CN111693158B - 基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统，所述方法包括以下步骤：1.待测信号脉冲经过输入端色散部件形成探测光，再经过强度分光部件，将探测光分成N路；2.脉冲光源经过泵浦端色部件后由于较高的重复频率而形成脉冲重叠的泵浦光；3.脉冲重叠的泵浦光经过光谱分光部件，将泵浦光分成N路，每一路包括Δλ/N的光谱成分，得到波分解泵浦光；4.泵浦光分别和探测光合束进入高非线性部件，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制调制得到N路闲频光；5.闲频光被滤出后，经过输出端色散，得到时域放大信号；6.时域放大信号通过高速数据采集和信号重构处理，得到待测脉冲的完整时域信息。
Description
技术领域
本发明涉及超快信号测量领域，特别涉及基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统。
背景技术
时间透镜技术基于时空二元性原理(IEEE J.Quantum Elect.30,1951-1963(1994))，可将脉冲在时域内进行时频变换、时域放大，降低测量仪器的实时性和精度要求，为脉冲实时测量提供有效的测量方案，在时域成像、光纤通信和光信息处理等各个方面都有广泛的应用。
随着激光技术的发展，待处理信号频率越来越高，带宽越来越宽。时间透镜技术主要通过色散部件对信号进行调制，当高重复频率的信号色散展宽时容易发生时域上的脉冲重叠，影响成像效果。同时，而由于色散平坦度的限制，时间透镜的非线性参量过程只有约20nm的测量带宽，无法实现对具有高重复频率的超快信号大带宽实时测量。
因此，本发明提出的基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统，突破传统技术带宽不足和无法测量高重复频率的限制，为高重复频率超快脉冲实时测量提供一种有效的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的问题是实现基于波分解复用的高重复频率超快脉冲时域探测技术的方法和系统，在传统技术的基础上突破色散平坦度导致的带宽限制，同时解决高重复频率下色散拉伸过程出现的脉冲时域重叠问题。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，主要包括以下步骤：
A、待测信号脉冲经过输入端色散部件形成探测光，再经过强度分光部件，将探测光分成N路；
B、激光器产生的超短脉冲经过泵浦端色散部件后形成脉冲重叠的泵浦光；
C、脉冲重叠的泵浦光经过光谱分光部件，将泵浦光分成N路，每一路包括Δλ/N的光谱成分，得到波分解泵浦光；
D、每一路波分解泵浦光分别和每一路探测光合束进入高非线性介质，通过非线性参量过程，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制调制，的到N路闲频光；
E、N路闲频光被滤出后，再经过输出端色散，得到时域放大信号；
F、时域放大信号通过高速数据采集和信号重构处理，得到待测脉冲的完整时域信息，实现高重复频率超快脉冲的实时时域测量。
进一步地，若泵浦光的谱带宽为Δλ＞20nm，则光分成的路数n1＝[(Δλ/20)向上取整]；
若待测信号为高重复频率f的脉冲，要实现实时测量，则泵浦光的重复频率对应为f，此时泵浦端色散部件的色散量Df容易使泵浦脉冲发生时域交叠，则光分成的路数n2＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]；
步骤A和步骤C中的N值取n1和n2中的较大值。
实现所述的基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法的系统，包括输入端色散部件、强度分光部件、激光器、泵浦端色散部件、光谱分光部件、N个光学合束部件、N个高非线性介质、N个光学滤波器、N个输出端色散部件、数据采集与处理部件；
所述输入端色散部件与强度分光部件连接，强度分光部件将光信号分成N路探测光；强度分光部件的输出端与N个光学合束部件的输入端连接，每路探测光与一个光学合束部件连接；N个光学合束部件的输出端与N个高非线性介质的输入端一一对应连接；N个高非线性介质的输出端与N个光学滤波器的输入端一一对应连接；N个光学滤波器的输出端与N个输出端色散部件输入端一一对应连接；N个输出端色散部件的输出端与数据采集与处理部件连接；
所述泵浦端色散部件与光谱分光部件连接，光谱分光部件的输出端与光学合束部件的输入端连接；
所述输入端色散部件对待测信号施加色散，形成探测光；
所述强度分光部件包括若干个光纤耦合器，用于将所述探测光进行强度分光；
所述激光器产生具有高重复频率f和大光谱带宽Δλ的超短脉冲；
所述泵浦端色散部件对所述超短脉冲施加色散，形成泵浦光；
所述光谱分光部件包括若干个波分复用器，用于将所述泵浦光进行光谱分光，所述若干个波分复用器与N个光学合束部件一一对应连接；
所述光学合束部件，用于将波分解泵浦光和探测光进行合束；
所述高非线性介质，为所述探测光和所述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，将所述非线性参量过程产生的闲频光滤出；
所述输出端色散部件，对所述闲频光进行压缩，得到所述时域放大信号；
