CN111693143B - 一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法和系统，所述方法包括以下步骤：1.将待测信号经色散傅里叶变换时域拉伸后，该信号的光谱信息映射到时域上；2.将展宽后的信号分为n路，其中第一路不经过任何处理，另外的n‑1路分别通过信号调制、时延和放大之后再合束，n路信号分别测量不同强度动态范围内的光谱息；3.最后通过数据采集与处理将数据进行重构得到完整的脉冲光谱信息，实现大强调范围的实时脉冲激光光谱测量。该发明能够实现大动态范围的超快信号光谱信息的实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及超快信号测量领域，特别涉及一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法和系统。
背景技术
超快光谱测量技术，在超快现象的探测、超快成像等各个研究领域都有着极其重要的作用，而传统的光谱测量技术，如光栅光谱仪、干涉光谱仪、双光梳测量等(Nat.Commun.9,3565(2018))，虽然测量分辨率逐渐提升，但普遍存在刷新率不足的问题，无法实现实时测量。后来发展起来的瞬态荧光光谱测量技术、瞬态吸收光谱测量技术、时间相关单光子计数测量技术等(Appl.Phys.Lett.86,021909(2005))，这类技术以泵浦-探测的方法要求待测信号是重复发生的周期信号，然而对于非重复的瞬时信号，如激光腔内孤子非线性动力学行为的研究，则无法测量。
近年来，色散傅里叶变换技术被研究者提出并不断得到发展(Nat.Photon.11,341-351(2017))，通过时频变换把光谱测量转换到时域上，结合高速数据采集系统，使实时脉冲激光光谱测量成为可能。然而，受限于现有探测仪器较低的动态范围，对于具有大强度范围的超快脉冲，仍然无法完整测量其光谱信息。因此，对具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法的研制迫在眉睫。
为了提高测量系统的动态范围，本发明提出了一种基于色散傅里叶变换技术的超快脉冲激光光谱测量的方法和系统，将具有大强度范围的待测信号分为强度动态范围相关的几路进行探测，再将探测到的数据进行重构从而得到完整的脉冲激光光谱信息。这种方法简单巧妙地解决了现有技术的动态范围有限的问题，在超快测量方面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具大动态范围的超快脉冲激光光谱测量的方法和系统，在实现高分辨率的实时测量的基础上，实现了大动态范围的观察能力。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法，包括以下步骤：
A、待测激光脉冲信号通过色散傅里叶变换部件，将待测激光光谱信息映射到时域上，形成激光光谱信号；
B、激光光谱信号经过光学分路部件后分为n路激光光谱信号，n≥3；
C、第一路激光光谱信号直接通过光学合束部件与经过放大器以后的n-1路激光光谱信号合束，并被数据采集与处理部件探测，从而得到待测激光光谱信号峰值强度在20dB以下的光谱信息；
D、第一路激光光谱信号反馈到任意波发生器的第一通道中，为第二路激光光谱信号的高速电光振幅调制器提供强度共轭射频信号；
E、第二路激光光谱信号通过第二路激光光谱信号的高速电光振幅调制器调制后，只剩下除峰值至20dB动态范围以外的光谱信息，光谱信息再经过延迟线和放大器放大后通过光学合束部件与另外n-1路激光光谱信号合束，合束的信息被数据采集与处理部件探测，从而得到待测激光光谱信号20～40dB动态范围的光谱信息；
F、第二路激光光谱信号反馈到任意波发生器的第二通道中，为下一路激光光谱信号的高速电光振幅调制器提供强度共轭射频信号；
G、第n路激光光谱信号通过第n路激光光谱信号的高速电光振幅调制器调制后，只剩下除峰值至(n-1)*20dB动态范围以外的光谱信息，该光谱信息经过第n路的延迟线和放大器放大后通过光学合束部件与另外n-1路激光光谱信号合束，合束的信息被数据采集与处理部件探测，从而得到待测激光光谱信号(n-1)*20dB～n*20dB动态范围的光谱信息；
n路激光光谱信号经过光学合束部件合束后，通过数据采集与处理部件，最终得到待测激光脉冲信号的完整光谱信息。
