CN112881797A - 基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短超强激光装置中相干合束的单次多路同步测量方法及装置，包括，1.参考光介质反射镜；2.参考光缩束透镜；3.参考光自聚焦透镜；4.精密延迟台；5.待测光介质反射镜；6.待测光缩束透镜；7.待测光自聚焦透镜；8.光纤衰减器；9.1:n光纤分束器；10.光纤延时线；11.光纤合束器；12.多路光纤集束器；13.成像光谱仪；14.计算机。多路待测光纤光路与参考光纤光路组成的光谱干涉测量系统实现了多路待测光与参考光在相干合束前同步状态的测量。该发明充分发挥了光谱干涉作为线性测量技术数据处理速度快、测量范围可调谐的优点，以及光纤阵列作为一种优秀的光波导易于集成、传输稳定性好的特点，整个系统可移植性好，解决了多路测量中系统冗余、稳定性低的问题，有利于超短超强激光装置相干合束中多路激光与参考光的单次同步测量，在高功率相干合束系统中有重要应用前景。

Description

基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量方法及装置

技术领域

本发明涉及超短超强激光相干合束系统中束间同步测量技术领域，特别是一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，保证了多路测量的单次性、实效性、鲁棒性。

背景技术

在超短超强激光领域中，为了继续提升激光输出能力，基于多路激光的相干合束计划成为最有希望的技术路线之一，2018年诺奖得主Gerard Mourou提出将一万根1mJ、10kHz的光纤激光合束为10J、10kHz的脉冲，作为“国际相干放大网络(ICAN)”的重要组成部分，但是它对束间同步提出了苛刻的要求。

科学家们在相干合束的同步测量控制中做了很多尝试。2013年，Chosrowjan等人提出了通过改变光敏探测器的相对位置，求解两个脉冲干涉信号的相位差作为两束光的相对抖动量，构造负反馈电路实现两束光的同步合束，达到了λ/25的均方根偏差。2014年，Bagayev等人结合放大光的慢反馈以及种子光的快反馈调节系统，实现了两束参量放大光的相干合束，时间抖动控制量最小达到110as，论证了超短超强激光系统中通过对参量放大光的相干合束可以显著增强激光输出能力。2016年，Cui等人构造了平衡互相关仪控制两束50fs的激光同步在2个单周期脉冲的延时内，然后使用电子能量干涉仪实现对两束光亚周期量级的同步反馈控制，时间抖动均方值为λ/23。

上述研究进展的实现大多数基于直接光电探测、光学互相关、时间空间干涉。但是这些方法需要保持两束光的时间间隔在相干时间内，这就限制了飞秒脉冲同步测量范围在1ps以内。而电子示波器的时间分辨率很难达到20ps以下，因此精确测量1-20ps内的脉冲延时难度很大。此外，对于多路超短脉冲相干合束的在线同步测量，上述方法实现起来较为复杂，而且无法做到单次测量。

发明内容

针对目前超短超强激光相干合束系统的束间同步问题，本发明提出了一种基于光谱干涉的全光纤单次多路同步测量方法及装置，全光纤阵列用于多路待测信号与参考信号的采样，光谱干涉信号的调控与传导，通过对待测信号与参考信号光谱干涉信号的测量、数据处理与分析，将参考光与待测光的时间延迟差加载到待测光路中的精密延迟台，实现多路待测光与参考光在相干合束前的同步。

本发明采用了以下技术方案：

一种用于超短脉冲相干合束系统的全光纤光谱干涉单次多路同步测量方法及装置，其特点在于，该系统包括参考光介质反射镜、参考光缩束透镜、参考光自聚焦透镜、精密延迟台、待测光介质反射镜、待测光缩束透镜、待测光自聚焦透镜、光纤衰减器、1:n光纤分束器、光纤延时线、光纤合束器、多路光纤集束器、成像光谱仪、计算机。