所述数据采集与处理部件，包括N个高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，对所述闲频光进行实时数据采集和信号重构处理，结合所述时域放大倍数分析得到所述待测信号的完整时域信息。
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，所述光学合束部件为光纤耦合器。
进一步地，所述高非线性介质为高非线性光纤。
进一步地，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，所述处理终端为计算机设备。
本发明包括但不限于在超快测量、超快成像领域的应用。
本发明通过利用波分解复用的方法让不同波长范围的泵浦光分别与待测信号产生非线性作用，解决了高重复频率下色散拉伸过程出现的脉冲时域重叠问题，保证了系统的测量带宽和实时性，实现高重复频率超快脉冲时域实时测量。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明采用对泵浦光波分解复用的方法，解决高重复频率泵浦脉冲的时域重叠问题，实现高重复频率超快脉冲的实时测量。
2.本发明基于对泵浦光进行波分解复用，再对待测脉冲光进行强度分光，突破现有技术的测量带宽限制，实现大泵浦带宽的超快脉冲时域测量。
附图说明
图1为本实施例基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测系统结构示意图；
图2为本实施例具体实施例中泵浦光光谱分光过程的时域示意图；
图3为本实施例具体实施例中探测光强度分光过程的时域示意图。
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。
基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，主要包括以下步骤：
A、待测信号脉冲经过输入端色散部件形成探测光，再经过强度分光部件，将探测光分成N路；
B、激光器产生的超短脉冲经过泵浦端色散部件后形成脉冲重叠的泵浦光；
C、脉冲重叠的泵浦光经过光谱分光部件，将泵浦光分成N路，每一路包括Δλ/N的光谱成分，得到波分解泵浦光；
D、每一路波分解泵浦光分别和每一路探测光合束进入高非线性介质，通过非线性参量过程，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制调制，的到N路闲频光；
E、N路闲频光被滤出后，再经过输出端色散，得到时域放大信号；
F、时域放大信号通过高速数据采集和信号重构处理，得到待测脉冲的完整时域信息，实现高重复频率超快脉冲的实时时域测量。
若泵浦光的谱带宽为Δλ＞20nm，则光分成的路数n1＝[(Δλ/20)向上取整]；
若待测信号为高重复频率f的脉冲，要实现实时测量，则泵浦光的重复频率对应为f，此时泵浦端色散部件的色散量Df容易使泵浦脉冲发生时域交叠，则光分成的路数n2＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]；
步骤A和步骤C中的N值取n1和n2中的较大值。
如图1所示的基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测系统，该系统包括输入端色散部件1、强度分光部件2、激光器3、泵浦端色散部件4、光谱分光部件5、3个光学合束部件6、3个高非线性介质7、3个光学滤波器8、3个输出端色散部件9、数据采集与处理部件10；所述数据采集与处理部件10包括3个高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，所述3个高速光电探测器均接入高速采样器件，高速采样器件接入处理终端，所述3个高速光电探测器的输入端与3个输出端色散部件9一一对应连接。
待测信号进入输入端色散部件1、所述输入端色散部件1与强度分光部件2连接，强度分光部件2将光信号分成3路探测光；强度分光部件2的输出端与3个光学合束部件6的输入端连接，每路探测光与一个光学合束部件6连接；3个光学合束部件6的输出端与3个高非线性介质7的输入端一一对应连接；3个高非线性介质7的输出端与3个光学滤波器8的输入端一一对应连接；3个光学滤波器8的输出端与3个输出端色散部件9的输入端一一对应连接。
所述激光器3、泵浦端色散部件4与光谱分光部件5依次连接，光谱分光部件5的输出端与光学合束部件6的输入端连接。所述激光器产生具有高重复频率f和大光谱带宽Δλ的超短脉冲；
所述待测信号与所述超短脉冲的重复频率均为f＝1.2GHz，所述激光器3产生的超短脉冲光谱宽度为Δλ＝50nm，所述泵浦端色散部件4的总色散量Df＝-40ps/nm，n1＝[(Δλ/20)向上取整]＝3，n2＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]＝2，则N值取n1和n2中的较大值N＝3，则所述强度分光部件2将探测光分为三路，所述光谱分光部件5将泵浦光分为三路，所述光谱分光部件5为波分复用器，所述强度分光部件2为光纤耦合器。
如附图所示，图2为泵浦光光谱分光过程的时域示意图，图3为探测光强度分光过程的时域示意图，图3中的λ表示波长。
具有高重复频率、大光谱带宽的泵浦脉冲经过泵浦端色散部件4散后，形成时域交叠的泵浦光，再通过光谱分光部件5分光在频域上将泵浦光分成a、b、c三路信号，每一路信号包括Δλ/3的光谱成分，解决了时域交叠问题。待测信号光经过输入端色散部件1色散后形成探测光，再通过强度分光部件2分光分成A、B、C三路信号。
