CN111928885A - 一种飞秒激光双向时频钟差测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种飞秒激光双向时频钟差测量方法及装置，该方法主要包括测取复合激光脉冲的峰值时刻以及计算获取双向时频传递的钟差，该装置主要包括采用飞秒激光双向传递方式实现交互式时间偏差测量的站点A和站点B，站点A和站点B内的时间偏差的测量结果送至同一台计算机中计算出钟差。本发明利用飞秒激光脉冲作为精密时间信号的传递载体，采用飞秒激光脉冲异步光学采样原理，获得飞秒级时间差的测量精度，从而实现在自由空间时间频率信号远程精密传递。
Description
技术领域
本发明涉及时间频率信号远程精密传递技术领域，尤其涉及一种飞秒激光双向时频钟差测量方法及装置。
背景技术
目前，标准时间信号由设置在各计量机构的原子钟组产生与保持。随着精密计量测试技术的迅猛发展，各领域对于时间频率基准信号精密度的要求不断提高。因此，守时设备与用时部门之间精密时间频率信号的远程传递成为重要环节。
现阶段，虽然微波无线电时频传递技术在跨地域时钟信号远程传递中仍然发挥着重要作用，但此技术已日臻成熟，难以满足亚皮秒时间传递稳定度的应用需求。目前，更高精度的时频信号远程传递主要通过光纤网络实现，然而，在灵活度方面略显不足。并且，由于光纤显著的色散特性，通过光纤网络传递时间频率信号会额外引入色散时延误差，需要预先对特定光纤链路的色散时延误差进行测试标定或估计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞秒激光双向时频钟差测量方法及装置，解决现阶段微波无线电时频传递技术难以满足亚皮秒时间传递稳定度的应用需求，而更高精度的时频信号远程传递主要通过光纤网络实现，但灵活度方面略显不足的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种飞秒激光双向时频钟差测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，测取复合激光脉冲的峰值时刻：
设定第一飞秒激光的重复频率为frep+Δfrep；设定第二飞秒激光的重复频率为frep，所述Δfrep为微小的重复频率差异；
所述第一飞秒激光和所述第二飞秒激光的脉冲序列在时间域内产生相对时延扫描，并产生周期性的重合与分离，所述第一飞秒激光和第二飞秒激光在时间域内产生的复合激光脉冲的周期为ΔTrep＝1/Δfrep，所述复合激光脉冲的实测信号由光学非线性倍频晶体产生，通过数据采集、拟合获取所述复合激光脉冲的峰值时刻；
步骤S2，计算获取双向时频传递的钟差：
所述第一飞秒激光和第二飞秒激光分别位于两个站点并向对侧站点发送飞秒激光脉冲，在两个站点中确定时间原点，即标记为第0个复合激光脉冲峰值时刻点，相对于所述时间原点，所述复合激光脉冲在第i个峰值时刻标记为Tk(i)；两个站点内所述复合激光脉冲的峰值时刻相对于理想状态下峰值时刻的偏差为：
ΔTk(i)＝Tk(i)-i·ΔTrep(k＝1,2)
通过对两站点所述复合激光脉冲的峰值时刻的偏差ΔTk(i)作相减运算，剔除具有同向时移特征的链路延迟变化影响，可精密获得两站点钟差ΔT(i)，
进一步的，所述Δfrep为微小的重复频率差异。
进一步的，所述复合激光脉冲的实测信号由光学非线性倍频晶体产生。
进一步的，所述光学非线性倍频晶体采用偏硼酸钡或周期极化磷酸氧钛钾。
本发明还提供一种飞秒激光双向时频钟差测量装置，包括采用飞秒激光双向传递方式实现交互式时间偏差测量的站点A和站点B；
所述站点A包括第一锁模脉冲激光器、第一光纤准直器、第一偏振片、第一非偏振分光立方体、第一偏振分光立方体、第一光学非线性倍频晶体、第一光电探测器、第二偏振分光立方体、半波片、第一望远镜收发模块、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一高速数据采集系统；
所述站点B包括第二锁模脉冲激光器、第二光纤准直器、第二偏振片、第二非偏振分光立方体、第三偏振分光立方体、第二光学非线性倍频晶体、第二光电探测器、第四偏振分光立方体、第二望远镜收发模块、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第二高速数据采集系统；