进一步地，步骤A是将待测激光脉冲信号经过傅里叶变换，将待测激光光谱信息映射到时域上，再结合实时示波器，通过探测超快脉冲时域波形获得激光光谱信号，其中频域到时域的对应关系如下：
其中，u(z,T)为脉冲时域光场，
为脉冲频域光场，z为脉冲传输距离，T为脉冲传输时间，β2为色散光纤的色散系数，α为色散光纤的衰减系数，经过足够长的色散光纤后脉冲时域包络形状与原始光谱包络形状具有相似性，时频对应关系满足ω＝T/β2z。
实现所述的一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法的系统，包括色散傅里叶变换部件、光学分路部件、若干个高速电光振幅调制器、任意波形发生器、若干个延迟线、若干个放大器、光学合束部件、数据采集与处理部件；
所述色散傅里叶变换部件，用以对待测脉冲进行时频变换，将待测激光光谱信息映射到时域上；
所述光学分路部件包括光纤耦合器，用于将色散傅里叶变换部件输出的信号分为n路信号，n路信号分别通入n个光谱测量通道，第一个光谱测量通道与光学合束部件连接，其余的n-1个光谱测量通道分别与若干个高速电光振幅调制器的输入端一一对应连接；
所述高速电光振幅调制器，用于将待测激光光谱信号进行动态范围相关的分离；
所述任意波形发生器与若干个高速电光振幅调制器连接，用于产生所述高速电光振幅调制器的强度共轭调制信号；
所述若干个延迟线与若干个高速电光振幅调制器的输出端一一对应连接，用于调整各路激光光谱信号的时延，避免数据采集时的信号重叠；
所述若干个放大器与若干个延迟线的输出端一一对应连接，用于放大激光光谱信号的强度，便于提高系统的探测灵敏度；
所述光学合束部件可为光纤耦合器，光学合束部件与若干个放大器的输出端连接，用于将n路信号进行合束；
所述数据采集和处理部件与光学合束部件的输出端连接，所述数据采集和处理部件包括高速光电探测器和实时示波器，用于将输出的光信号转换为电信号，并对采集的信号进行重构得到原始频域波形。
进一步地，所述高速电光振幅调制器由任意波形发生器设定强度共轭调制信号。
进一步地，所述高速光电探测器的动态范围为20～30dB。
进一步地，色散傅里叶变换部件为色散光纤但不限于色散光纤。
进一步地，所述系统包括但不限于在超快测量、超快成像领域的应用。
本发明通过先利用时间拉伸色散傅里叶变换技术，将待测脉冲激光的光谱信息映射到时域上，实现高分辨率的实时光谱测量，再利用光学分路和信号调制的方法，将大强度动态范围的待测信号在时域上进行强度动态范围相关的分步信息采集，最终通过数据重构实现具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
1.采用色散傅里叶变换技术将脉冲光谱信息映射到时域上，结合高速光电探测器和实时示波器实现实时脉冲激光光谱测量，克服传统光谱仪刷新率低的问题。
2.突破高速光电探测器低测量动态范围(20dB～30dB)的限制，实现大动态范围的完整脉冲激光光谱测量。
3.系统为全光纤结构，稳定性好，可集成为模块，搬运方便。
4.与传统光谱仪有测量波长限制，但本发明的光谱测量技术通过更换光纤即可应用于不同波长范围的脉冲激光，适用性广。
5.巧妙利用高速光电振幅调制器和任意波形发生器，通过强度共轭的级联反馈形式实现时域光谱分光，可操作性强。
附图说明
图1为本实施例具有大动态范围光谱信息实时测量系统结构示意图；
图2为本实施例具有大强度范围的待测信号及其经过色散傅里叶变换展宽后的时域波形图；
图3为本实施例系统原理示意图；
图4为本实施例数据采集部件采集到的时域信息图；
图5为图2的待测信号经过本测量系统后仿真得到的光谱信息图。
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，本实施例的一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量系统，包括色散傅里叶变换部件1、光学分路部件2、第一高速电光振幅调制器3、第一延迟线4、第一放大器5、任意波形发生器6、第二高速电光振幅调制器7、第二延迟线8、第二放大器9、光学合束部件10和数据采集与处理部件11。
所述色散傅里叶变换部件1，用以对待测脉冲进行时频变换，将待测激光光谱信号映射到时域上，形成激光光谱信号；色散傅里叶变换部件为色散光纤但不限于色散光纤。
所述光学分路部件2，用于将激光光谱信号分为n路，分别通入n个光谱测量通道，本实施例将激光光谱信号分成三路。
