CN111442851A - 基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，包括第一光耦合器、拉曼孤子自频移单元、基于四波混频的时间透镜单元、光电探测器和示波器，针对所述第一光耦合器，其输入端用于输入待测光信号，其第一输出端通过该拉曼孤子自频移单元与该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端连接，第二输出端与该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端连接，该基于四波混频的时间透镜单元的输出端与该光电探测器的输入端连接，该光电探测器的输出端与该示波器连接。本发明可以实现具有任意重复频率的脉冲激光的测量，并且结构简单、测量效率较高、成本低。
Description
技术领域
本发明属于时间透镜测量领域，具体涉及一种基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统。
背景技术
随着科技的发展，对激光性能的要求也越来越高，激光的脉冲宽度也随之越来越窄，由最初的皮秒激光到现在的飞秒激光甚至阿秒激光，这对超短脉冲的检测技术也提出了越来越高的要求。超短激光脉冲有着超短的时域脉冲宽度、非常高峰值功率的特点，飞秒时间量级已经超出了电子的响应速度极限，这也使得超短脉冲的检测无法用传统的方法来进行直接测量，必须采用间接测量的方法。
近年来间接测量的技术主要有自相关测量技术、频率分辨光学开关法(FROG)、光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)和时间透镜方法。但是，强度自相关法只能给出激光脉冲的宽度而不能给出相位和形状；FROG需要用到迭代算法，耗时较长，不利于实时监测；SPIDER虽然能够实时监测脉冲相位，但是不能直接获取脉冲宽度信息，需要通过测量脉冲光谱与相位乘积，进行傅里叶逆变换，重构脉冲形状及宽度。由此可见前三种方法在实时监测脉冲波形方面都有缺陷，相比较而言时间透镜技术是较好的选择。因此，基于时间透镜的时域显微技术由于其超快的成像速度为激光脉冲波形精密测量提供了手段。
此外，虽然已经有不少关于超短激光脉冲的波形测量技术的研究，但是它们大多不能实现任意重频超短激光脉冲的测量；或者需要很麻烦的电学辅助设备和器件才能完成任意重频可测，这不仅增加了测量系统的成本，而且使测量过程更加复杂。其主要原因在于，在测量不同重复频率的脉冲激光源时，往往需要电光调制器精确的同步泵浦激光与待测信号激光的重复频率。泵浦激光与电光调制器的引入增加了系统的成本也使整个测量过程繁琐。
发明内容
本发明提供一种基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，以解决目前无法在不借助电光调制器的基础上，对具有不同重复频率的脉冲激光源进行测量的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，包括第一光耦合器、拉曼孤子自频移单元、基于四波混频的时间透镜单元、光电探测器和示波器，针对所述第一光耦合器，其输入端用于输入待测光信号，其第一输出端通过该拉曼孤子自频移单元与该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端连接，第二输出端与该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端连接，该基于四波混频的时间透镜单元的输出端与该光电探测器的输入端连接，该光电探测器的输出端与该示波器连接；
所述第一光耦合器将输入的待测光信号分成两路，第一路待测光信号传输给该拉曼孤子自频移单元，该待测光信号在该拉曼孤子自频移单元产生孤子自频移，该拉曼孤子自频移单元将生成的频率红移的新孤子作为泵浦光传输给该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端，其中该泵浦光与该待测光信号具有相同的重复频率，此外分成的第二路待测光信号直接传输给该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端；
所述基于四波混频的时间透镜单元用于对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成闲频光，并基于时间透镜原理获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光；
所述光电探测器对该具有对应脉宽放大倍数的闲频光进行探测并转换成电信号，该示波器对该电信号进行显示，基于该电信号根据该对应放大倍数来测量该待测光信号的脉冲宽度和形状信息。
在一种可选的实现方式中，所述拉曼孤子自频移单元包括依次相连的光放大器、第一非线性介质和第一滤波器，所述光放大器的输入端作为该拉曼孤子自频移单元的输入端，与该第一光耦合器的第一输出端连接，用于输入该第一路待测光信号，对该第一路待测光信号进行功率放大，并将功率放大后的待测光信号发送给所述第一非线性介质，该待测光信号在该第一非线性介质产生孤子自频移，该第一非线性介质将生成的包括新孤子的光信号传输给该第一滤波器；该第一滤波器的输出端作为该拉曼孤子自频移单元的输出端，与该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端连接，其用于将该新孤子作为泵浦光滤出并传输给该基于四波混频的时间透镜单元。
