CN111650801A - 一种基于保偏啁啾光纤光栅的tds系统色散管理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置及方法，将第一色散管理单元置于发射端光纤传导光路上，第二色散管理单元置于探测端光纤传导光路上，第一色散管理单元和第二色散管理单元包括保偏啁啾光纤光栅和温度控制模块，温度控制模块用于保偏啁啾光纤光栅温度的控制和测量，通过信号发生和采集处理单元与上位机连接；信号发生和采集处理单元用于将检测的实时温度发送到上位机；上位机将接收的实时温度与“温度‑脉冲宽度”的查找表进行对照，进行温度调控，直至反馈的实时温度达到最窄脉冲宽度对应的温度，停止。提出了基于啁啾光纤光栅的色散管理方法，实现了色散的在线管理，使TDS系统具有更好的环境适应性。

Description

一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置及方法

技术领域：

本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置及方法。

背景技术：

基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统(简称TDS)是当前最为成熟的太赫兹光谱产品。其基本原理为：光纤飞秒激光器发出两束飞秒激光，一束作为泵浦光，经光纤传输到光电导发射天线上，在偏置电压的作用下产生宽带太赫兹波，该太赫兹波经透射或反射等方式携带测试样品的信息进入太赫兹探测天线(即发射光路)；另一束作为探测光，经过光学延迟线，进入太赫兹探测天线(即探测光路)；携带样品信息的太赫兹波与探测光相遇，被太赫兹探测天线所接收，通过波谱分析技术对样品进行定量和定性识别。

太赫兹波的脉宽越窄，太赫兹波的频谱宽度越宽，其携带的样品信息就越丰富。光纤耦合的TDS系统，飞秒激光器在输出前先做脉宽的预啁啾，以与外部传导光纤长度进行匹配。保偏光纤在1550nm处于负色散区，色散值约为20ps/km·nm，色散会引起脉冲展宽，经过一定长度的展宽后，可以完全抵消由激光器引入的正色散，从而将脉冲宽度压缩到最小值，即保偏光纤起到脉宽压缩器的作用。

与此同时，为使太赫兹波与探测脉冲光在探测天线相遇，需要严格控制发射光路与探测光路的光纤长度差，由于自由光路部分的存在，为兼顾两路脉冲均处于接近最窄脉冲宽度的光纤长度，一般发射光路光纤要比最佳长度(对应最短脉冲)短一些，探测光路光纤要比最佳长度长一些，这就导致两路均无法达到最小的脉冲宽度，不利于获得最窄的太赫兹信号，进而对应的频谱宽度不足，携带的样品信息受限，从而影响整个太赫兹时域光谱系统的性能。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置及方法，解决由光纤进行补偿的复杂度高和无法保证两路光脉冲同时达到最小值的问题。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，包括第一色散管理单元和第二色散管理单元，第一色散管理单元置于飞秒激光器与太赫兹发射天线之间的发射端光纤传导光路上，第二色散管理单元置于飞秒激光器与太赫兹探测天线之间的探测端光纤传导光路上，所述第一色散管理单元和第二色散管理单元包括保偏啁啾光纤光栅和温度控制模块，温度控制模块用于保偏啁啾光纤光栅温度的控制和测量，温度控制模块通过信号发生和采集处理单元与上位机连接，将检测的第一色散管理单元实时温度和第二色散管理单元实时温度发送到上位机，上位机将接收的实时温度与“温度-脉冲宽度”的查找表进行对照，如果实时温度与查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度相匹配，则不作处理，如果实时温度与查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度不匹配，向对应的温度控制模块发送温度调节指令，对应的温度控制模块进行温度调控，直至反馈的实时温度达到最窄脉冲宽度对应的温度，停止。

优选地，第一色散管理单元靠近太赫兹发射天线前端，第二色散管理单元靠近太赫兹探测天线前端。

所述基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统包括飞秒激光器、调制偏压源、太赫兹发射天线、光学延迟线、太赫兹探测天线和传导光纤、信号发生和采集处理单元以及上位机，通过传导光纤将飞秒激光器和太赫兹发射天线、飞秒激光器和光学延迟线以及光学延迟线与太赫兹探测天线连接，调制偏压源与太赫兹发射天线连接，用于太赫兹发射天线偏压的产生，信号发生和采集处理单元分别与调制偏压源、太赫兹探测天线和光学延迟线连接，用于同步信号的产生和太赫兹信号的采集，信号发生和采集处理单元还与上位机连接实现数据交互。

