CN111290193A - 一种倍频装置及全光纤自相关仪 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种倍频装置及全光纤自相关仪。该倍频装置包括第一光纤、自聚焦透镜、倍频晶体以及第二光纤；第一光纤的第一端用于输入基频光，自聚焦透镜设置于第一光纤的第二端；倍频晶体设置于自聚焦透镜与第二光纤的第一端之间，倍频晶体用于将基频光转换为倍频光；第二光纤的第二端用于输出倍频光。本发明实施例提供的倍频装置采用全光纤结构，避免光线在空间中传输，有利于实现自相关仪的全光纤化，降低自相关仪的成本，提高自相关仪的便携性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及脉冲测量技术，尤其涉及一种倍频装置及全光纤自相关仪。
背景技术
随经济的发展以及科技的进步，皮秒、飞秒脉冲激光器已经广泛应于光通信、传感、生物、医学、工业加工、科研等各行业领域。光纤激光器因其结构紧凑、无需复杂光路调节、环境适应性好、转化效率高又契合现代光纤通信等特点，成为目前研究热点领域。
全光纤激光器通过被动锁模方式实现皮秒、飞秒脉冲光输出已经被大量报道，而对于超短脉冲而言一个重要的参数就是脉冲宽度，自相关法(Autocorrelation，AC)是目前常用的一种脉冲宽度测量方法，该方法将激光脉冲分为两路，其中一路激光引入延时，再使两路光束进行合并通入倍频装置产生二次谐波，使其中一路光束对另一路进行扫描，得到自相关曲线，对自相关曲线进行曲线拟合即可得到脉冲宽度。目前实现商用的自相关仪中的倍频装置基本为体光学元件组成，体光学元件体积较大，且采用空间光路，不利于自相关仪的小型化、便携化的发展。
发明内容
本发明实施例提供一种倍频装置及全光纤自相关仪，该倍频装置采用全光纤结构，避免光线在空间中传输，有利于实现自相关仪的全光纤化，降低自相关仪的成本，提高自相关仪的便携性。
第一方面，本发明实施例提供一种倍频装置，包括第一光纤、自聚焦透镜、倍频晶体以及第二光纤；
所述第一光纤的第一端用于输入基频光，所述自聚焦透镜设置于所述第一光纤的第二端；
所述倍频晶体设置于所述自聚焦透镜与所述第二光纤的第一端之间，所述倍频晶体用于将所述基频光转换为倍频光；
所述第二光纤的第二端用于输出所述倍频光。
可选的，还包括透射反射膜，所述透射反射膜设置于所述第一光纤的第二端与所述自聚焦透镜之间；
所述透射反射膜用于透射所述基频光，反射所述倍频光。
可选的，所述第一光纤、所述自聚焦透镜、所述倍频晶体以及所述第二光纤均采用折射率匹配胶固定连接。
可选的，还包括法兰；
所述第一光纤的第二端包括第一连接头，所述第二光纤的第一端包括第二连接头；
所述第一连接头和所述第二连接头通过所述法兰固定连接，所述自聚焦透镜和所述倍频晶体位于所述法兰内。
可选的，所述第一光纤为单模光纤，所述第二光纤为单模光纤；或者
所述第一光纤为保偏光纤，所述第二光纤为保偏光纤。
可选的，所述倍频晶体包括偏硼酸钡晶体、磷酸二氢钾晶体或偏硼酸锂晶体。
可选的，所述倍频晶体包括周期性极化晶体。
第二方面，本发明实施例还提供一种全光纤自相关仪，包括上述任意一种倍频装置，还包括光纤分束器、光纤时间延迟器、光纤合束器、偏振控制器以及光纤滤波器；
所述光纤分束器的输入端用于输入待测脉冲基频光，所述光纤分束器的第一输出端与所述光纤合束器的第一输入端连接，所述光纤分束器的第二输出端与所述光纤时间延迟器的输入端连接，所述光纤时间延迟器的输出端与所述光纤合束器的第二输入端连接，所述光纤合束器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述倍频装置的输入端连接，所述倍频装置的输出端与所述光纤滤波器的输入端连接。
可选的，所述光纤滤波器包括一波分复用器，所述波分复用器的第一端与所述倍频装置的输出端连接，所述波分复用器的第二端用于输出基频光，所述波分复用器的第三端用于输出倍频光。
可选的，所述全光纤自相关仪中的光纤均为保偏光纤。