所述高速电光振幅调制器(3，7)，用于将待测激光光谱信号进行动态范围相关的分离。
所述任意波形发生器6，用于产生所述高速电光振幅调制器的强度共轭调制信号。
所述延迟线(4，8)，用于调整各路激光光谱信号的时延，避免数据采集时的信号重叠。
所述放大器(5，9)，用于放大激光光谱信号的强度，便于提高系统的探测灵敏度；
所述光学合束部件10为光纤耦合器，用于将n路信号进行合束。
数据采集与处理部件11包括高速光电探测器和与高速光电探测器连接的实时示波器，用于将输出的光信号转换为电信号，并对采集的信号进行重构得到原始波形。所述实时示波器的具有较小的动态范围(20～30dB)，不足以精确探测到整个脉冲时域波形。
所述色散傅里叶变换部件1的输出端与光学分光部件2的输入端连接，光学分路部件2将待测激光脉冲信号分成三路。第一高速电光振幅调制器3、第二高速电光振幅调制器7和光学合束部件10均与光学分光部件2的输出端连接；第一高速电光振幅调制器3的输出端、第一延迟线4、第一放大器5依次连接；第二高速电光振幅调制器7的输出端、第二延迟线8、第二放大器9、依次连接；第一放大器5和第二放大器9的输出端通过光学合束部件10与高速光电探测器连接。第一高速电光振幅调制器3和第二高速电光振幅调制器7均与任意波形发生器6连接，从而产生高速电光振幅调制器的强度共轭调制信号。
图2为具有大强度范围的待测信号及其经过色散傅里叶变换展宽后的时域波形图。
待测信号具有较大的强度范围(20～60dB)，经过色散傅里叶变换频域成像技术，将待测信号的光谱信息映射到时域上，再结合实时示波器，则通过探测超快脉冲时域波形即可实时获取其光谱信息。频域到时域的对应关系可由下式给出，
其中，u(z,T)为脉冲时域光场，
为脉冲频域光场，z为脉冲传输距离，T为脉冲传输时间，β2为色散光纤的色散系数，α为色散光纤的衰减系数，从上式可知经过足够长的色散光纤后脉冲时域包络形状与原始光谱包络形状具有相似性，时频对应关系满足ω＝T/β2z。
本实施例一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量系统的方法，包括以下步骤：
A、待测激光脉冲信号通过所述色散傅里叶变换部件1在时域上充分拉伸展宽以实现时频傅里叶变换，使待测激光脉冲的光谱信息映射到时域上，获得激光光谱信号；
B、激光光谱信号经过光学分路部件2分为三路激光光谱信号；经过色散傅里叶变换后，带有光谱信息的单个脉冲时域波形如图3的a区所示，之后具有大强度范围的脉冲被分为三路。
C、第一路激光光谱信号直接与另外两路激光光谱信号的输出端合束，并被高速光电探测器探测，从而得到待测激光光谱信号峰值强度以下20dB的光谱信息；
D、第一路激光光谱信号反馈到任意波发生器6的第一通道中，为第二路激光光谱信号的高速电光振幅调制器即第一高速电光振幅调制器3提供强度共轭射频信号；
E、第二路激光光谱信号通过第一高速电光振幅调制器3调制后，只剩下除峰值至20dB动态范围以外的光谱信息，再经过第一延迟线4和第一放大器5放大后，与另外两路激光光谱信号合束，并被高速光电探测器探测，从而得到待测激光光谱信号20～40dB动态范围的光谱信息；
F、第二路激光光谱信号反馈到任意波发生器6的第二通道中，为第三路激光光谱信号的高速电光振幅调制器即第二高速电光振幅调制器7提供强度共轭射频信号；
G、第三路激光光谱信号通过第二路高速电光振幅调制器7调制后，只剩下除峰值至40dB动态范围以外的光谱信息，再经过第二路延迟线8和第二路放大器9放大后，与另外两路激光光谱信号合束，并被高速光电探测器探测，从而得到待测激光光谱信号40-60dB动态范围内的光谱信息；
上述三路激光光谱信号经过光学合束部件10合束后，通过数据采集与处理部件，最终得到待测超快信号的完整光谱信息。
第一路激光光谱信号不经过任何部件，直接合束到高速光电探测器内，再由实时示波器测得的时域波形如图3的b区。由图3可知，受限于示波器的小动态范围，直接探测只能得到脉冲峰值强度以下20dB的时域范围。
任意波形发生器6给第一高速电光振幅调制器3设定如图3的c区周期为T1的调制信号，给第二高速电光振幅调制器7设定如图3的e区周期为T2的调制信号。当这两路信号经过各自的高速电光振幅调制器，再经过各自的延迟线和各自的放大器，再合束进入高速光电探测器，由实时示波器测得的时域波形分别如图3的d区和图3的f区所示。
最后，三路信号合束后进入高速光电探测器和实时示波器采集到的时域信息，延迟线避免了三路时域信息的重叠。图4为数据采集部件采集到的时域信息图。