所述第一锁模脉冲激光器通过所述第一光纤准直器输出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过所述第一偏振片转换为水平线偏振激光并传输至第一非偏振分光立方体，所述第一非偏振分光立方体将飞秒激光脉冲光束分成两束，其中一束激光被反射至所述第一偏振分光立方体，并且透射至所述第一光学非线性倍频晶体，与从所述站点B传输过来的垂直偏振脉冲激光光束重合，在所述第一光学非线性倍频晶体中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第一光电探测器获得；另一束激光被透射至所述第二偏振分光立方体，并且透射至所述半波片，所述半波片将光束偏振态调整为垂直偏振，此后，光束经过所述第一望远镜收发模块从所述站点A输出，经过所述第二平面反射镜和第三平面反射镜的反射传递至所述站点B；所述第二望远镜收发模块接收远端来自所述第一望远镜收发模块输出的入射光束，并引导光束至第三偏振分光立方体，入射光束经所述第四平面反射镜被反射至所述第四偏振分光立方体，入射光束与第二锁模脉冲激光器输出的水平偏振脉冲激光光束重合，在第二光学非线性倍频晶体中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第二光电探测器获得，所述第二光电探测器将电学信号传送至所述第二高速数据采集系统，经过所述第二高速数据采集系统数据处理获得所述站点B内的时间偏差；
所述第二锁模脉冲激光器通过所述第二光纤准直器输出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过所述第二偏振片转换为水平线偏振激光并传输至所述第二非偏振分光立方体，所述第二非偏振分光立方体将飞秒激光脉冲光束分成两束，其中一束激光被反射至所述第四偏振分光立方体，并且透射至所述第二光学非线性倍频晶体，与从所述站点A传输过来的垂直偏振脉冲激光光束重合，在所述第二光学非线性倍频晶体中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第二光电探测器获得；另一束激光被透射至所述第三偏振分光立方体，此后，光束经过所述第二望远镜收发模块从所述站点B输出，经过所述第三平面反射镜和第二平面反射镜的反射传递至所述站点A，并被所述第一望远镜收发模块接收，所述第一望远镜收发模块引导光束透射所述半波片，所述半波片将光束偏振态调整为垂直偏振，光束经过所述第二偏振分光立方体、第一平面反射镜被反射至所述第一偏振分光立方体，入射光束与第一锁模脉冲激光器输出的水平偏振脉冲激光光束重合，在第一光学非线性倍频晶体中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第一光电探测器获得，所述第一光电探测器将电学信号传送至所述第一高速数据采集系统，经过所述第一高速数据采集系统数据处理获得所述站点A内的时间偏差。
进一步的，所述第一锁模脉冲激光器和第二锁模脉冲激光器的重复频率通过锁相环路，锁定至本地外部时频参考信号。
进一步的，所述站点A和所述站点B内的时间偏差的测量结果送至同一台计算机中计算出钟差。
与现有技术相比，本发明提供的有益技术效果：
本发明利用飞秒激光脉冲作为精密时间信号的传递载体，采用飞秒激光脉冲异步光学采样原理，获得飞秒级时间差的测量精度，从而实现在自由空间时间频率信号远程精密传递。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为飞秒激光双向时频钟差测量方法的流程图；
图2为本发明步骤S1测取复合激光脉冲峰值时刻的波形示意图；
图3为本发明步骤S2计算获取双向时频传递的钟差的示意图；
图4是本发明飞秒激光双向时频钟差测量装置的结构示意图。
附图标记：1、第一锁模脉冲激光器；2、第一光纤准直器；3、第一偏振片；4、第一非偏振分光立方体；5、第一偏振分光立方体；6、第一光学非线性倍频晶体；7、第一光电探测器；8、第二偏振分光立方体；9、半波片；10、第一望远镜收发模块；11、第一平面反射镜；12、第二平面反射镜；13、第二锁模脉冲激光器；14、第二光纤准直器；15、第二偏振片；16、第二非偏振分光立方体；17、第三偏振分光立方体；18、第二光学非线性倍频晶体；19、第二光电探测器；20、第四偏振分光立方体；21、第二望远镜收发模块；22、第三平面反射镜；23、第四平面反射镜；24、第一高速数据采集系统；25、第二高速数据采集系统。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，飞秒激光脉冲的脉冲时域宽度小于1ps。由于其超快瞬时特性，利用电子学测量设备无法直接精密测得ps级，甚至fs级时间延迟。为此，可利用飞秒激光脉冲之间的相对扫描，将超快瞬时现象转换为相对缓变过程。
如图1所示，本实施例中公开了一种飞秒激光双向时频钟差测量方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，测取复合激光脉冲的峰值时刻；步骤S2，计算获取双向时频传递的钟差。