本发明实施例提供的倍频装置，包括第一光纤、自聚焦透镜、倍频晶体以及第二光纤；第一光纤的第一端用于输入基频光，自聚焦透镜设置于第一光纤的第二端；倍频晶体设置于自聚焦透镜与第二光纤的第一端之间，倍频晶体用于将基频光转换为倍频光；第二光纤的第二端用于输出倍频光。通过第一光纤的第一端输入基频光；通过自聚焦透镜对第一光纤输出的光线进行汇聚，减小发散角，提高功率密度；通过倍频晶体形成二次谐波，产生倍频光；通过第二光纤将倍频光输出，实现全光纤结构的倍频装置，该倍频装置用于自相关仪中时，有利于实现自相关仪的全光纤化，降低自相关仪的成本，提高自相关仪的便携性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种倍频装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种倍频装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种倍频装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种全光纤自相关仪的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种全光纤自相关仪的结构示意图；
图6是本发明实施例中一种脉冲激光器输出脉冲的光谱示意图；
图7是本发明实施例中一种脉冲激光器的输出脉冲在1GHz扫描范围时的频谱示意图；
图8是本发明实施例中一种脉冲激光器的输出脉冲在1kHz扫描范围时的频谱示意图；
图9是本发明实施例中一种脉冲激光器输出脉冲的时序示意图；
图10是现有商用自相关仪测得的自相关曲线示意图；
图11是本发明实施例提供的一种全光纤自相关仪输出的倍频光的光谱示意图；
图12是本发明实施例提供的全光纤自相关仪测得的自相关曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如“耦合”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的一种倍频装置的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供的倍频装置包括第一光纤10、自聚焦透镜20、倍频晶体30以及第二光纤40；第一光纤10的第一端用于输入基频光a，自聚焦透镜20设置于第一光纤10的第二端；倍频晶体30设置于自聚焦透镜20与第二光纤40的第一端之间，倍频晶体30用于将基频光a转换为倍频光b；第二光纤40的第二端用于输出倍频光b。
可以理解的是，激光倍频利用非线性晶体在强激光作用下的二阶非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，称为倍频技术，例如将1550nm的激光通过倍频晶体，变成775nm的光。本发明实施例提供的倍频装置为一体封装结构，图1中示出各元件分离仅是为了示出倍频装置包括的各个光学器件。自聚焦透镜是一种折射率分布沿径向渐变的柱状光学透镜，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点，从而对第一光纤10出射的光束进行汇聚，减小发散角，提高传输到倍频晶体30的光强，提升倍频装置的性能。
本实施例的技术方案，通过第一光纤的第一端输入基频光；通过自聚焦透镜对第一光纤输出的光线进行汇聚，减小发散角，提高功率密度；通过倍频晶体形成二次谐波，产生倍频光；通过第二光纤将倍频光输出，实现全光纤结构的倍频装置，该倍频装置用于自相关仪中时，有利于实现自相关仪的全光纤化，降低自相关仪的成本，提高自相关仪的便携性。
在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种倍频装置的结构示意图。参考图2，可选的，本实施例提供的倍频装置还包括透射反射膜50，透射反射膜50设置于第一光纤10的第二端与自聚焦透镜20之间；透射反射膜50用于透射基频光，反射倍频光。
示例性的，当基频光为1550nm波段的红外激光，倍频光为775nm波段的光时，透射反射膜50可以对1550nm的基频光高透射，对775nm的倍频光高反射，从而收集从另一端面反射的或非正向激励产生的倍频光，以提高倍频装置的平均输出功率，提升倍频装置的性能。
