CN111693159A - 基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法和系统，所述方法包括以下步骤：1.待测信号通过振幅调制器采样，将重复频率从f的脉冲降为f/N；2.脉冲光经过输入端色散部件色散形成探测光，再通过光谱分光部件将探测光分成N路；3.光谱成分信号通过不同时延，产生时频复用待测信号；4.脉冲光源经过泵浦端色散部件色散形成的泵浦光；5.时频复用待测信号和泵浦光通过光学合束部件合束进入高非线性介质，得到时频复用的闲频光；6.闲频光被光学滤波器滤出后，通过输出端色散部件色散，得到时域放大信号；7.时域放大信号通过数据采集与处理部件重构处理，得到待测信号的完整时域信息。
Description
技术领域
本发明涉及超快信号测量领域，特别涉及基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法和系统。
背景技术
超快脉冲(飞秒)时域测量技术在超短脉冲表征和光与物质相互作用研究等方面发挥了不可替代的作用，经过多年的发展，已发展出多种技术及方法：其中，最为常用的自相关技术仅能用于估算脉冲宽度，无法重构脉冲真实波形。1993年，Trebino教授提出了频率分辨光开关技术(FROG：Frequency Resolved Optical Gating)(J.Opt.Soc.Am.A 10,1101(1993))，该技术能精确重构超快光场强度和相位信息，但是重构脉冲时使用的广义投影法需经历数据的反复迭代过程，难以完成信号的实时测量。之后，Walmsley等人提出了光谱相位相干直接电场重构法(SPIDER：Segmented Planar Imaging Detector forElectro-optical Reconnaissance)(Laser Phys.Lett.5,259-266(2008))，重构算法速度更快，但仍会受限于设备本身的低刷新速率，无法实现实时测量。
1989年，Kolner等人提出了时空二元性原理(IEEE J.Quantum Elect.30,1951-1963(1994))，只要满足成像条件，即可实现光脉冲在时域上的放大或者缩小，其中时域放大能让短脉冲更容易被采样率有限的电子设备检测和处理，从而实现实时超快时域测量。然而由于色散平坦度的限制，该方法的非线性参量过程只有约20nm的测量带宽，无法实现对具有大光谱带宽的超快信号实时测量。
因此，本发明提出的一种基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量的方法和系统，为大光谱带宽超快脉冲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时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量的方法和系统，在传统技术的基础上突破色散平坦度导致的带宽限制。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法，包括以下步骤：
A、具有大光谱带宽Δλ的待测信号光通过振幅调制器采样，使重复频率从f的脉冲降为f/N，N为正整数；
B、重复频率为f/N的脉冲光经过输入端色散部件色散形成探测光，再通过光谱分光部件的光谱分光在频域上将探测光分成N路光谱成分信号，每一路包括不同的Δλ/N的光谱成分信号；
C、其中的一路光谱成分信号不经时延，另外N-1路光谱成分信号通过不同时延，以上分路信号进行合束，产生重复频率为f的时频复用待测信号；
D、激光器产生的脉冲光源经过泵浦端色散部件色散形成重复频率为f的泵浦光；
E、时频复用待测信号和泵浦光通过光学合束部件合束，使得每一路Δλ/N的光谱成分信号相继与泵浦光脉冲作用，合束后的光源信息进入高非线性介质，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，得到时频复用的闲频光；
F、时频复用的闲频光被光学滤波器滤出后，通过输出端色散部件色散，得到时域放大信号；
G、时域放大信号通过数据采集与处理部件重构处理，得到待测信号的完整时域信息，实现大带宽超快脉冲的实时时域测量。
进一步地，所述非线性参量过程由于色散平坦度的限制，有效工作带宽为～20nm，若待测信号光谱带宽为Δλ＞20nm，则：
N＝[(Δλ/20)向上取整]
N为光谱分光部件的分光数量。
实现所述的一种基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法的系统，包括振幅调制器、信号发生器、输入端色散部件、光谱分光部件、N-1个时延部件、光学合束部件、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、数据采集与处理部件；
所述振幅调制器、输入端色散部件、光谱分光部件依次连接；所述激光器、泵浦端色散部件、光学合束部件依次连接；所述光学合束部件的输出端与光学滤波器、输出端色散部件、数据采集与处理部件依次连接；
所述信号发生器与振幅调制器连接，用于对所述振幅调制器产生调制信号；
所述输入端色散部件，用于对待测信号施加色散，形成探测光；