如图2所示，测取复合激光脉冲的峰值时刻：分别设定两台飞秒激光器的重复频率，设定第一飞秒激光的重复频率为frep+Δfrep；设定第二飞秒激光的重复频率为frep，从而两个飞秒激光脉冲序列的周期对应产生微小差异，Δfrep则为微小的重复频率差异。
第一飞秒激光和第二飞秒激光的脉冲序列在时间域内产生相对时延扫描，并产生周期性的重合与分离。第一飞秒激光和第二飞秒激光在时间域内产生复合激光脉冲，图1中实测波形即为复合激光脉冲，复合激光脉冲的期为ΔTrep＝1/Δfrep。复合激光脉冲的时延步长为ΔTstep＝1/frep-1/(frep+Δfrep)，时延步长表征了时间延迟测量分辨率。例如，对于重复频率frep为250MHz，重复频率差Δfrep为1kHz，时间延迟重复测量周期ΔTrep可至1ms，时间延迟测量分辨率ΔTstep可达16fs。
复合激光脉冲的实测信号由光学非线性倍频晶体产生，光学非线性倍频晶体可以是偏硼酸钡或周期极化磷酸氧钛钾。本领域技术人员可以理解的是，当正交偏振的飞秒激光脉冲在时间域内重合时，依据第二类相位匹配光学二次谐波产生机理，可产生复合激光脉冲。复合激光脉冲作为实测信号被高速数据采集系统离散化采样，通过拟合计算，获取复合激光脉冲的峰值时刻。
如图3所示，计算获取双向时频传递的钟差：
借鉴卫星双向时间频率传递技术，利用飞秒脉冲激光的双向对称传递及时间延迟探测，可使双向传递的激光脉冲历经相同的路径变化影响，尽可能提高链路共模噪声部分。在步骤S1的基础上，对双向时间延迟测量作相减运算，剔除共模噪声，可获得精密钟差数据。
在无扰动的理想状态下，分布在两个站点的测量到的脉冲重合时间间隔严格为ΔTrep＝1/Δfrep。然而，实际中脉冲重合时间间隔相对理想状态下存在偏差，此偏差既包含激光器之间的时域抖动(为同向时间偏移，即溯源至外部标准时频信号)，也包含传输路径延迟变化(为反向时间偏移)。
在实际测量中，时间偏差的测量是一个间接测量过程。第一飞秒激光和第二飞秒激光分别位于两个站点并向对侧站点发送飞秒激光脉冲，在测量开始时，在两个站点中确定时间原点，即标记为“第0个”复合激光脉冲峰值时刻点，两个站点内，相对于时间原点，复合激光脉冲在“第i个”峰值时刻标记为Tk(i)。两个站点内复合激光脉冲的峰值时刻相对于理想状态下峰值时刻的偏差为：
ΔTk(i)＝Tk(i)-i·ΔTrep(k＝1,2)
通过对两站点复合激光脉冲信号的峰值时刻的偏差ΔTk(i)作相减运算，剔除具有“同向时移”特征的链路延迟变化影响，可精密获得两站点钟差ΔT(i)，
如图4所示，基于上述飞秒激光双向时频钟差测量方法，本实施例中还公开了一种飞秒激光双向时频钟差测量装置，包括采用飞秒激光双向传递方式实现交互式时间偏差测量的站点A和站点B；
站点A包括第一锁模脉冲激光器1、第一光纤准直器2、第一偏振片3、第一非偏振分光立方体4、第一偏振分光立方体5、第一光学非线性倍频晶体6、第一光电探测器7、第二偏振分光立方体8、半波片9、第一望远镜收发模块10、第一平面反射镜11、第二平面反射镜12、第一高速数据采集系统24。
站点B包括第二锁模脉冲激光器13、第二光纤准直器14、第二偏振片15、第二非偏振分光立方体16、第三偏振分光立方体17、第二光学非线性倍频晶体18、第二光电探测器19、第四偏振分光立方体20、第二望远镜收发模块21、第三平面反射镜22、第四平面反射镜23、第二高速数据采集系统25。
具体来说，第一锁模脉冲激光器1通过第一光纤准直器2输出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过第一偏振片3转换为水平线偏振激光并传输至第一非偏振分光立方体4，第一非偏振分光立方体4将飞秒激光脉冲光束分成两束，其中一束激光被反射至第一偏振分光立方体5，并且透射至第一光学非线性倍频晶体6，与从所述站点B传输过来的垂直偏振脉冲激光光束重合，在第一光学非线性倍频晶体6中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被第一光电探测器7获得；另一束激光被透射至第二偏振分光立方体8，并且透射至半波片9，半波片9将光束偏振态调整为垂直偏振，此后，光束经过第一望远镜收发模块10从站点A输出，经过第二平面反射镜12和第三平面反射镜22的反射传递至站点B；第二望远镜收发模块21接收远端来自第一望远镜收发模块10输出的入射光束，并引导光束至第三偏振分光立方体17，入射光束经第四平面反射镜23被反射至第四偏振分光立方体20，入射光束与第二锁模脉冲激光器13输出的水平偏振脉冲激光光束重合，在第二光学非线性倍频晶体18中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被第二光电探测器19获得，第二光电探测器19将电学信号传送至第二高速数据采集系统25，经过所述第二高速数据采集系统25数据处理获得站点B内的时间偏差，即ΔT2。