在另一种可选的实现方式中，所述基于四波混频的时间透镜单元包括第一光色散介质、第二光色散介质、光延迟器、第二光耦合器、第二非线性介质、第二滤波器和第三光色散介质，该第一光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端，与该拉曼孤子自频移单元的输出端连接，用于输入该泵浦光；该第二光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端，与该第一光耦合器的第二输出端连接，用于输入该待测光信号；
该第二光色散介质的输出端通过该光延迟器与该第二光耦合器的第二输入端连接，该第一光色散介质的输出端与该第二光耦合器的第一输入端连接；
该第二光耦合器的输出端依次通过该第二非线性介质、第二滤波器与该第三光色散介质的输入端连接，该第三光色散介质的输出端作为该基于四波混频的时间透镜单元的输出端，与该光电探测器的输入端连接；
其中，输入的该待测光信号依次通过该第二光色散介质、光延迟器传输给该第二光耦合器的第二输入端，输入的该泵浦光通过该第一光色散介质传输给该第二光耦合器的第一输入端，该第二光耦合器将该泵浦光和待测光信号耦合传输给该第二非线性介质；所述第二非线性介质对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成包括闲频光的光信号并传输给该第二滤波器；该第二滤波器将该闲频光滤出并传输给该第三光色散介质；基于时间透镜原理，该第一光色散介质、第二光色散介质和第三光色散介质对该闲频光进行脉宽放大，获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光；该光延迟器对该待测光信号的时域进行调节，以保证输入至该第二光耦合器的泵浦光和待测光信号在时域上重叠。
在另一种可选的实现方式中，当所述第一非线性介质为保偏非线性光纤或光栅时，所述拉曼孤子自频移单元还包括设置在该光放大器与第一非线性介质之间的第一偏振控制器。
在另一种可选的实现方式中，当所述拉曼孤子自频移单元中实现该待测光信号孤子自频移的第一非线性介质为保偏非线性光纤或光栅时，所述第一光色散介质与该第二光耦合器的第一输入端之间还设置有第二偏振控制器。
在另一种可选的实现方式中，所述介质为光纤或光栅。
在另一种可选的实现方式中，其适用于具有任意重复频率的超短脉冲的测量。
在另一种可选的实现方式中，所述示波器由高速采集系统替代。
本发明的有益效果是：
本发明待测光信号通过拉曼孤子自频移单元时会发生孤子自频移，将生成的新孤子作为泵浦光，该泵浦光具有与该待测光信号严格相同的重复频率，此后将泵浦光和待测光信号传输给基于四波混频的时间透镜单元，该基于四波混频的时间透镜单元对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成闲频光，并基于时间透镜原理获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光，利用该具有对应脉宽放大倍数的闲频光来测量该待测光信号的脉冲宽度和形状信息，本发明适用于具有任意脉宽的激光脉冲测量，扩大了本系统的适用脉宽范围，尤其适用于超短激光脉冲，此外本发明将拉曼孤子自频移单元和基于四波混频的时间透镜单元相结合，在测量时不必借助于电光调制器，并且在待测量的脉冲激光的重复频率发生变化时并不需要对系统进行重新设置，因此本发明可以实现具有任意重复频率的脉冲激光的测量，并且结构简单、测量效率较高、成本低。
附图说明
图1是本发明基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统的一个实施例方框图；
图2是本发明基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统的一个实施例光学电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
参见图1，为本发明基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统的一个实施例方框图。该基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统可以包括第一光耦合器100、拉曼孤子自频移单元200、基于四波混频的时间透镜单元300、光电探测器400和示波器500，针对所述第一光耦合器100，其输入端用于输入待测光信号，其第一输出端通过该拉曼孤子自频移单元200与该基于四波混频的时间透镜单元300的第一输入端连接，第二输出端与该基于四波混频的时间透镜单元300的第二输入端连接，该基于四波混频的时间透镜单元300的输出端与该光电探测器400的输入端连接，该光电探测器400的输出端与该示波器500连接。所述第一光耦合器100将输入的待测光信号分成两路，第一路待测光信号传输给该拉曼孤子自频移单元200，该待测光信号在该拉曼孤子自频移单元200产生孤子自频移，该拉曼孤子自频移单元将生成的频率红移的新孤子作为泵浦光传输给该基于四波混频的时间透镜单元300的第一输入端，其中该泵浦光与该待测光信号具有相同的重复频率，此外分成的第二路待测光信号直接传输给该基于四波混频的时间透镜单元300的第二输入端；所述基于四波混频的时间透镜单元300用于对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成闲频光，并基于时间透镜原理获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光；所述光电探测器400对该具有对应脉宽放大倍数的闲频光进行探测并转换成电信号，该示波器500对该电信号进行显示，基于该电信号根据该对应放大倍数来测量该待测光信号的脉冲宽度和形状信息。此外，该示波器400可以由高速采集系统替代，使该光电探测器400的输出端与该高速采集系统连接。