所述光谱分光部件包括若干个波分复用器，其中一个波分复用器的输出端与光学合束部件连接，其余的波分复用器输出端分别与N-1个时延部件的输入端一一对应连接，光谱分光部件用于将所述探测光进行光谱分光；
所述N-1个时延部件的输出端与光学合束部件连接，用于对信号产生特定的时间延迟；
所述激光器产生超短脉序列脉冲光源作为泵浦脉冲；
所述泵浦端色散部件对所述泵浦脉冲施加色散，形成泵浦光；
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；所述处理终端为计算机设备。
进一步地，对于任意N值，所述时延部件共有n＝N-1个，所述第n个时延部件使分路脉冲产生n/f的时延。
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，所述高非线性介质为高非线性光纤；所述时延部件为光纤。
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，所述光学合束部件为光纤耦合器。
系统发明包括但不限于在超快测量、超快成像领域的应用。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明巧妙通过时频复用的方法，让不同波长范围的待测信号分别与泵浦光产生非线性作用，解决了传统时间透镜时域测量技术测量带宽不足的问题，实现大带宽测量同时保证了系统的实时性。
2.本发明为大带宽的超快脉冲实时测量提供了一种可行的方案。
附图说明
图1为本实施例基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统结构示意图；
图2为本实施例具体实施例中待测信号光时频复用过程的时域示意图；
图3为本实施例具体实施例中待测信号光时频复用过程的频域示意图。
具体实施方式
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。
本实施例基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量的方法采用如图1所示的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统来具体实施，该系统包括振幅调制器1、信号发生器2、输入端色散部件3、光谱分光部件4、第一时延部件5、第二时延部件6、光学合束部件7、激光器8、泵浦端色散部件9、高非线性介质10、光学滤波器11、输出端色散部件12、数据采集与处理部件13；
所述数据采集与处理部件13包括高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，处理终端为计算机设备，所述高速光电探测器、高速采样器件和处理终端依次连接。
所述振幅调制器1、输入端色散部件3、光谱分光部件4、第一时延部件5、光学合束部件7、高非线性介质10、光学滤波器11、输出端色散部件12、高速光电探测器依次连接；信号发生器2与振幅调制器1连接对所述振幅调制器1产生调制信号；所述激光器8、泵浦端色散部件9、光学合束部件7、依次连接；光谱分光部件4、第二时延部件6与光学合束部件7依次连接。
基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法，包括以下步骤：
A、具有大光谱带宽Δλ的待测信号光通过振幅调制器采样，使重复频率从f的脉冲降为f/N，N为正整数；
B、重复频率为f/N的脉冲光经过输入端色散部件色散形成探测光，再通过光谱分光部件的光谱分光在频域上将探测光分成N路光谱成分信号，每一路包括不同的Δλ/N的光谱成分信号；
C、其中的一路光谱成分信号不经时延，另外N-1路光谱成分信号通过不同时延，以上分路信号进行合束，产生重复频率为f的时频复用待测信号；
D、激光器产生的脉冲光源经过泵浦端色散部件色散形成重复频率为f的泵浦光；
E、时频复用待测信号和泵浦光通过光学合束部件合束，使得每一路Δλ/N的光谱成分信号相继与泵浦光脉冲作用，合束后的光源信息进入高非线性介质，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，得到时频复用的闲频光；
F、时频复用的闲频光被光学滤波器滤出后，通过输出端色散部件色散，得到时域放大信号；
G、时域放大信号通过数据采集与处理部件重构处理，得到待测信号的完整时域信息，实现大带宽超快脉冲的实时时域测量。
本实施例所述待测信号重复频率为f，光谱宽度为Δλ＝60nm，N＝[(Δλ/20)向上取整]＝3，则所述信号发生器生成频率为f/3的方波信号，通过所述振幅调制器将待测信号的重复频率从f降频为f/3。所述第一时延部件使分路脉冲产生1/f的时延，所述第二时延部件使分路脉冲产生2/f的时延。
如图所示，图2为待测信号时频复用过程的时域示意图，图3为待测信号时频复用过程的频域示意图，图3中λ为波长。
降频后的脉冲光经过输入端色散部件3形成探测光，再通过光谱分光部件4分光在频域上将探测光分成三路，分别为a、b、c三路信号，每一路包括不同的Δλ/3＝20nm的光谱成分。所述第一时延部件5和第二时延部件6均为光纤，第一时延部件5使b路的信号产生1/f的时间延迟，第二时延部件6使c路的信号产生2/f的时间延迟，其中a路信号不进行时间延迟。所述光纤合路部件7为光纤耦合器，将三路信号(a、b、c)以及泵浦光进行合束，从而得到重复频率为f的时频复用待测信号。