所述传导光纤为保偏光纤，在保偏光纤上雕刻形成保偏啁啾光纤光栅。

通过记录不同温度场对应的脉冲宽度制定“温度-脉冲宽度”的查找表。具体操作为：飞秒激光器通过传导光纤与色散管理单元连接，上位机分别与自相关仪与色散管理单元连接，通过上位机发布不同的温度指令来改变色散管理单元的温度，同时用自相关仪记录对应的脉冲宽度，形成“温度-脉冲宽度”的查找表。

作为一种实现方式，温度控制模块包括密封仓、制冷器和温度传感器，保偏啁啾光纤光栅、温度控制器和温度传感器均置于密封仓内，制冷器用于调整密封仓内环境温度，温度传感器用于检测密封仓内温度。所述温度传感器为高精度温度传感器，制冷器为半导体制冷器(TEC)。

作为另一种实现方式，温度控制模块包括加热带和温度传感器组成，加热带缠绕在保偏啁啾光纤光栅外侧，用于对保偏啁啾光纤光栅进行加热，温度传感器置于加热带和保偏啁啾光纤光栅之间，用于检测保偏啁啾光纤光栅本体温度。

进一步说明，为降低色散管理单元的温控复杂度，将温控范围设置为-20℃～20℃，即只进行负温度调节。

本发明涉及的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统的色散管理方法，具体包括以下步骤：上位机中的监控中心对色散管理单元内温度进行监控并得到温度反馈，然后与“温度-脉冲宽度”的查找表进行对照，如果实时温度与“温度-脉冲宽度”查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度相匹配，则监控中心对色散管理单元继续进行监控；如果现有温度与“温度-脉冲宽度”查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度不匹配，启用控温程序，参照查找表中的该温度调制色散管理单元的温度，同时将现有温度信息反馈给监控中心并再次与查找表对照，以此实现上位机对色散管理单元温度的实时在线监控与调制，即上位机对系统色散实现在线管理。该色散管理方法的引入，使得系统太赫兹波的脉宽始终保持在最窄的状态，实现了宽带太赫兹波的输出。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.提出了基于啁啾光纤光栅的色散管理方法，实现了色散的在线管理，使TDS系统具有更好的环境适应性；

2.啁啾光纤光栅补偿机制的引入，解决了因光程匹配需求导致的发射光路和探测光路都无法实现最小的脉冲宽度输出问题，有利于实现宽带太赫兹信号的输出；

3.啁啾光纤光栅色散补偿量大，且色散量可调，更有利于实现紧凑的TDS系统；

4.可实时监控色散变化，实时进行自适应控温，使得系统始终在最小的脉冲宽度下工作；

5.啁啾光纤光栅结构简单、成本低、线性度高，色散管理系统操作更便捷、管理更智能。

附图说明：

图1为本发明涉及的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置的原理框图。

其中，1为飞秒激光器，2为啁啾光纤光栅，3为光学延迟线，4为调制偏压源，5信号发生和采集处理单元，6为太赫兹发射传输接收单元，7为上位机。

图2为本发明涉及的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理方法的流程图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，包括第一色散管理单元2和第二色散管理单元4，第一色散管理单元2置于飞秒激光器1与太赫兹发射天线6之间的发射端光纤传导光路上，第二色散管理单元4置于飞秒激光器与太赫兹探测天线7之间的探测端光纤传导光路上，所述第一色散管理单元2和第二色散管理单元4包括保偏啁啾光纤光栅和温度控制模块，温度控制模块用于保偏啁啾光纤光栅温度的控制和测量，温度控制模块通过信号发生和采集处理单元与上位机连接，将检测的第一色散管理单元实时温度和第二色散管理单元实时温度发送到上位机，上位机将接收的实时温度与“温度-脉冲宽度”的查找表进行对照，如果实时温度与查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度相匹配，则不作处理，如果实时温度与查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度不匹配，向对应的温度控制模块发送温度调节指令，对应的温度控制模块进行温度调控，直至反馈的实时温度达到最窄脉冲宽度对应的温度，停止。