第二锁模脉冲激光器13通过第二光纤准直器14输出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过第二偏振片15转换为水平线偏振激光并传输至第二非偏振分光立方体16，第二非偏振分光立方体16将飞秒激光脉冲光束分成两束，其中一束激光被反射至第四偏振分光立方体20，并且透射至第二光学非线性倍频晶体18，与从站点A传输过来的垂直偏振脉冲激光光束重合，在第二光学非线性倍频晶体18中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被第二光电探测器19获得；另一束激光被透射至第三偏振分光立方体17，此后，光束经过第二望远镜收发模块21从所述站点B输出，经过第三平面反射镜22和第二平面反射镜12的反射传递至站点A，并被第一望远镜收发模块10接收，第一望远镜收发模块10引导光束透射半波片9，半波片9将光束偏振态调整为垂直偏振，光束经过第二偏振分光立方体8、第一平面反射镜11被反射至第一偏振分光立方体5，入射光束与第一锁模脉冲激光器1输出的水平偏振脉冲激光光束重合，在第一光学非线性倍频晶体6中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被第一光电探测器7获得，第一光电探测器7将电学信号传送至第一高速数据采集系统24，经过所述第一高速数据采集系统24数据处理获得站点A内的时间偏差，即即ΔT1。
需要说明的是，第一锁模脉冲激光器1和第二锁模脉冲激光器13的重复频率通过锁相环路，锁定至本地外部时频参考信号。
第一锁模脉冲激光器1与第一高速数据采集系统24电性连接，第一锁模脉冲激光器1输出重复频率frep，作为第一高速数据采集系统24的采样时钟信息；类似地，第二锁模脉冲激光器13与第二高速数据采集系统25电性连接，第二锁模脉冲激光器13出重复频率frep+Δfrep，作为第二高速数据采集系统25的采样时钟信息。将第一锁模脉冲激光器1和第二锁模脉冲激光器13的脉冲重复频率分别调节至frep和frep+Δfrep，使具有微小的重复频率差异Δfrep，从而使两台激光器输出的飞秒激光脉冲序列在时间域内产生相对时延扫描，并产生周期性的重合与分离。周期性的脉冲重合实现了ΔTk(k＝1,2)的重复测量，多次平均后提高测量精度。
站点A和站点B内的时间偏差的测量结果送至同一台计算机中计算出钟差，计算机通过对ΔTk作相减运算，剔除具有“同向时移”特征的链路延迟变化影响，可获得两站点之间的精密钟差，即：
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种飞秒激光双向时频钟差测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，测取复合激光脉冲的峰值时刻：
设定第一飞秒激光的重复频率为frep+Δfrep；设定第二飞秒激光的重复频率为frep；
所述第一飞秒激光和所述第二飞秒激光的脉冲序列在时间域内产生相对时延扫描，并产生周期性的重合与分离，所述第一飞秒激光和第二飞秒激光在时间域内产生的复合激光脉冲的周期为ΔTrep＝1/Δfrep，通过数据采集、拟合获取所述复合激光脉冲的峰值时刻；
步骤S2，计算获取双向时频传递的钟差：
所述第一飞秒激光和第二飞秒激光分别位于两个站点并向对侧站点发送飞秒激光脉冲，在两个站点中确定时间原点，即标记为第0个复合激光脉冲峰值时刻点，相对于所述时间原点，所述复合激光脉冲在第i个峰值时刻标记为Tk(i)；两个站点内所述复合激光脉冲的峰值时刻相对于理想状态下峰值时刻的偏差为：
ΔTk(i)＝Tk(i)-i·ΔTrep(k＝1,2)
通过对两站点所述复合激光脉冲的峰值时刻的偏差ΔTk(i)作相减运算，剔除具有同向时移特征的链路延迟变化影响，可精密获得两站点钟差ΔT(i)；
2.根据权利要求1所述的飞秒激光双向时频钟差测量方法，其特征在于，所述Δfrep为微小的重复频率差异。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光双向时频钟差测量方法，其特征在于，所述复合激光脉冲的实测信号由光学非线性倍频晶体产生。
4.根据权利要求3所述的飞秒激光双向时频钟差测量方法，其特征在于，所述光学非线性倍频晶体采用偏硼酸钡或周期极化磷酸氧钛钾。
5.一种飞秒激光双向时频钟差测量装置，其特征在于，包括采用飞秒激光双向传递方式实现交互式时间偏差测量的站点A和站点B；