其中，结合图2所示，所述拉曼孤子自频移单元200包括依次相连的光放大器、第一非线性介质和第一滤波器，所述光放大器的输入端作为该拉曼孤子自频移单元200的输入端，与该第一光耦合器100的第一输出端连接，用于输入该第一路待测光信号，对该第一路待测光信号进行功率放大，并将功率放大后的待测光信号发送给所述第一非线性介质，该待测光信号在该第一非线性介质产生孤子自频移，该第一非线性介质将生成的包括新孤子的光信号传输给该第一滤波器；该第一滤波器的输出端作为该拉曼孤子自频移单元200的输出端，与该基于四波混频的时间透镜单元300的第一输入端连接，其用于将该新孤子作为泵浦光滤出并传输给该基于四波混频的时间透镜单元400。此外，当所述第一非线性介质为保偏非线性光纤或光栅时，所述拉曼孤子自频移单元200还包括设置在该光放大器与第一非线性介质之间的第一偏振控制器。
所述基于四波混频的时间透镜单元300包括第一光色散介质、第二光色散介质、光延迟器、第二光耦合器、第二非线性介质、第二滤波器和第三光色散介质，该第一光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元300的第一输入端，与该拉曼孤子自频移单元200的输出端连接，用于输入该泵浦光；该第二光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元300的第二输入端，与该第一光耦合器100的第二输出端连接，用于输入该待测光信号；该第二光色散介质的输出端通过该光延迟器与该第二光耦合器的第二输入端连接，该第一光色散介质的输出端与该第二光耦合器的第一输入端连接；该第二光耦合器的输出端依次通过该第二非线性介质、第二滤波器与该第三光色散介质的输入端连接，该第三光色散介质的输出端作为该基于四波混频的时间透镜单元300的输出端，与光电探测器400的输入端连接。
其中，输入的该待测光信号依次通过该第二光色散介质、光延迟器传输给该第二光耦合器的第二输入端，输入的该泵浦光通过该第一光色散介质传输给该第二光耦合器的第一输入端，该第二光耦合器将该泵浦光和待测光信号耦合传输给该第二非线性介质；所述第二非线性介质对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成包括闲频光的光信号并传输给该第二滤波器；该第二滤波器将该闲频光滤出并传输给该第三光色散介质；基于时间透镜原理，该第一光色散介质、第二光色散介质和第三光色散介质对该闲频光进行脉宽放大，获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光；该光延迟器对该待测光信号的时域进行调节，以保证输入至该第二光耦合器的泵浦光和待测光信号在时域上重叠。此外，当所述拉曼孤子自频移单元200中实现该待测光信号孤子自频移的第一非线性介质为保偏非线性光纤或光栅时，所述第一光色散介质与该第二光耦合器的第一输入端之间还设置有第二偏振控制器。本发明针对保偏非线性光纤或光栅，设置第一偏振控制器和第二偏振控制器，可以使第二光耦合器接收到的泵浦光和待测光信号的偏振态重叠。本发明中所涉及到的介质可以为光纤或光栅。
由上述实施例可见，本发明待测光信号通过拉曼孤子自频移单元时会发生孤子自频移，将生成的新孤子作为泵浦光，该泵浦光具有与该待测光信号严格相同的重复频率，此后将泵浦光和待测光信号传输给基于四波混频的时间透镜单元，该基于四波混频的时间透镜单元对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成闲频光，并基于时间透镜原理获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光，利用该具有对应脉宽放大倍数的闲频光来测量该待测光信号的脉冲宽度和形状信息，本发明适用于具有任意脉宽的激光脉冲测量，扩大了本系统的适用脉宽范围，尤其适用于超短激光脉冲，此外本发明将拉曼孤子自频移单元和基于四波混频的时间透镜单元相结合，在测量时不必借助于电光调制器，并且在待测量的脉冲激光的重复频率发生变化时并不需要对系统进行重新设置，因此本发明可以实现具有任意重复频率的脉冲激光的测量，并且结构简单、测量效率较高、成本低。本发明尤其适用于具有任意重复频率的超短脉冲的测量。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。
Claims (8)
1.一种基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，包括第一光耦合器、拉曼孤子自频移单元、基于四波混频的时间透镜单元、光电探测器和示波器，针对所述第一光耦合器，其输入端用于输入待测光信号，其第一输出端通过该拉曼孤子自频移单元与该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端连接，第二输出端与该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端连接，该基于四波混频的时间透镜单元的输出端与该光电探测器的输入端连接，该光电探测器的输出端与该示波器连接；