优选地，第一色散管理单元2置于太赫兹发射天线6前端，第二色散管理单元4置于太赫兹探测天线7前端。

所述基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统包括飞秒激光器1、调制偏压源5、太赫兹发射天线6、光学延迟线3、太赫兹探测天线7和传导光纤、信号发生和采集处理单元8以及上位机9，通过传导光纤将飞秒激光器1和太赫兹发射天线6、飞秒激光器1和光学延迟线3以及光学延迟线3与太赫兹探测天线7连接，调制偏压源5与太赫兹发射天线6连接，用于太赫兹发射天线偏压的产生，信号发生和采集处理单元5分别与调制偏压源5、太赫兹探测天线7和光学延迟线3连接，用于同步信号的产生和太赫兹信号的采集，信号发生和采集处理单元5还与上位机9连接实现数据交互。

所述传导光纤为保偏光纤，在保偏光纤上雕刻形成保偏啁啾光纤光栅。

保偏啁啾光纤光栅对温度较为敏感，随着保偏啁啾光纤光栅所处环境温度的升高，脉冲的宽度先变小后增大。实验表明，保偏啁啾光纤光栅对温度较为敏感，一个长度为20cm的保偏啁啾光纤光栅所处的环境温度从-7℃上升到50℃时，脉宽从1057fs先下降到764fs后又上升到910fs。在此过程中，随温度的上升，保偏啁啾光纤光栅的色散由补偿不足变为过补偿。由此可知，通过控制光纤光栅所处的环境温度或其本身温度，可对保偏啁啾光纤光栅的色散量进行调谐，最终得到最小输出脉宽的太赫兹波，使得系统始终在最窄的脉冲宽度下工作。由于实验中无法直接测量色散量，而激光器出来的光经过保偏啁啾光纤光栅后，脉宽发生变化，因此，通过“温度场-脉冲宽度”的关系来间接反映保偏啁啾光纤光栅的“温度场-色散量”的关系。通过记录不同温度场对应的脉冲宽度事先制定“温度-脉冲宽度”的查找表。具体操作为：飞秒激光器1通过传导光纤与色散管理单元2连接，上位机7分别与自相关仪与色散管理单元2连接，通过上位机7发布不同的温度指令来改变色散管理单元2的温度，同时用自相关仪记录对应的脉冲宽度，形成“温度-脉冲宽度”的查找表。

作为一种实现方式，温度控制模块包括密封仓、制冷器和温度传感器，保偏啁啾光纤光栅、温度控制器和温度传感器均置于密封仓内，制冷器用于调整密封仓内环境温度，温度传感器用于检测密封仓内温度。所述温度传感器为高精度温度传感器，制冷器为半导体制冷器(TEC)。

作为另一种实现方式，温度控制模块包括加热带和温度传感器组成，加热带缠绕在保偏啁啾光纤光栅外侧，用于对保偏啁啾光纤光栅进行加热，温度传感器置于加热带和保偏啁啾光纤光栅之间，用于检测保偏啁啾光纤光栅本体温度。

进一步说明，为降低色散管理单元2的温控复杂度，将温控范围设置为-20℃～20℃，即只进行负温度调节。

如图2所示，本实施例涉及的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统的色散管理方法，具体包括以下步骤：上位机中的监控中心对色散管理单元内温度进行监控并得到温度反馈，然后与“温度-脉冲宽度”的查找表进行对照，如果实时温度与“温度-脉冲宽度”查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度相匹配，则监控中心对色散管理单元继续进行监控；如果现有温度与“温度-脉冲宽度”查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度不匹配，启用控温程序，参照查找表中的该温度调制色散管理单元的温度，同时将现有温度信息反馈给监控中心并再次与查找表对照，以此实现上位机对色散管理单元温度的实时在线监控与调制，即上位机对系统色散实现在线管理。该色散管理方法的引入，使得系统太赫兹波的脉宽始终保持在最窄的状态，实现了宽带太赫兹波的输出。

本实施例涉及的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理系统，其工作原理如下：飞秒激光器1发出两束飞秒激光，一束作为泵浦光，一束作为探测光，前者经过色散管理单元2后入射到太赫兹发射天线上，在调制偏压源4的作用下产生太赫兹波，后者经过色散管理单元2和光学延迟线3后，与太赫兹波一同共线入射到太赫兹探测天线上，并以此来驱动太赫兹探测天线进行测量。通过控制光学延迟线3来调节泵浦光和探测光之间的时间延迟，最终可以探测出太赫兹波的整个时域波形，经由信号发生和采集处理单元5上传至上位机7进行时频转换等后续处理。通过色散管理单元2来调谐系统的色散量，由信号发生和采集处理单元5实时采集色散管理单元2的温度，经由上位机7实时调控其温度，进而对其色散量进行补偿，最终获得窄脉冲的太赫兹波。