所述高非线性介质10为高非线性光纤，所述时频复用待测信号使不同光谱成分依次与泵浦脉冲在高非线性介质10中进行四波混频，产生时频复用的闲频光。
所述输入端色散部件3、泵浦端色散部件9、输出端色散部件12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，得出闲频光Aout(t)与待测信号光
之间的关系：
其中，t为时间，M为时域放大信号的放大倍数：
所述光学滤波器11为将较长波长的闲频光滤出，将较短波长的探测光和泵浦光滤除。再经过输出端色散部件12，最终得到待测信号的完整时域放大信号，通过数据采集与处理部件13结合时域放大倍数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.基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、具有大光谱带宽Δλ的待测信号光通过振幅调制器采样，使重复频率从f的脉冲降为f/N，N为正整数；
B、重复频率为f/N的脉冲光经过输入端色散部件色散形成探测光，再通过光谱分光部件的光谱分光在频域上将探测光分成N路光谱成分信号，每一路包括不同的Δλ/N的光谱成分信号；
C、其中的一路光谱成分信号不经时延，另外N-1路光谱成分信号通过不同时延，以上分路信号进行合束，产生重复频率为f的时频复用待测信号；
D、激光器产生的脉冲光源经过泵浦端色散部件色散形成重复频率为f的泵浦光；
E、时频复用待测信号和泵浦光通过光学合束部件合束，使得每一路Δλ/N的光谱成分信号相继与泵浦光脉冲作用，合束后的光源信息进入高非线性介质，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，得到时频复用的闲频光；
F、时频复用的闲频光被光学滤波器滤出后，通过输出端色散部件色散，得到时域放大信号；
G、时域放大信号通过数据采集与处理部件重构处理，得到待测信号的完整时域信息，实现大带宽超快脉冲的实时时域测量。
2.根据权利要求1所述的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法，其特征在于：所述非线性参量过程由于色散平坦度的限制，有效工作带宽为～20nm，若待测信号光谱带宽为Δλ＞20nm，则：
N＝[(Δλ/20)向上取整]
N为光谱分光部件的分光数量。
3.实现权利要求1所述的一种基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量方法的系统，其特征在于：包括振幅调制器、信号发生器、输入端色散部件、光谱分光部件、N-1个时延部件、光学合束部件、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、数据采集与处理部件；
所述振幅调制器、输入端色散部件、光谱分光部件依次连接；所述激光器、泵浦端色散部件、光学合束部件依次连接；所述光学合束部件的输出端与光学滤波器、输出端色散部件、数据采集与处理部件依次连接；
所述信号发生器与振幅调制器连接，用于对所述振幅调制器产生调制信号；
所述输入端色散部件，用于对待测信号施加色散，形成探测光；
所述光谱分光部件包括若干个波分复用器，其中一个波分复用器的输出端与光学合束部件连接，其余的波分复用器输出端分别与N-1个时延部件的输入端一一对应连接，光谱分光部件用于将所述探测光进行光谱分光；
所述N-1个时延部件的输出端与光学合束部件连接，用于对信号产生特定的时间延迟；
所述激光器产生超短脉序列脉冲光源作为泵浦脉冲；
所述泵浦端色散部件对所述泵浦脉冲施加色散，形成泵浦光；
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；所述处理终端为计算机设备。
4.根据权利要求3所述的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统，其特征在于：对于任意N值，所述时延部件共有n＝N-1个，所述第n个时延部件使分路脉冲产生n/f的时延。
5.根据权利要求3所述的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统，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：
6.根据权利要求3所述的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统，其特征在于：所述高非线性介质为高非线性光纤；所述时延部件为光纤。
7.根据权利要求3所述的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统，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所述的基于时频复用的大带宽超快脉冲实时时域测量系统，其特征在于：所述光学合束部件为光纤耦合器。
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