所述站点A包括第一锁模脉冲激光器(1)、第一光纤准直器(2)、第一偏振片(3)、第一非偏振分光立方体(4)、第一偏振分光立方体(5)、第一光学非线性倍频晶体(6)、第一光电探测器(7)、第二偏振分光立方体(8)、半波片(9)、第一望远镜收发模块(10)、第一平面反射镜(11)、第二平面反射镜(12)、第一高速数据采集系统(24)；
所述站点B包括第二锁模脉冲激光器(13)、第二光纤准直器(14)、第二偏振片(15)、第二非偏振分光立方体(16)、第三偏振分光立方体(17)、第二光学非线性倍频晶体(18)、第二光电探测器(19)、第四偏振分光立方体(20)、第二望远镜收发模块(21)、第三平面反射镜(22)、第四平面反射镜(23)、第二高速数据采集系统(25)；
所述第一锁模脉冲激光器(1)通过所述第一光纤准直器(2)输出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过所述第一偏振片(3)转换为水平线偏振激光并传输至第一非偏振分光立方体(4)，所述第一非偏振分光立方体(4)将飞秒激光脉冲光束分成两束，其中一束激光被反射至所述第一偏振分光立方体(5)，并且透射至所述第一光学非线性倍频晶体(6)，与从所述站点B传输过来的垂直偏振脉冲激光光束重合，在所述第一光学非线性倍频晶体(6)中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第一光电探测器(7)获得；另一束激光被透射至所述第二偏振分光立方体(8)，并且透射至所述半波片(9)，所述半波片(9)将光束偏振态调整为垂直偏振，此后，光束经过所述第一望远镜收发模块(10)从所述站点A输出，经过所述第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(22)的反射传递至所述站点B；所述第二望远镜收发模块(21)接收远端来自所述第一望远镜收发模块(10)输出的入射光束，并引导光束至第三偏振分光立方体(17)，入射光束经所述第四平面反射镜(23)被反射至所述第四偏振分光立方体(20)，入射光束与第二锁模脉冲激光器(13)输出的水平偏振脉冲激光光束重合，在第二光学非线性倍频晶体(18)中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第二光电探测器(19)获得，所述第二光电探测器(19)将电学信号传送至所述第二高速数据采集系统(25)，经过所述第二高速数据采集系统(25)数据处理获得所述站点B内的时间偏差；
所述第二锁模脉冲激光器(13)通过所述第二光纤准直器(14)输出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过所述第二偏振片(15)转换为水平线偏振激光并传输至所述第二非偏振分光立方体(16)，所述第二非偏振分光立方体(16)将飞秒激光脉冲光束分成两束，其中一束激光被反射至所述第四偏振分光立方体(20)，并且透射至所述第二光学非线性倍频晶体(18)，与从所述站点A传输过来的垂直偏振脉冲激光光束重合，在所述第二光学非线性倍频晶体(18)中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第二光电探测器(19)获得；另一束激光被透射至所述第三偏振分光立方体(17)，此后，光束经过所述第二望远镜收发模块(21)从所述站点B输出，经过所述第三平面反射镜(22)和第二平面反射镜(12)的反射传递至所述站点A，并被所述第一望远镜收发模块(10)接收，所述第一望远镜收发模块(10)引导光束透射所述半波片(9)，所述半波片(9)将光束偏振态调整为垂直偏振，光束经过所述第二偏振分光立方体(8)、第一平面反射镜(11)被反射至所述第一偏振分光立方体(5)，入射光束与第一锁模脉冲激光器(1)输出的水平偏振脉冲激光光束重合，在第一光学非线性倍频晶体(6)中产生光学倍频激光脉冲信号，进而被所述第一光电探测器(7)获得，所述第一光电探测器(7)将电学信号传送至所述第一高速数据采集系统(24)，经过所述第一高速数据采集系统(24)数据处理获得所述站点A内的时间偏差。
6.根据权利要求5所述的飞秒激光双向时频钟差测量装置，其特征在于，所述第一锁模脉冲激光器(1)和第二锁模脉冲激光器(13)的重复频率通过锁相环路，锁定至本地外部时频参考信号。
7.根据权利要求5所述的飞秒激光双向时频钟差测量装置，其特征在于，所述站点A和所述站点B内的时间偏差的测量结果送至同一台计算机中计算出钟差。
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