所述的参考光介质反射镜位于参考光路，使参考光的大部分能量反射，极小的能量透射；

所述的参考光缩束透镜，用于使尽可能多的光能进入参考光纤链路；

所述的参考光自聚焦透镜，用于空间参考光与光纤的精密耦合，提升耦合效率，自聚焦透镜末端的尾纤通过FC/PC转接头与光纤链路连接；所述的1:n光纤分束器，用于将参考光等比例复制为n个子参考光；

所述的光纤延时线，与1:n光纤分束器连接，实现参考光纤光路与测量光纤光路任意光程差的设置；

所述的精密延迟台，位于待测光路中，用于动态补偿参考光与待测光的时延差；

所述的待测光介质反射镜位于待测光路中，使大部分待测光能量反射，极少量的能量透射；

所述的待测光缩束透镜用于对大口径待测光束缩束，提高能量集中度；

所述的待测光自聚焦透镜位于待测光路中，用于空间待测光与光纤的精密耦合，提升待测光进入光纤中的比例；

所述的光纤衰减器连接在待测光纤光路中，用于调节与参考光信号的比例关系，使得干涉信号达到最佳条纹对比度；

所述的光纤合束器，用于连接待测光纤光路与子参考光纤光路，输出单路光谱干涉信号；

所述的多路光纤集束器，其输出端与成像光谱仪输入接口相匹配，实现多路光谱干涉信号的同时测量，提高了测量与控制效率；

所述的成像光谱仪，用于记录多通道光谱干涉信号，通过改变波长分辨率实现测量范围可调节；

所述的计算机完成测量与数据分析，控制成像光谱仪采集多路同步测量信号并计算得到多路待测光与参考光的延时差；

分别为待测光和参考光的复振幅，Φ_t(ω)、Φ_r(ω)分别为两者的相位，τ_free为两脉冲在空间传输部分的延时差，τ_fiber为两脉冲在光纤中产生的延时，τ＝τ_free+τ_fiber，成像光谱仪探测到的光谱干涉信号可表示为I(ω)，直流项为I^dc(ω)，是两个脉冲的光强度和，不含相位信息，交流项为I^ac(ω)，带有与脉冲相关的相位信息。

I(ω)＝Ι^dc(ω)+Ι^ac(ω)e^iωτ+[Ι^ac(ω)e^iωτ]^* (1)

成像光谱仪中光谱维度条纹疏密程度随着τ的变化而变化，对光谱谱图数据处理得到τ。数据处理过程如下：

1)首先从成像光谱仪谱图数据中提取水平维度的干涉信号数据，适当进行降噪处理；

2)然后对每一行条纹数据进行边带插值，即通过增加采样点数扩大频谱范围以提高时域分辨率，有利于提升时间延迟恢复的精度；

3)最后将上述处理过的信号从波长为自变量的函数转换为以角频率为自变量的函数，并计算其傅里叶反变换信号，求得干涉信号的时域波形。从文献(Lepetit L,Cheriaux G,Joffre M.Linear techniques of phase measurement by femtosecondspectral interferometry for applications in spectroscopy[J].Journal of theOptical Society of America B,1995,12(12):2467-2474.)可知时域中的干涉波形直流峰值和交流峰值在无混叠的情形下，交流峰值的横坐标即两个光谱干涉脉冲的时间差。

通过采用上述技术方案测量超短超强激光相干合束系统的束间同步状态，该方法包括下列步骤：

1)在参考光路中参考光准直后通过参考光介质反射镜，利用参考光缩束透镜进行缩束，进一步地，在其焦点处放置参考光自聚焦透镜耦合空间光进入光纤纤芯。在待测光路中，待测光经过待测光介质反射镜、待测光缩束透镜、待测光自聚焦透镜耦合进入待测光路的光纤纤芯；

2)调节待测光路中的精密延迟台，观测成像光谱仪条纹信号，直到待测光与参考光实现零同步；

3)交换对应待测光与参考光的取样孔径，沿相反方向移动精密延迟台，直到两束光达到上一步观测到的光谱干涉波形，计算得待测光与子参考光在光纤中的固定延迟差τ_fiber；