在上述实施例的基础上，可选的，第一光纤10、自聚焦透镜20、倍频晶体30以及第二光纤40均采用折射率匹配胶固定连接。
可以理解的是，在具体实施时，倍频装置内所有端面均可以采用折射率匹配胶固定连接，可以减少端面的反射损耗，提高耦合效率，在某一实施例中，整个装置插入损耗低至0.97dB。在某一实施例中，例如第一光纤10和第二光纤40均采用1550nm波段的单模光纤，光纤纤芯直径只有9μm，若直接将倍频晶体置于两光纤端面之间，则会因晶体两侧空气缝而造成非常大的耦合损耗，且晶体的走离效应也会导致倍频信号很难收集，因此利用自聚焦透镜20进行会聚，减小发散角的同时提高了功率密度，且两端均用折射率匹配胶进行胶合使其无任何缝隙，再通过透射反射膜50进一步提高耦合效率。最终实现倍频装置的高紧凑性，与普通的光无源器件外观类似，相比传统倍频装置存在空间光路部分，该倍频装置可以实现全光纤化设计，与光纤系统相匹配且无需调节。
图3所示为本发明实施例提供的又一种倍频装置的结构示意图。参考图3，可选的，本实施例提供的倍频装置还包括法兰60；第一光纤10的第二端包括第一连接头11，第二光纤40的第一端包括第二连接头41；第一连接头11和第二连接头41通过法兰60固定连接，自聚焦透镜和倍频晶体(图3中未示出)位于法兰60内。
可以理解的是，法兰是用来连接光纤连接头的器件，常用的光纤连接头包括SC方型卡接头、FC圆型螺纹头、LC方型小卡接头(相对于SC略小)、ST圆型卡接头等，第一连接头11和第二连接头41可以为上述任意一种连接头，只需保证是同种连接头即可，具体实施时可以根据实际情况选择。在其他实施例中，还可以在第一连接头和自聚焦透镜之间设置透射反射膜，以提升倍频装置的性能。
在上述实施例的基础上，可选的，第一光纤10可以为单模光纤，第二光纤40可以为单模光纤；或者第一光纤10可以为保偏光纤，第二光纤40可以为保偏光纤。由于单模光纤成本极低，第一光纤10和第二光纤40均采用单模光纤可以降低倍频装置的成本；由于倍频晶体30对光的偏振状态敏感，当第一光纤10和第二光纤40均采用保偏光纤时，可以提升倍频装置的稳定性，但会导致成本增加，具体实施时可以根据实际情况选择。
在上述实施例的基础上，可选的，倍频晶体30包括偏硼酸钡晶体、磷酸二氢钾晶体或偏硼酸锂晶体。可选的，倍频晶体包括周期性极化晶体。
可以理解的是，偏硼酸钡(BBO)晶体是一种综合优势明显，性能良好的非线性光学晶体，它具有相位匹配的波段范围宽(409.6nm-3500nm)、可透过波段范围宽(190nm-3500nm)、倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍)、光学均匀性好(δn≈10-6/cm)、损伤阈值高(100ps脉宽的1064nm：10GW/cm2)、温度接收角宽(55℃左右)等诸多优点。磷酸二氢钾(KDP)晶体研究较早，是一种工艺成熟的倍频晶体。偏硼酸锂(LBO)晶体是一种优良的倍频晶体，是目前应用比较广泛的一种倍频器件，其晶体内部光学均匀性良好、透过波段比较宽，具有较高的匹配效率和激光损伤阈值。在其他实施例中，倍频晶体还可以为周期性极化晶体，例如周期性极化铌酸锂晶体，具体实施时可以根据实际条件选择倍频晶体的类型，本发明实施例对此不作限定。
图4所示为本发明实施例提供的一种全光纤自相关仪的结构示意图。参考图4，本实施例提供的全光纤自相关仪包括上述任意一种倍频装置100，还包括光纤分束器200、光纤时间延迟器300、光纤合束器400、偏振控制器500以及光纤滤波器600；光纤分束器200的输入端用于输入待测脉冲基频光，光纤分束器200的第一输出端与光纤合束器400的第一输入端连接，光纤分束器200的第二输出端与光纤时间延迟器300的输入端连接，光纤时间延迟器300的输出端与光纤合束器400的第二输入端连接，光纤合束器400的输出端与偏振控制器500的输入端连接，偏振控制器500的输出端与倍频装置100的输入端连接，倍频装置100的输出端与光纤滤波器600的输入端连接；光纤滤波器600用于输出倍频光。