Claims (10)

1.一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，包括第一色散管理单元和第二色散管理单元，第一色散管理单元置于发射端光纤传导光路上，第二色散管理单元置于探测端光纤传导光路上，所述第一色散管理单元和第二色散管理单元包括保偏啁啾光纤光栅和温度控制模块，温度控制模块用于保偏啁啾光纤光栅温度的控制和测量，温度控制模块通过信号发生和采集处理单元与上位机连接；信号发生和采集处理单元用于将检测的第一色散管理单元实时温度和第二色散管理单元实时温度发送到上位机；上位机将接收的实时温度与“温度-脉冲宽度”的查找表进行对照，如果实时温度与查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度相匹配，则不作处理，如果实时温度与查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度不匹配，向对应的温度控制模块发送温度调节指令，对应的温度控制模块进行温度调控，直至反馈的实时温度达到最窄脉冲宽度对应的温度，停止。

2.根据权利要求1所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，第一色散管理单元靠近太赫兹发射天线前端，第二色散管理单元靠近太赫兹探测天线前端。

3.根据权利要求1-2任一项所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，所述基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统包括飞秒激光器、调制偏压源、太赫兹发射天线、光学延迟线、太赫兹探测天线和传导光纤、信号发生和采集处理单元以及上位机，通过传导光纤将飞秒激光器和太赫兹发射天线、飞秒激光器和光学延迟线以及光学延迟线与太赫兹探测天线连接，调制偏压源与太赫兹发射天线连接，用于太赫兹发射天线偏压的产生，信号发生和采集处理单元分别与调制偏压源、太赫兹探测天线和光学延迟线连接，用于同步信号的产生和太赫兹信号的采集，信号发生和采集处理单元还与上位机连接实现数据交互。

4.根据权利要求3所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，所述传导光纤为保偏光纤，在保偏光纤上雕刻形成保偏啁啾光纤光栅。

5.根据权利要求4所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，通过记录不同温度场对应的脉冲宽度制定“温度-脉冲宽度”的查找表。

6.根据权利要求5所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，具体操作为：飞秒激光器通过传导光纤与色散管理单元连接，上位机分别与自相关仪与色散管理单元连接，通过上位机发布不同的温度指令来改变色散管理单元的温度，同时用自相关仪记录对应的脉冲宽度，形成“温度-脉冲宽度”的查找表。

7.根据权利要求6所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，温度控制模块包括密封仓、制冷器和温度传感器，保偏啁啾光纤光栅、温度控制器和温度传感器均置于密封仓内，制冷器用于调整密封仓内环境温度，温度传感器用于检测密封仓内温度。

8.根据权利要求7所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，温度控制模块包括加热带和温度传感器组成，加热带缠绕在保偏啁啾光纤光栅外侧，用于对保偏啁啾光纤光栅进行加热，温度传感器置于加热带和保偏啁啾光纤光栅之间，用于检测保偏啁啾光纤光栅本体温度。

9.根据权利要求8所述的基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统色散管理装置，其特征在于，，色散管理单元的温控范围设置为-20℃～20℃。

10.一种基于保偏啁啾光纤光栅的TDS系统的色散管理方法，具体包括以下步骤：上位机中的监控中心对色散管理单元内温度进行监控并得到温度反馈，然后与“温度-脉冲宽度”的查找表进行对照，如果实时温度与“温度-脉冲宽度”查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度相匹配，则监控中心对色散管理单元继续进行监控；如果现有温度与“温度-脉冲宽度”查找表中的最窄脉冲宽度对应的温度不匹配，启用控温程序，参照查找表中的该温度调制色散管理单元的温度，同时将现有温度信息反馈给监控中心并再次与查找表对照，以此实现上位机对色散管理单元温度的实时在线监控与调制，即上位机对系统色散实现在线管理。该色散管理方法的引入，使得系统太赫兹波的脉宽始终保持在最窄的状态，实现了宽带太赫兹波的输出。

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