CN112763082A - 基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置和方法，包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端，微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端连接，微波信号源的10MHz参考信号输出端依次通过功分器、皮秒级脉冲产生器、适配器、共面波导与匹配终端相连；功分器的信号输出端通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器，飞秒激光器的光输出端依次通过光电导探针、电流放大器与数据采集与分析模块相连。采用本发明提供的测量装置和方法，有效地解决了目前商品型示波器无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形测量需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲信号波形参数的测量装置，尤其涉及一种基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置和方法。
背景技术
脉冲技术无论在军用还是民用领域其应用都非常广泛，随着信息和通信技术的高速发展，产生和传输的脉冲信号的宽度越来越窄，达到皮秒级。皮秒级脉冲技术在物质检测、成像安检、无损探伤、工业控制、超宽带无线通信、材料电磁参数测量、生物医学、空间探测、雷达、武器装备和计量等领域，都展现出了广阔的应用前景。
为了推动皮秒级脉冲的快速发展和应用，对其脉冲波形参数测量技术提出了新的需求，要求测量设备具有更宽的带宽、更快的瞬态响应时间，才能准确测量皮秒级脉冲信号，才能对其特性参数进行深入分析研究。为了满足皮秒级脉冲信号波形参数的测量需求，出现了宽带数字实时示波器、宽带数字取样示波器等具有超快脉冲信号波形测量和分析功能的仪器，基于纯微波电子学技术的脉冲波形参数测量能力受限于目前带宽最宽的110GHz示波器，只能对半幅度宽度较宽的脉冲信号进行准确测量，而且宽带数字示波器几乎被国外垄断，价格十分昂贵，且无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形参数测量需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，解决目前商品型示波器无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形参数测量需求的问题。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述皮秒级脉冲波形参数测量装置对皮秒级脉冲产生器波形参数进行测量的方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明是一种基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特点是，该装置包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端，微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端连接，微波信号源的10MHz参考信号输出端依次通过功分器、皮秒级脉冲产生器、适配器、共面波导与匹配终端相连；
功分器的信号输出端通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器，飞秒激光器的光输出端依次通过光电导探针、电流放大器与数据采集与分析模块相连，光电导探针与共面波导相接。
优选地，所述皮秒级脉冲产生器的重复频率为f1，所述激光器重复频率锁定模块将飞秒脉冲激光的重复频率f2控制在f1±1kHz范围内。
优选地，所述激光器重复频率锁定模块控制飞秒激光器与皮秒级脉冲产生器输出脉冲信号重复频率差固定为Δf＝f2–f1。
优选地，所述匹配终端选用50欧姆的匹配负载。
优选地，所述数据采集与分析模块的采样率大于200MS/s，数据量化位数大于14bit。
优选地，所述光电导探针缝隙与共面波导表面的距离为5μm～10μm。
本发明还提供了一种采用上述测量装置对皮秒级脉冲产生器波形参数进行测量的方法，其特点是，该方法为，
首先微波信号源通过功分器为皮秒级脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块提供10MHz参考信号，使两者同步工作；
皮秒级脉冲产生器通过同轴到共面的适配器将同轴传输的信号耦合到共面波导中传输，利用飞秒激光器输出的重复频率锁定的空间飞秒脉冲激光激励放置于共面波导表面近场附近的光电导探针的光敏缝隙，使光敏缝隙中产生光生载流子；
共面波导中传输的皮秒级电脉冲的辐射电场会对光敏缝隙两端施加电压，使得光敏缝隙处的光生载流子发生定向运动而产生光生电流，经电流放大器对其进行放大；
最后，利用数据采集与分析模块将电流放大器输出的模拟电压信号转换为数字波形数据，并对采集到的波形数据进行处理分析，获得被测皮秒级脉冲产生器波形参数。
与现有技术相比，采用本发明提供的测量装置和方法，可以解决目前商品型示波器无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形测量需求的问题，特别是共面传输的皮秒级脉冲信号波形参数的测量。
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为本发明所述测量装置的系统框图。
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。
参照图1，一种基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，该装置包括微波信号源、功分器、皮秒级脉冲产生器、适配器、共面波导、匹配终端、激光器重复频率锁定模块、飞秒激光器、光电导探针、电流放大器和数据采集与分析模块，光电导探针与共面波导连接。
其中，微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端通过电缆连接，微波信号源的10MHz参考信号输出端和功分器的信号输入端通过电缆连接，功分器的两个信号输出端分别与皮秒级脉冲产生器的参考信号输入端和激光器重复频率锁定模块的参考信号输入端通过电缆连接，皮秒级脉冲产生器的信号输出端和适配器的信号输入端通过电缆连接，适配器的信号输出端和共面波导连接，共面波导的输出端与匹配终端连接，激光器重复频率锁定模块的输出端和飞秒激光器的重复频率锁定输入端通过电缆与光纤连接，飞秒激光器的光输出端输出的空间飞秒激光激励放置于距离共面波导表面5μm～10μm距离的光电导探针缝隙，光电导探针的信号输出端和电流放大器的信号输入端通过电缆连接，电流放大器的信号输出端和数据采集与分析模块的信号输入端通过电缆连接。