可以理解的是，目前常用的脉冲宽度测量方法有自相关法(Autocorrelation，AC)、频率分辨光学开关门法(Frequency-Resolved Optical Gating，FROG)以及光谱相位相干直接电场重构法(Spectral phase interferometry for direct electric-fieldreconstruction，SPIDER)；自相关法主要是将时间量转化为空间量，将激光脉冲分为两路，其中一路激光引入延时，再使两路光束进行合并通入非线性晶体产生二次谐波，使其中一路光束对另一路进行扫描，得到自相关曲线，对自相关曲线进行曲线拟合即可得到脉冲宽度。FROG和SPIDER等方法与自相关法相比，虽然可获得脉冲啁啾、相位等更多的信息，但由于要进行多次迭代算法进行重构，耗时较长，无法做到实时测量，有其自身的局限性，且由于结构复杂也增加了成本。三种测量方法都是以先分光再合束通过非线性晶体的基本结构，相比其他两种方法，自相关法发展时间最久，结构简单成熟可靠，具有成本优势，环境适应性强，能实时精确测量脉冲宽度，测量脉宽范围广能覆盖飞秒到皮秒范围。因此，对于快速实时测量脉冲宽度优先考虑自相关法。目前实现商用的自相关仪基本为体光学元件组成，不仅体积大，调节机构比较复杂，测试过程中技术要求高，而且因为是体光学元器件组成的一般调节好后位置相对固定，不可轻易挪动，这样使得每次测量都需要挪动脉冲激光器，造成不便，或使用较长跳线接入自相关仪。但长跳线会引入色散导致脉冲展宽而使测量结果不准确，因此本发明实施例提供一种全光纤结构的自相关仪，既具有传统自相关仪测量准确性，又具有结构紧凑、占用体积小、可随意挪动(便携性)、无复杂调节机构、成本低廉、可实现小型化或手持式设计的特点。
示例性的，继续参考图4，脉冲激光器1的输出端与光纤分束器200的输入端连接，光纤滤波器600的输出端与功率计或光谱仪2连接。可以理解的是，光纤分束器200和光纤合束器400可以为同种结构的1×2光纤耦合器，在具体实施时，设置光纤分束器200和光纤合束器400之间两光路的光纤长度相同。由于光纤时间延迟器300会引入损耗，在具体实施时，可以设置光纤分束器200第二输出端的输出光强度大于第一输出端的输出光强度，例如第二输出端出60％光强，第一输出端输出40％光强，以使两路光的强度近似相等，而光纤合束器400为分光比5：5的耦合器。脉冲激光器1输出的脉冲输入光纤分束器200，经过光纤分束器20分束后形成两路光，其中60％的一路经过光纤时间延迟器300，另一路直接通过光纤传输，两光路光经光纤合束器400合束后传输到倍频装置100，再经过光纤滤波器600将基频光滤除，倍频光输出并用功率计或光谱仪2进行探测。保持两光路光纤长度相等，通过调节光纤时间延迟器300使两光路中脉冲具有相对时间延时，当两脉冲时间延时为0时，即完全重合，经过倍频装置100后倍频信号达到最大，倍频晶体倍频效率对光偏振态十分敏感，因此在倍频装置100前加上一个偏振控制器500可使倍频效率达到最优，倍频光信号最强，通过线性改变光纤时间延迟器300脉冲延时量并通过功率计记录光功率大小，绘制光强随延时量变化曲线即自相关曲线，通过对曲线进行拟合即可得到输入脉冲宽度。具体实施时，光纤时间延迟器300可以采用手动式时间延迟线，也可以采用电控时间延迟线，具体实施时可以根据实际情况选择。
图5所示为本发明实施例提供的另一种全光纤自相关仪的结构示意图。参考图5，可选的，光纤滤波器600包括一波分复用器601，波分复用器601的第一端与倍频装置100的输出端连接，波分复用器601的第二端用于输出基频光，波分复用器601的第三端用于输出倍频光。
示例性的，在某一实施例中，脉冲激光器1为掺铒光纤脉冲激光器，输出1550nm波段的基频光，倍频装置100中的倍频晶体采用BBO晶体，BBO晶体的尺寸是0.8mm厚，尺寸为1.5mm×1.5mm，晶体角度按照第一类相位匹配条件19.8°进行切割。波分复用器601为775/1550波分复用器，第一端为公共端(可以同时传输1550nm波段和775nm波段的光)，第二端为1550端(仅传输1550nm波段的光)，第三端为775端(仅传输775nm波段的光)，在具体实施时，波分复用器601的第一端与倍频装置100的输出端连接，第二端空置，第三端与功率计或光谱仪2连接。
