CN111693160A - 基于时间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
本发明公开了基于时间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.将飞秒脉冲待测信号分成N路；2.每一路经过振幅调制器对脉冲簇进行解复用的降频分离；3.经过降频后的每一路时域解复用信号分别经过输入端色散部件形成N路探测光；4.脉冲光源经过泵浦端色部件后，再经过光学分路形成N路泵浦光；5.每一路泵浦光分别和一路探测光经光学合束部件合束进入N路高非线性部件，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制得到N路闲频光；6.闲频光被光学滤波器滤出后，再经过输出端色散部件输出端色散，得到时域放大信号；7.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，特别涉及基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统。
背景技术
脉冲时域探测技术在脉冲测量领域有着重要的作用，其中基于时间透镜技术的光信号处理方法具有系统元件少、功能强大的特点，可提供现有电信号处理系统所无法比拟的信号处理速度。其主要由输入色散、时间透镜、输出色散三大部分组成，利用泵浦光进行二次相位调制，实现时域放大成像功能(IEEE J.Quantum Elect.30,1951-1963(1994))。
顺应日益扩大的应用需求，随着激光技术的发展，脉冲光正朝着持续时间更短、重复频率更高的方向发展。对于高重复频率的超快脉冲，在采用时间透镜技术进行时域测量时会出现脉冲时域交叠的现象，无法实现实时测量。
因此，本发明旨在突破现有技术的限制，提出的一种基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统，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时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法和系统，在传统技术的基础上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。
基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，包括以下步骤：
A、飞秒脉冲待测信号经过第一光学分路部件分成N路时域解复用信号；
B、每一路时域解复用信号经过振幅调制器对脉冲簇进行解复用的降频分离，脉冲重复频率降为原来的1/N，即f/N；
C、经过降频后的每一路时域解复用信号分别经过输入端色散部件形成N路探测光；
D、激光器产生重复频率为f/N的脉冲信号，经过泵浦端色部件后，再经过第二光学分路形成N路泵浦光；
E、每一路泵浦光分别和一路探测光经光学合束部件合束然后分别进入N路高非线性部件，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N路闲频光；
F、N路闲频光被光学滤波器滤出后，再经过输出端色散部件输出端色散，得到时域放大信号；
G、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，若待测信号为高重复频率f的飞秒脉冲，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，对待测信号进行时间解复用的降频分离，计算出N＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]。
实现所述的基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法的系统，包括第一光学分路部件、N个振幅调制器、信号发生器、N个输入端色散部件、激光器、泵浦端色散部件、第二光学分路部件、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；
待测信号输入第一光学分路部件，所述第一光学分路部件的输出端与N个振幅调制器的输入端连接、N个振幅调制器与N个输入端色散部件一一对应连接，N个输入端色散部件与N个光学合束部件一一对应连接；所述激光器、泵浦端色散部件、第二光学分路部件依次连接，第二光学分路部件的输出端与N个光学合束部件一一对应连接；N个光学合束部件与N个高非线性介质一一对应连接，N个高非线性介质与N个光学滤波器一一对应连接，N个光学滤波器与N个输出端色散部件一一对应连接，N个输出端色散部件与数据采集与处理部件连接；所述信号发生器与N个振幅调制器连接；
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：
所述超快脉冲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。
进一步地，所述第一光学分路部件和第二光学分路部件均为光纤耦合器。
本发明包括但不限于在超快测量、超快成像领域的应用。
本发明通过利用时间解复用的方法让具有高重复频率的待测信号实现降频分离，降低了对泵浦脉冲的高重复频率要求，避免了使用高重复频率的泵浦光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.本发明采用对待测信号时间解复用的方法，突破高重复频率待测脉冲再探测过程中出现的时间重叠问题，实现高重复频率超快脉冲测量。
2.本发明基于待测信号时间解复用，再对泵浦光进行强度分光，实现对超快脉冲的实时时域测量。
附图说明
图1为本发明基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测系统结构示意图；
图2为本发明具体实施例中泵浦光分光过程的时域示意图；
图3为本发明具体实施例中待测信号时间解复用过程的时域示意图。
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。
基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，包括以下步骤：
A、飞秒脉冲待测信号经过第一光学分路部件分成N路时域解复用信号；
B、每一路时域解复用信号经过振幅调制器对脉冲簇进行解复用的降频分离，脉冲重复频率降为原来的1/N，即f/N；
C、经过降频后的每一路时域解复用信号分别经过输入端色散部件形成N路探测光；
D、激光器产生重复频率为f/N的脉冲信号，经过泵浦端色部件后，再经过第二光学分路形成N路泵浦光。
E、每一路泵浦光分别和一路探测光经光学合束部件合束然后分别进入N路高非线性部件，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N路闲频光；
F、N路闲频光被光学滤波器滤出后，再经过输出端色散部件输出端色散，得到时域放大信号；
G、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。
若待测信号为高重复频率f的飞秒脉冲，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，对待测信号进行时间解复用的降频分离，计算出N＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]。