再经过数据处理，重构脉冲频域波形，实现大动态范围的超快脉冲激光光谱测量。图5为图2的待测信号经过本测量系统后仿真得到的光谱信息图。
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 (5)
1.一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、待测激光脉冲信号通过色散傅里叶变换部件，将待测激光光谱信息映射到时域上，形成激光光谱信号；具体包括：
将待测激光脉冲信号经过傅里叶变换，将待测激光光谱信息映射到时域上，再结合实时示波器，通过探测超快脉冲时域波形获得激光光谱信号，其中频域到时域的对应关系如下：
其中，u(z,T)为脉冲时域光场，
为脉冲频域光场，z为脉冲传输距离，T为脉冲传输时间，β2为色散光纤的色散系数，α为色散光纤的衰减系数，经过足够长的色散光纤后脉冲时域包络形状与原始光谱包络形状具有相似性，时频对应关系满足ω＝T/β2z
B、激光光谱信号经过光学分路部件后分为n路激光光谱信号，n≥3；
C、第一路激光光谱信号直接通过光学合束部件与经过放大器后的n-1路激光光谱信号合束，并被数据采集与处理部件探测，从而得到待测激光光谱信号峰值强度在20dB以下的光谱信息；
D、第一路激光光谱信号反馈到任意波发生器的第一通道中，为第二路激光光谱信号的高速电光振幅调制器提供强度共轭射频信号；
E、第二路激光光谱信号通过第二路激光光谱信号的高速电光振幅调制器调制后，只剩下除峰值至20dB动态范围以外的光谱信息，光谱信息再经过延迟线和放大器放大后通过光学合束部件与另外n-1路激光光谱信号合束，合束的信息被数据采集与处理部件探测，从而得到待测激光光谱信号20～40dB动态范围的光谱信息；
F、第二路激光光谱信号反馈到任意波发生器的第二通道中，为下一路激光光谱信号的高速电光振幅调制器提供强度共轭射频信号；
G、第n路激光光谱信号通过第n路激光光谱信号的高速电光振幅调制器调制后，只剩下除峰值至(n-1)*20dB动态范围以外的光谱信息，该光谱信息经过第n路的延迟线和放大器放大后通过光学合束部件与另外n-1路激光光谱信号合束，合束的信息被数据采集与处理部件探测，从而得到待测激光光谱信号(n-1)*20dB～n*20dB动态范围的光谱信息；
n路激光光谱信号经过光学合束部件合束后，通过数据采集与处理部件，最终得到待测激光脉冲信号的完整光谱信息。
2.实现权利要求1所述的一种具有大动态范围的实时脉冲激光光谱测量方法的系统，其特征在于：包括色散傅里叶变换部件、光学分路部件、若干个高速电光振幅调制器、任意波形发生器、若干个延迟线、若干个放大器、光学合束部件、数据采集与处理部件；所述高速电光振幅调制器，用于将待测激光光谱信号进行动态范围相关的分离；所述色散傅里叶变换部件，用以对待测脉冲进行时频变换，将待测激光光谱信息映射到时域上；
所述光学分路部件包括光纤耦合器，用于将色散傅里叶变换部件输出的信号分为n路信号，n路信号分别通入n个光谱测量通道，第一个光谱测量通道与光学合束部件连接，其余的n-1个光谱测量通道分别与若干个高速电光振幅调制器的输入端一一对应连接；
所述任意波形发生器与若干个高速电光振幅调制器连接，用于产生所述高速电光振幅调制器的强度共轭调制信号；
所述若干个延迟线与若干个高速电光振幅调制器的输出端一一对应连接，用于调整各路激光光谱信号的时延，避免数据采集时的信号重叠；
所述若干个放大器与若干个延迟线的输出端一一对应连接，用于放大激光光谱信号的强度，便于提高系统的探测灵敏度；
所述光学合束部件为光纤耦合器，光学合束部件与若干个放大器的输出端连接，用于将n路信号进行合束；
所述数据采集和处理部件与光学合束部件的输出端连接，所述数据采集和处理部件包括高速光电探测器和实时示波器，用于将输出的光信号转换为电信号，并对采集的信号进行重构得到原始频域波形；
所述高速光电探测器的动态范围为20～30dB。
3.根据权利要求2中所述的系统，其特征在于：所述高速电光振幅调制器由任意波形发生器设定强度共轭调制信号。
4.根据权利要求2中所述的系统，其特征在于：色散傅里叶变换部件为色散光纤。
5.根据权利要求2中所述的系统，其特征在于：包括在超快测量、超快成像领域的应用。
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