所述光学合束部件6为光纤耦合器，分别将信号a和信号A、信号b和信号B、信号c和信号C两两进行合束。
所述高非线性介质7为高非线性光纤，所述不同分路的波分解泵浦光使不同光谱成分依次与探测光在高非线性介质中进行四波混频，产生三路闲频光。
所述输入端色散部件1、泵浦端色散部件4、输出端色散部件9均为色散光纤，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，可以推到出闲频光与待测信号之间的关系：
其中，t表示时间，M为所述时域放大信号的放大倍数：
所述光学滤波器8功能为将闲频光滤出，将探测光和泵浦光滤除。再经过输出端色散部件，最终得到待测信号的时域放大信号，通过数据采集与处理部件10，结合放大倍数M，可得到待测信号的时域信息，实现具有大光谱带宽超快脉冲的实时时域测量。
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.基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
A、待测信号脉冲经过输入端色散部件形成探测光，再经过强度分光部件，将探测光分成N路；
B、激光器产生的超短脉冲经过泵浦端色散部件后形成脉冲重叠的泵浦光；
C、脉冲重叠的泵浦光经过光谱分光部件，将泵浦光分成N路，每一路包括Δλ/N的光谱成分，得到波分解泵浦光；
D、每一路波分解泵浦光分别和每一路探测光合束进入高非线性介质，通过非线性参量过程，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制，的到N路闲频光；
E、N路闲频光被滤出后，再经过输出端色散，得到时域放大信号；
F、时域放大信号通过高速数据采集和信号重构处理，得到待测脉冲的完整时域信息，实现高重复频率超快脉冲的实时时域测量。
2.根据权利要求1所述的基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，其特征在于：若泵浦光的谱带宽为Δλ＞20nm，则光分成的路数n1＝[(Δλ/20）向上取整]；
若待测信号为高重复频率f的脉冲，要实现实时测量，则泵浦光的重复频率对应为f，此时泵浦端色散部件的色散量Df容易使泵浦脉冲发生时域交叠，则光分成的路数n2＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]；
步骤A和步骤C中的N值取n1和n2中的较大值。
3.实现权利要求1所述的基于波分解复用的高重频超快脉冲时域探测方法的系统，其特征在于：包括输入端色散部件、强度分光部件、激光器、泵浦端色散部件、光谱分光部件、N个光学合束部件、N个高非线性介质、N个光学滤波器、N个输出端色散部件、数据采集与处理部件；
所述输入端色散部件与强度分光部件连接，强度分光部件将光信号分成N路探测光；强度分光部件的输出端与N个光学合束部件的输入端连接，每路探测光与一个光学合束部件连接；N个光学合束部件的输出端与N个高非线性介质的输入端一一对应连接；N个高非线性介质的输出端与N个光学滤波器的输入端一一对应连接；N个光学滤波器的输出端与N个输出端色散部件输入端一一对应连接；N个输出端色散部件的输出端与数据采集与处理部件连接；
所述泵浦端色散部件与光谱分光部件连接，光谱分光部件的输出端与光学合束部件的输入端连接；
所述输入端色散部件对待测信号施加色散，形成探测光；
所述强度分光部件包括若干个光纤耦合器，用于将所述探测光进行强度分光；
所述激光器产生具有高重复频率f和大光谱带宽Δλ的超短脉冲；
所述泵浦端色散部件对所述超短脉冲施加色散，形成泵浦光；
所述光谱分光部件包括若干个波分复用器，用于将所述泵浦光进行光谱分光，所述若干个波分复用器与N个光学合束部件一一对应连接；
所述光学合束部件，用于将波分解泵浦光和探测光进行合束；
所述高非线性介质，为所述探测光和所述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，将所述非线性参量过程产生的闲频光滤出；
所述输出端色散部件，对所述闲频光进行压缩，得到所述时域放大信号；
所述数据采集与处理部件，包括N个高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，对所述闲频光进行实时数据采集和信号重构处理，结合所述时域放大倍数分析得到所述待测信号的完整时域信息。
4.根据权利要求3所述的系统，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：
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述光学合束部件为光纤耦合器。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述高非线性介质为高非线性光纤。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：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。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述处理终端为计算机设备。
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