如图1所示的基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测系统，该系统包括第一光学分路部件1、3个振幅调制器2、信号发生器3、3个输入端色散部件4、激光器5、泵浦端色散部件6、第二光学分路部件7、3个光学合束部件8、3个高非线性介质9、3个光学滤波器10、3个输出端色散部件11、数据采集与处理部件12；所述数据采集与处理部件包括3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。3个高速光电探测器的输出端均接入高速采样器件，高速采样器件接入处理终端，3个高速光电探测器的输入端与3个输出端色散部件11一一对应连接。
待测信号输入至第一光学分路部件1，所述第一光学分路部件1的输出端与3个振幅调制器2的输入端连接、3个振幅调制器2与3个输入端色散部件4一一对应连接，3个输入端色散部件4与3个光学合束部件8一一对应连接；所述激光器5、泵浦端色散部件6、第二光学分路部件7依次连接，第二光学分路部件7的输出端与与N个光学合束部件8一一对应连接；3个光学合束部件8与3个高非线性介质9一一对应连接，3个高非线性介质9与3个光学滤波器10一一对应连接，3个光学滤波器10与3个输出端色散部件11一一对应连接，3个输出端色散部件11与数据采集与处理部件12连接；所述信号发生器与3个振幅调制器连接；
所述数据采集与处理部件12所述数据采集与处理部件，包括3个高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，所述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，3个高速光电探测器的输入端与3个输出端色散部件11一一对应连接。
所述激光器5产生重复频率为f/N的超快脉冲，超快脉冲经过泵浦端色部件6后，再经过第二光学分路部件7形成3路泵浦光,；
所述待测信号的重复频率为f＝1.2GHz，所述激光器产生的泵浦光光谱宽度为Δλ＝20nm，所述泵浦端色散部件6的总色散量为Df＝-150ps/nm，N＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]＝3，则所述脉冲光源的重复频率为f/N＝400MHz，所述第一光学分路部件1将待测信号分为3路，所述第二光学分路部件7将泵浦光分为3路。
待测信号经过第一光学分路部件1形成的三路路时域解复用信号分别经过一个振幅调制器，振幅调制器对脉冲簇进行解复用的降频分离，经过降频后的每一路时域解复用信号分别经过一个输入端色散部件形成3路探测光；信号发生器4对3个振幅调制器进行调制；
每一路泵浦光分别和一路探测光经过一个光学合束部件8后，进入一个高非线性介质，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3路闲频光；每一路闲频光被一个光学滤波器滤出后，再经过输出端色散部件输出端色散，得到时域放大信号；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。
如附图所示，图2为泵浦光分光过程的时域示意图，图3为待测信号时间解复用过程的时域示意图，图2中λ表示波长。
泵浦脉冲经过泵浦端色散部件6色散后，再通过光学分光在时域上将探测光分成a、b、c三路信号，待测信号经过时间解复用降频分离后形成A、B、C三路探测光。
所述光学合路部件8为光纤耦合器，分别将信号a和探测光A、信号b和探测光B、信号c和探测光C两两合束。
所述高非线性介质9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部件中进行四波混频，产生三路闲频光。
所述输入端色散部件4、泵浦端色散部件6、输出端色散部件11均为色散光纤，所述输入端色散部件4的色散量Din、所述泵浦端色散部件6的色散量Df、所述输出端色散部件11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11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12，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 (9)
1.基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、飞秒脉冲待测信号经过第一光学分路部件分成N路时域解复用信号；
B、每一路时域解复用信号经过振幅调制器对脉冲簇进行解复用的降频分离，脉冲重复频率降为原来的1/N，即f/N；
C、经过降频后的每一路时域解复用信号分别经过输入端色散部件形成N路探测光；
D、激光器产生重复频率为f/N的脉冲信号，经过泵浦端色部件后，再经过第二光学分路形成N路泵浦光；
E、每一路泵浦光分别和一路探测光经光学合束部件合束然后分别进入N路高非线性部件，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N路闲频光；
F、N路闲频光被光学滤波器滤出后，再经过输出端色散部件输出端色散，得到时域放大信号；
G、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所述的基于时间解复用的高重频超快脉冲时域探测方法，其特征在于：若待测信号为高重复频率f的飞秒脉冲，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，对待测信号进行时间解复用的降频分离，计算出N＝[(Δλ|Df|*f)向上取整]。
3.实现权利要求1所述的基于时间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：包括第一光学分路部件、N个振幅调制器、信号发生器、N个输入端色散部件、激光器、泵浦端色散部件、第二光学分路部件、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；
待测信号输入第一光学分路部件，所述第一光学分路部件的输出端与N个振幅调制器的输入端连接、N个振幅调制器与N个输入端色散部件一一对应连接，N个输入端色散部件与N个光学合束部件一一对应连接；所述激光器、泵浦端色散部件、第二光学分路部件依次连接，第二光学分路部件的输出端与N个光学合束部件一一对应连接；N个光学合束部件与N个高非线性介质一一对应连接，N个高非线性介质与N个光学滤波器一一对应连接，N个光学滤波器与N个输出端色散部件一一对应连接，N个输出端色散部件与数据采集与处理部件连接；所述信号发生器与N个振幅调制器连接；
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：
所述超快脉冲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。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述第一光学分路部件和第二光学分路部件均为光纤耦合器。
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