所述第一光耦合器将输入的待测光信号分成两路，第一路待测光信号传输给该拉曼孤子自频移单元，该待测光信号在该拉曼孤子自频移单元产生孤子自频移，该拉曼孤子自频移单元将生成的频率红移的新孤子作为泵浦光传输给该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端，其中该泵浦光与该待测光信号具有相同的重复频率，此外分成的第二路待测光信号直接传输给该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端；
所述基于四波混频的时间透镜单元用于对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成闲频光，并基于时间透镜原理获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光；
所述光电探测器对该具有对应脉宽放大倍数的闲频光进行探测并转换成电信号，该示波器对该电信号进行显示，基于该电信号根据该对应放大倍数来测量该待测光信号的脉冲宽度和形状信息。
2.根据权利要求1所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，所述拉曼孤子自频移单元包括依次相连的光放大器、第一非线性介质和第一滤波器，所述光放大器的输入端作为该拉曼孤子自频移单元的输入端，与该第一光耦合器的第一输出端连接，用于输入该第一路待测光信号，对该第一路待测光信号进行功率放大，并将功率放大后的待测光信号发送给所述第一非线性介质，该待测光信号在该第一非线性介质产生孤子自频移，该第一非线性介质将生成的包括新孤子的光信号传输给该第一滤波器；该第一滤波器的输出端作为该拉曼孤子自频移单元的输出端，与该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端连接，其用于将该新孤子作为泵浦光滤出并传输给该基于四波混频的时间透镜单元。
3.根据权利要求1或2所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，所述基于四波混频的时间透镜单元包括第一光色散介质、第二光色散介质、光延迟器、第二光耦合器、第二非线性介质、第二滤波器和第三光色散介质，该第一光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元的第一输入端，与该拉曼孤子自频移单元的输出端连接，用于输入该泵浦光；该第二光色散介质的输入端作为该基于四波混频的时间透镜单元的第二输入端，与该第一光耦合器的第二输出端连接，用于输入该待测光信号；
该第二光色散介质的输出端通过该光延迟器与该第二光耦合器的第二输入端连接，该第一光色散介质的输出端与该第二光耦合器的第一输入端连接；
该第二光耦合器的输出端依次通过该第二非线性介质、第二滤波器与该第三光色散介质的输入端连接，该第三光色散介质的输出端作为该基于四波混频的时间透镜单元的输出端，与该光电探测器的输入端连接；
其中，输入的该待测光信号依次通过该第二光色散介质、光延迟器传输给该第二光耦合器的第二输入端，输入的该泵浦光通过该第一光色散介质传输给该第二光耦合器的第一输入端，该第二光耦合器将该泵浦光和待测光信号耦合传输给该第二非线性介质；所述第二非线性介质对该泵浦光和待测光信号进行四波混频，生成包括闲频光的光信号并传输给该第二滤波器；该第二滤波器将该闲频光滤出并传输给该第三光色散介质；基于时间透镜原理，该第一光色散介质、第二光色散介质和第三光色散介质对该闲频光进行脉宽放大，获得具有对应脉宽放大倍数的闲频光；该光延迟器对该待测光信号的时域进行调节，以保证输入至该第二光耦合器的泵浦光和待测光信号在时域上重叠。
4.根据权利要求2所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，当所述第一非线性介质为保偏非线性光纤或光栅时，所述拉曼孤子自频移单元还包括设置在该光放大器与第一非线性介质之间的第一偏振控制器。
5.根据权利要求3所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，当所述拉曼孤子自频移单元中实现该待测光信号孤子自频移的第一非线性介质为保偏非线性光纤或光栅时，所述第一光色散介质与该第二光耦合器的第一输入端之间还设置有第二偏振控制器。
6.根据权利要求4或5所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，所述介质为光纤或光栅。
7.根据权利要求1所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，其适用于具有任意重复频率的超短脉冲的测量。
8.根据权利要求1所述的基于拉曼孤子自频移的时间透镜测量系统，其特征在于，所述示波器由高速采集系统替代。
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| CN111442851B (zh) | 2021-01-29 |
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