皮秒级脉冲产生器，用于产生被测的皮秒级脉冲信号，其重复频率为f1；
飞秒激光器，用于产生飞秒脉冲激光，产生的飞秒脉冲激光通过空间传播的方式传导至光电导探针前端；飞秒脉冲激光的重复频率f2由激光器重复频率锁定模块控制在f1±1kHz范围内可调；
激光器重复频率锁定模块，用于锁定控制飞秒激光器输出飞秒脉冲激光的重复频率，使得激光器输出光脉冲信号的重复频率固定；激光重复频率锁定模块控制飞秒激光器与皮秒级脉冲产生器输出脉冲信号重复频率差固定为Δf＝f2–f1；
微波信号源，用于产生飞秒激光器输出信号与皮秒级脉冲产生器输出信号重复频率的差频信号，产生的差频信号通过电缆传输至数据采集与分析模块的参考信号输入端，微波信号源的10MHz参考信号输出端用于产生10MHz的参考信号，通过电缆传输至功分器；微波信号源信号输出端输出重复频率为Δf的方波电压信号；
功分器，用于将微波信号源输出的10MHz参考信号分为两路，通过电缆分别传输至皮秒级脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块的参考信号输入端；
适配器，用于同轴传输到平面传输的转换，将皮秒级脉冲产生器同轴输出的皮秒级脉冲信号耦合到共面波导中传输；
共面波导，用于平面传输耦合器输出的皮秒级脉冲信号；
匹配终端，用于实现共面波导终端的阻抗匹配，降低不匹配所造成的信号反射；匹配终端选用50欧姆的匹配负载；
光电导探针，用于接收飞秒激光器产生的飞秒脉冲激光，以异步采样的方式测量共面波导中传输的皮秒级脉冲信号，得到的光电流信号通过电缆传输至电流放大器；
电流放大器，用于放大光电导探针输出的光电流信号并将电流信号转换为电压信号输出，输出的电压信号通过电缆传输至数据采集与分析模块；
数据采集与分析模块，用于将电流放大器输出的模拟电压信号转换为数字波形数据，并对采集到的波形数据进行处理分析，获得被测皮秒级脉冲产生器波形参数；
数据采集器采样率大于200MS/s，数据量化位数大于14bit，数据采集器触发通道接收微波信号源产生的方波信号，数据输入通道接收电流放大器放大后的电压信号。
皮秒级脉冲产生器波形参数测量的实现过程为：首先微波信号源通过功分器为皮秒级脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块提供10MHz参考信号，使两者同步工作，以保证初始信号特性的一致性，避免后面设备对信号的干扰而影响信号的传输效率；
皮秒级脉冲产生器通过同轴到共面的适配器可以将同轴传输的信号耦合到共面波导中传输，利用飞秒激光器输出的重复频率锁定的空间飞秒脉冲激光激励放置于共面波导表面近场附近的光电导探针的光敏缝隙，使光敏缝隙中产生光生载流子，这种采用与共面波导中的信号特性一致的飞秒脉冲激光激励所形成的光生载流子才能获得更加精准的光生电流；
共面波导中传输的皮秒级电脉冲的辐射电场会对光敏缝隙两端施加电压，使得光敏缝隙处的光生载流子发生定向运动而产生光生电流，因为产生的光生电流非常微弱，使用电流放大器对其进行放大；
最后，利用数据采集与分析模块将电流放大器输出的模拟电压信号转换为数字波形数据，并对采集到的波形数据进行处理分析，获得被测皮秒级脉冲产生器波形参数，
上述波形数据中的一组由数据采集与分析模块直接从微波信号源处取得，不受测量装置的限制，不存在信号失真或干扰的情况；另一组数据虽然经过多个部件的传输才到达共面波导处，但其与匹配终端获得的信号相一致，即便脉冲半幅度宽度日益减小或产生脉宽更窄、幅度更高的超快电脉冲，通过上述三路信号的准确测量，也能更好的保证其信号特性，进而满足皮秒级脉冲波形的测量精度和测量需求。
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)
1.一种基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特征在于：该装置包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端，微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端连接，微波信号源的10MHz参考信号输出端依次通过功分器、皮秒级脉冲产生器、适配器、共面波导与匹配终端相连；
功分器的信号输出端通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器，飞秒激光器的光输出端依次通过光电导探针、电流放大器与数据采集与分析模块相连，光电导探针的光敏缝隙置于共面波导表面近场处。
2.根据权利要求1所述的基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特征在于：所述皮秒级脉冲产生器的重复频率为f1，所述激光器重复频率锁定模块将飞秒脉冲激光的重复频率f2控制在f1±1kHz范围内。
3.根据权利要求2所述的基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特征在于：所述激光器重复频率锁定模块控制飞秒激光器与皮秒级脉冲产生器输出脉冲信号重复频率差固定为Δf＝f2–f1。
4.根据权利要求1所述的基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特征在于：所述匹配终端选用50欧姆的匹配负载。
5.根据权利要求1所述的基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特征在于：所述数据采集与分析模块的采样率大于200MS/s，数据量化位数大于14bit。
6.根据权利要求1所述的基于光电导技术的皮秒级脉冲波形参数测量装置，其特征在于：所述光电导探针缝隙与共面波导表面之间的距离为5μm～10μm。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的测量装置对皮秒级脉冲产生器波形参数进行测量的方法，其特征在于：该方法为，
首先微波信号源通过功分器为皮秒级脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块提供10MHz参考信号，使两者同步工作；
皮秒级脉冲产生器通过同轴到共面的适配器将同轴传输的信号耦合到共面波导中传输，利用飞秒激光器输出的重复频率锁定的空间飞秒脉冲激光激励放置于共面波导表面近场附近的光电导探针的光敏缝隙，使光敏缝隙中产生光生载流子；
共面波导中传输的皮秒级电脉冲的辐射电场会对光敏缝隙两端施加电压，使得光敏缝隙处的光生载流子发生定向运动而产生光生电流，经电流放大器对其进行放大；
最后，利用数据采集与分析模块将电流放大器输出的模拟电压信号转换为数字波形数据，并对采集到的波形数据进行处理分析，获得被测皮秒级脉冲产生器的波形参数。
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