. A unified framework for photonic time‐stretch systems
Zhu et al. Self-vernier effect-assisted optical fiber sensor based on microwave photonics and its machine learning analysis
Howard et al. Optical coherence techniques for plasma spectroscopy
JPH0599610A (ja) ビームの波面を検出する方法およびこの方法を実施するための装置
Hou et al. Method of high-precision spatial distance measurement based on optical-carried microwave interference
CN114826395B (zh) 光子辅助的微波信号多参数测量方法及装置
CN114024611B (zh) 探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法及装置
Tian et al. Deep Learning Assisted Wide-range Microwave Photonic Sensing
CN214893682U (zh) 一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置
CN112595425B (zh) 一种超短激光脉冲测量方法及测量系统
US20040257578A1 (en) Optical pulse characterization for telecommunications applications
Zuo et al. Phase‐Stable Multidimensional Coherent Spectroscopy Based on Dual‐Comb Interferometry
CN111750988A (zh) 一种弹光调制型光谱仪的触发采样装置及方法
Xiao et al. Ultra-fast wavemeter for CW laser based on wavelength-to-time mapping

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant