CN111678611B - 基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统和方法，所述系统包括第一光学分路部件、振幅调制器、任意波形发生器、第二光学分路部件、超大带宽时域探测光路、色散傅里叶变换光路、数据采集与处理部件；所述第一光学分路部件，用于将待测信号分成N路时域解复用信号；所述振幅调制器与N路时域解复用信号一一对应连接，振幅调制器在每一路时域解复用信号通道中，用于对待测信号进行时域调制，实现时域解复用降频分离；所述第二光学分路部件与降频后的N路时域解复用信号一一对应连接，第二光学分路部件在降频后的每一路时域解复用信号分路中，所述数据采集与处理部件，包括高速光电探测器、高速采样器、处理终端。
Description
技术领域
本发明涉及超快信号测量领域，特别涉及基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统和方法。
背景技术
随着激光技术的发展，实时测量超快脉冲的全场信息(时域、频域、相位)，已成为超快领域非常重要的研究内容，超快测量技术为超快现象的观测和模拟、激光加工等研究提供了技术支持。
多种超快测量技术逐渐被报道，其中，时域探测技术可将待测脉冲进行时域放大实现超快脉冲实时时域测量(IEEE J.Quantum Elect.30,1951-1963(1994))；色散傅里叶变换技术可将待测脉冲进行时域拉伸，获得待测脉冲信号远场时间信号。另外，色散傅里叶变换技术可以将频域映射到时域上实现超快脉冲实时频域测量(Nat.Photon.11,341-351(2017))。但上述两种方法均无法获得脉冲相位信息，高重复频率脉冲重叠问题仍需解决。
为了实现高重复频率的实时超快测量，本发明提出了一种基于时间拉伸远场方法的智能高重复频率飞秒脉冲实时全场测量技术方法和系统，结合超大带宽时域探测技术和色散傅里叶变换技术，采用Gerchberg-Saxton相位恢复算法，突破传统技术限制实时测量超快脉冲全场信息，在超快测量领域有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的问题是实现基于时间拉伸远场方法的智能高重复频率飞秒脉冲实时全场测量技术的方法和系统，突破高重复频率脉冲容易出现脉冲交叠进而导致现有测量技术无法使用的限制，实现全场信息测量。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，包括若干个第一光学分路部件、若干个振幅调制器、任意波形发生器、若干个第二光学分路部件、若干个超大带宽时域探测光路、若干个色散傅里叶变换光路、数据采集与处理部件；
所述若干个第一光学分路部件，用于将待测信号RRS分成N路时域解复用信号；
所述若干个振幅调制器输入端与第一光学分路部件输出的N路时域解复用信号一一对应连接，用于对待测信号进行时域调制，实现时域解复用降频分离；
所述任意波形发生器为所述若干个振幅调制器产生调制信号；
所述若干个第二光学分路部件输入端与所述若干个振幅调制器输出的N路时域解复用信号一一对应连接，每个第二光学分路部件将降频后的每一路时域解复用信号分成两条信号，其中一条信号输入超大带宽时域探测光路，用于对分路脉冲进行小色散量的时域拉伸，另一条信号输入色散傅里叶变换光路，用于对分路脉冲进行大色散量的时域拉伸并将待测信号的频域强度信息映射到时域上，实现时频变换；
所述若干个第二光学分路部件将N路时域解复用信号分成2N条信号；所述若干个超大带宽时域探测光路与其中N条信号一一对应连接，所述若干个色散傅里叶变换光路与另外的N条信号一一对应连接；
所述数据采集与处理部件，包括高速光电探测器、高速采样器、处理终端，用于将超大带宽时域探测光路和色散傅里叶变换光路输出的光信号转换成电信号，并进行实时数据采集与处理。
2.根据权利要求1所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于：第一光学分路部件和第二光学分路部件均为光耦合器。
进一步地，所述的若干个振幅调制器通过任意波形发生器进行调制，产生重复频率为RRS/N、持续时间远大于待测信号单个脉冲持续时间的方波信号，第n个振幅调制器的方波信号较第一个时间延迟(N-1)/RRS，2≤n≤N。
进一步地，所述超大带宽时域探测光路包括输入端色散部件、激光器、泵浦端色散部件、高非线性介质、光学滤波器和输出端色散部件；
所述输入端色散部件对若干个第二光学分路部件输出的信号进行色散处理，形成探测光；
所述激光器产生超短脉冲序列，再经过所述泵浦端色散部件进行色散处理，形成泵浦光；
所述高非线性介质为探测光和泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；
所述光学滤波器将高非线性介质产生的闲频光滤出；
所述输出端色散部件对闲频光进行色散处理，得到时域放大信号。
进一步地，所述高非线性介质为高非线性光纤；所述输入端色散部件、泵浦端色散部件、输出端色散部件均为色散光纤。
进一步地，所述输入端色散部件的色散量Din、所述泵浦端色散部件的色散量Df、所述输出端色散部件的色散量Dout满足如下成像关系：
所述时域放大信号的放大倍数为：
进一步地，所述高速光电探测器、高速采样器、处理终端依次连接；所述高速光电探测器将光信号转变成电信号，再经过高速采样器件对电信号进行采集，最后利用处理终端对所采集的信号进行处理和分析；所述处理终端为计算机设备。
所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：
A、待测信号RRS被第一光学分路部件分成N路解复用待测脉冲；
B、每一路解复用待测脉冲通过一个振幅调制器对脉冲簇在时域上进行解复用的降频分离，脉冲重复频率均变为待测信号的N分之一，即RRS/N；
C、经过降频后的每一路解复用待测脉冲通过第二光学分路部件再分成两条信号，其中一条信号通过超大带宽时域探测光路进行时域放大，获得输入光脉冲的时域强度信号I1(t)；另一条信号通过色散傅里叶变换光路进行时频转换，将待测信号的频域信息映射到时域上，获得输入光脉冲的远场强度信号I2(t)；
D、通过数据采集与处理部件实时采集超大带宽时域探测光路的输入光脉冲的时域强度信号I1(t)和色散傅里叶变换光路的输入光脉冲的远场强度信号I2(t)；
数据采集与处理部件的处理终端采用Gerchberg-Saxton算法对时域强度信号I1(t)和远场强度信号I2(t)重构出待测信号光的相位，得到待测信号光的强度、相位等在时域和频域的信息，从而实现高重复频率飞秒脉冲的全场信息实时测量。
本发明通过光学时域解复用法将高重复频率脉冲进行分路降频，以光学分路时域解复用的方法对待测脉冲进行降频处理，避免高重复频率导致的脉冲重叠问题，结合超大带宽时域探测技术和时域拉伸技术，以高速信号采集器件进行数据采集，采用相位恢复算法重构相位信息，从而实现GHz高重复频率飞秒脉冲实时全场信息测量。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明采用降频分路的方法实现高重复频率和实时测量。
2.本发明结合时域探测技术和色散傅里叶变换技术，得到脉冲时域和频域信息，再通过相位重构得到脉冲全场信息。
3.为高重复频率脉冲全场测量提供一种切实可行的方案。
附图说明
图1为本实施例基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统结构示意图；
图2为本实施例具体实施例中待测脉冲时域解复用的原理示意图；
图3为本实施例其中一路解复用待测脉冲经过超大带宽时域探测光路和色散傅里叶变换光路的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，该系统包括第一光学分路部件1、3个振幅调制器2、任意波形发生器3、3个第二光学分路部件4、3个超大带宽时域探测光路5、3个色散傅里叶变换光路6、数据采集与处理部件7。
所述3个振幅调制器2的输入端均与第一光学分路部件1连接，3个振幅调制器2输出端均与第二光学分路部件4输入端连接，所述3个超大带宽时域探测光路5和所述3个色散傅里叶变换光路6的输入端均与第二光学分路部件4输出端连接，所述3个超大带宽时域探测光路5和所述3个色散傅里叶变换光路6的输出端均与数据采集与处理部件7连接。所述任意波形发生器3与所述3个振幅调制器2连接，为振幅调制器2产生调制信号。
所述数据采集与处理部件7包括高速光电探测器、高速采样器和处理终端，用于将2N条二次分路的光信号转换成电信号，并进行实时数据采集与处理。所述高速光电探测器、高速采样器、处理终端依次连接；所述高速光电探测器将光信号转变成电信号，再经过高速采样器件对电信号进行采集，最后利用处理终端对所采集的信号进行处理和分析；所述处理终端为计算机设备。
所述第一光学分路1部件和第二光学分路4部件均为光耦合器；所述色散傅里叶变换光路6为一卷色散光纤。
图2为待测脉冲时域解复用的原理示意图；可见，当重复频率为1.2GHz的待测信号经过光第一光学分路部件1后，时域上被分为重复频率均为400MHz的三路解复用待测脉冲，第二路解复用待测脉冲比第一路解复用待测脉冲时间延迟1ns，第三路解复用待测脉冲比第二路解复用待测脉冲时间延迟1ns。
待测信号为具有高重复频率(1.2GHz)的飞秒脉冲信号重复频率达，由激光器产生；
每一路解复用待测脉冲经过第二光学分路部件4又被分为两路分路，其中一条分路经过超大带宽时域探测光路5，另一条分路色散傅里叶变换光路6。图3为其中一路解复用待测脉冲经过超大带宽时域探测光路5和色散傅里叶变换光路6的原理示意图；
在超大带宽频率>5THz时域放大光路中，所述超大带宽时域探测光路5包括输入端色散部件、激光器、泵浦端色散部件、高非线性介质、光学滤波器、输出端色散部件；
所述高非线性介质为高非线性光纤；所述输入端色散部件、泵浦端色散部件、输出端色散部件均为色散光纤。
所述输入端色散部件对所述第二光学分路部件4输出的信号进行色散处理，形成探测光；所述超大带宽时域探测光路5的激光器产生超短脉冲序列的泵浦脉冲光源，再经过所述泵浦端色散部件进行色散处理，形成泵浦光；所述输入端色散部件和泵浦端色散部件均与高非线性介质的输入端连接，所述高非线性介质为探测光和泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；所述高非线性介质的输出端、光学滤波器和输出端色散部件依次连接，所述光学滤波器将非线性参量过程产生的闲频光滤出；所述输出端色散部件对闲频光进行色散处理，得到时域放大信号。
所述输入端色散光纤的色散量Din、所述泵浦端色散光纤的色散量Df、所述输出端色散光纤的色散量Dout满足如下成像关系式：
根据时空二元性，可以推到出闲频光Aout(τ)与待测信号光
之间的关系：
其中，τ为时间，M为时域放大信号的放大倍数：
待测信号经过超大带宽时域探测光路5后实现时域放大，再经过数据采集与处理部件7后得到超大带宽时域探测光路5的待测信号时域放大强度信息I1(t)。
在色散傅里叶变换光路中，色散部件为色散光纤，色散量为D1，而要实现频域信息映射到时域上，D1要满足远场衍射条件：
其中，l为色散光纤的长度，τ0为待测脉冲的脉宽，β2为大色散光纤的二阶色散系数，
λ0为待测脉冲的光谱宽度，c为真空光速。
待测信号经过色散傅里叶变换光路6后实现时频转换，频域信息映射到时域上，再经过数据采集与处理部件7得到待测信号的频域包络信息I2(t)。
对所采集得的域放大强度信息I1(t)和频域包络信息I2(t)，给定初始相位，通过计算机设备的Gerchberg-Saxton算法不断地迭代以达到收敛，最后得到最优化的待测信号的相位信息，即可得到脉冲在时域和频域上的强度和相位，实现高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量。
基于基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量方法，主要包括以下步骤：
A、待测信号RRS被第一光学分路部件1分成三路解复用待测脉冲；
B、3个振幅调制器与三路时域解复用信号一一对应连接，每一路解复用待测脉冲通过振幅调制器2对脉冲簇在时域上进行解复用的降频分离，脉冲重复频率均变为待测信号的三分之一，即RRS/3；
C、3个第二光学分路部件与降频后的三路时域解复用信号一一对应，经过降频后的每一路解复用待测脉冲通过第二光学分路部件4再分成两路分路，其中一分路通过超大带宽时域探测光路5进行时域放大，获得输入光脉冲的时域强度信号I1(t)。另一分路通过色散傅里叶变换光路6进行时频转换，将待测信号的频域信息映射到时域上，获得输入光脉冲的远场强度信号I2(t)。此操作同样应用到另外两路时域解复用信号。3个第二光学分路部件将降频后的三路时域解复用信号分成6路分路，3个超大带宽时域探测光路5与其中3路分路一一对应连接，3个色散傅里叶变换光路6与另外3路分路一一对应连接；
D、通过数据采集与处理部件，实时采集3个超大带宽时域探测光路5的输入光脉冲的时域强度信号I1(t)和3个色散傅里叶变换光路6的输入光脉冲的远场强度信号I2(t)；
E、采用Gerchberg-Saxton算法对域放大强度信息I1(t)和频域包络信息I2(t)重构出待测信号的相位，得到待测信号RRS的强度、相位等在时域和频域的信息，从而实现高重复频率飞秒脉冲的全场信息实时测量。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于：包括若干个第一光学分路部件、若干个振幅调制器、任意波形发生器、若干个第二光学分路部件、若干个超大带宽时域探测光路、若干个色散傅里叶变换光路、数据采集与处理部件；
所述若干个第一光学分路部件，用于将待测信号RRS分成N路时域解复用信号；
所述若干个振幅调制器输入端与第一光学分路部件输出的N路时域解复用信号一一对应连接，用于对待测信号进行时域调制，实现时域解复用降频分离；
所述任意波形发生器为所述若干个振幅调制器产生调制信号；
所述若干个第二光学分路部件输入端与所述若干个振幅调制器输出的N路时域解复用信号一一对应连接，每个第二光学分路部件将降频后的每一路时域解复用信号分成两条信号，其中一条信号输入超大带宽时域探测光路，用于对分路脉冲进行小色散量的时域拉伸，另一条信号输入色散傅里叶变换光路，用于对分路脉冲进行大色散量的时域拉伸并将待测信号的频域强度信息映射到时域上，实现时频变换；
所述若干个第二光学分路部件将N路时域解复用信号分成2N条信号；所述若干个超大带宽时域探测光路与其中N条信号一一对应连接，所述若干个色散傅里叶变换光路与另外的N条信号一一对应连接；
所述数据采集与处理部件，包括高速光电探测器、高速采样器、处理终端，用于将超大带宽时域探测光路和色散傅里叶变换光路输出的光信号转换成电信号，并进行实时数据采集与处理。
2.根据权利要求1所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于：第一光学分路部件和第二光学分路部件均为光耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于，所述的若干个振幅调制器通过任意波形发生器进行调制，产生重复频率为RRS/N、持续时间远大于待测信号单个脉冲持续时间的方波信号，第n个振幅调制器的方波信号较第一个时间延迟(n-1)/RRS，2≤n≤N。
4.根据权利要求1所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于，所述超大带宽时域探测光路包括输入端色散部件、激光器、泵浦端色散部件、高非线性介质、光学滤波器和输出端色散部件；
所述输入端色散部件对若干个第二光学分路部件输出的信号进行色散处理，形成探测光；
所述激光器产生超短脉冲序列，再经过所述泵浦端色散部件进行色散处理，形成泵浦光；
所述高非线性介质为探测光和泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；
所述光学滤波器将高非线性介质产生的闲频光滤出；
所述输出端色散部件对闲频光进行色散处理，得到时域放大信号。
5.根据权利要求4所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于，所述高非线性介质为高非线性光纤；所述输入端色散部件、泵浦端色散部件、输出端色散部件均为色散光纤。
6.根据权利要求4所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于，所述输入端色散部件的色散量Din、所述泵浦端色散部件的色散量Df、所述输出端色散部件的色散量Dout满足如下成像关系：
所述时域放大信号的放大倍数为：
7.根据权利要求1所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统，其特征在于，所述高速光电探测器、高速采样器、处理终端依次连接；所述高速光电探测器将光信号转变成电信号，再经过高速采样器件对电信号进行采集，最后利用处理终端对所采集的信号进行处理和分析；所述处理终端为计算机设备。
8.权利要求1所述的基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、待测信号RRS被第一光学分路部件分成N路解复用待测脉冲；
B、每一路解复用待测脉冲通过一个振幅调制器对脉冲簇在时域上进行解复用的降频分离，脉冲重复频率均变为待测信号的N分之一，即RRS/N；
C、经过降频后的每一路解复用待测脉冲通过第二光学分路部件再分成两条信号，其中一条信号通过超大带宽时域探测光路进行时域放大，获得输入光脉冲的时域强度信号I1(t)；另一条信号通过色散傅里叶变换光路进行时频转换，将待测信号的频域信息映射到时域上，获得输入光脉冲的远场强度信号I2(t)；
D、通过数据采集与处理部件实时采集超大带宽时域探测光路的输入光脉冲的时域强度信号I1(t)和色散傅里叶变换光路的输入光脉冲的远场强度信号I2(t)；
E、数据采集与处理部件的处理终端采用Gerchberg-Saxton算法对时域强度信号I1(t)和远场强度信号I2(t)重构出待测信号光的相位，得到待测信号光的强度、相位等在时域和频域的信息，从而实现高重复频率飞秒脉冲的全场信息实时测量。
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