示例性的，图6所示为本发明实施例中一种脉冲激光器输出脉冲的光谱示意图，图7所示为本发明实施例中一种脉冲激光器的输出脉冲在1GHz扫描范围时的频谱示意图，图8所示为本发明实施例中一种脉冲激光器的输出脉冲在1kHz扫描范围时的频谱示意图，图9所示为本发明实施例中一种脉冲激光器输出脉冲的时序示意图，图10所示为现有商用自相关仪测得的自相关曲线示意图。由图6～图10可知，该脉冲的中心波长为1557.5nm，3dB带宽(半高全宽，FWHM)为2.1nm，重复频率为20.2MHz，信噪比>71dB，脉冲间隔为49.6ns，脉冲宽度为4.887ps。
图11所示为本发明实施例提供的一种全光纤自相关仪输出的倍频光的光谱示意图，其FWHM为1.498nm。图12所示为本发明实施例提供的全光纤自相关仪测得的自相关曲线示意图，测得该脉冲宽度为4.51ps，与商用自相关仪测量结果吻合。
在上述实施例的基础上，可选的，全光纤自相关仪中的光纤均为保偏光纤。使用全保偏光纤可以提高自相关仪的环境稳定性，提升自相关仪的性能。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种倍频装置，其特征在于，包括第一光纤、自聚焦透镜、倍频晶体以及第二光纤；
所述第一光纤的第一端用于输入基频光，所述自聚焦透镜设置于所述第一光纤的第二端；
所述倍频晶体设置于所述自聚焦透镜与所述第二光纤的第一端之间，所述倍频晶体用于将所述基频光转换为倍频光；
所述第二光纤的第二端用于输出所述倍频光。
2.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，还包括透射反射膜，所述透射反射膜设置于所述第一光纤的第二端与所述自聚焦透镜之间；
所述透射反射膜用于透射所述基频光，反射所述倍频光。
3.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，所述第一光纤、所述自聚焦透镜、所述倍频晶体以及所述第二光纤均采用折射率匹配胶固定连接。
4.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，还包括法兰；
所述第一光纤的第二端包括第一连接头，所述第二光纤的第一端包括第二连接头；
所述第一连接头和所述第二连接头通过所述法兰固定连接，所述自聚焦透镜和所述倍频晶体位于所述法兰内。
5.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，所述第一光纤为单模光纤，所述第二光纤为单模光纤；或者
所述第一光纤为保偏光纤，所述第二光纤为保偏光纤。
6.根据权利要求1～5任一所述的倍频装置，其特征在于，所述倍频晶体包括偏硼酸钡晶体、磷酸二氢钾晶体或偏硼酸锂晶体。
7.根据权利要求1～5任一所述的倍频装置，其特征在于，所述倍频晶体包括周期性极化晶体。
8.一种全光纤自相关仪，其特征在于，包括权利要求1～7任一所述的倍频装置，还包括光纤分束器、光纤时间延迟器、光纤合束器、偏振控制器以及光纤滤波器；
所述光纤分束器的输入端用于输入待测脉冲基频光，所述光纤分束器的第一输出端与所述光纤合束器的第一输入端连接，所述光纤分束器的第二输出端与所述光纤时间延迟器的输入端连接，所述光纤时间延迟器的输出端与所述光纤合束器的第二输入端连接，所述光纤合束器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述倍频装置的输入端连接，所述倍频装置的输出端与所述光纤滤波器的输入端连接；
所示光纤滤波器用于输出倍频光。
9.根据权利要求8所述的全光纤自相关仪，其特征在于，所述光纤滤波器包括一波分复用器，所述波分复用器的第一端与所述倍频装置的输出端连接，所述波分复用器的第二端用于输出基频光，所述波分复用器的第三端用于输出倍频光。
10.根据权利要求8所述的全光纤自相关仪，其特征在于，所述全光纤自相关仪中的光纤均为保偏光纤。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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