4)大能量光入射到待测光路与参考光路中，计算机控制成像光谱仪采集n-1路光谱干涉信号和1路子参考光；

5)对光谱干涉信号数据处理求出τ，然后计算机控制待测光路中精密延迟台运动，直到光谱仪干涉信号求得的τ等于测量中参考光纤与待测光纤光路的固定延时τ_fiber。

与现有技术相比，该方法具有如下显著效果：

该同步测量方法基于光谱干涉设计了全光纤测量装置，充分发挥了光谱干涉的线性技术优势，数据处理速度较非线性测量方法有显著提升，弥补了非线性相关法测量同步状态时测量范围小以及示波器测量延时分辨率差的不足。光纤阵列作为一种优秀的光波导阵列，占用空间小、易于集成、传输稳定性高、抗电磁干扰能力强。测量范围由光谱仪分辨率决定，实现了动态调节，填补了示波器同步法和非线性测量法的盲区。多路光纤的有效集成克服了工程应用中激光同步测量光学元件冗杂、效率低的问题，在多路超短脉冲激光相干合束系统中有重要应用前景。

附图说明：

图1基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量原理图

图2十二路光纤同步信号分布谱图仿真

图中：1.参考光介质反射镜；2.参考光缩束透镜；3.参考光自聚焦透镜；4.精密延迟台；5.待测光介质反射镜；6.待测光缩束透镜；7.待测光自聚焦透镜；8.光纤衰减器；9.1:n光纤分束器；10.光纤延时线；11.光纤合束器；12.多路光纤集束器；13.成像光谱仪；14.计算机

具体实施方式：

本发明在相干合束系统中多路脉冲单次同步测量中使用，为使得本发明的目的和效果更清晰易懂，下文通过一个实施列来具体阐述。

如图1，一种基于光谱干涉的全光纤单次多路同步测量装置，包括参考光介质反射镜1、参考光缩束透镜2、参考光自聚焦透镜3、精密延迟台4、待测光介质反射镜5、待测光缩束透镜6、待测光自聚焦透镜7、光纤衰减器8、1:n光纤分束器9、光纤延时线10、光纤合束器11、多路光纤集束器12、成像光谱仪13、计算机14。第n路为参考光，依次经过参考光介质反射镜1、参考光缩束透镜2、参考光自聚焦透镜3，然后被1:n光纤分束器9复制为n个子参考光，每一子参考光都经过光纤延时线10，输入到光纤合束器11的一个输入端。第a到n-1路作为待测光，待测光依次经过精密延迟台4、待测光介质反射镜5、待测光缩束透镜6、待测光自聚焦透镜7，耦合进入纤芯的待测光进入光纤衰减器8后，输入到光纤合束器11的另一个输入端。具体实施步骤如下：

第一阶段：参考光、待测光与光纤的耦合

1.调整参考光介质反射镜1与参考光自聚焦透镜3之间距离为s₁，使用刀口法测量参考光通过参考光介质反射镜1后的光束孔径D；

2.利用参考光缩束透镜2对参考光缩束，使得光束口径小于参考光自聚焦透镜3的入射孔径，参考光缩束透镜2的焦距与D相关；

其中，Ed为参考光自聚焦透镜3的有效输入孔径，λ为参考光的中心波长。

3.控制参考光自聚焦透镜3采集参考光路中的激光信号；

4.在待测光路中，调节待测光介质反射镜5与待测光自聚焦透镜7之间距离为s₁，在待测光路a，b，c…n-1中重复步骤1、2、3，控制待测光自聚焦透镜7对待测光采集。

第二阶段：测量参考光路光纤与待测光路光纤长度差产生的延时差

1.通过调节光纤延时线10与光纤衰减器8使得成像光谱仪记录的干涉信号对比度达到最大，条纹个数应当介于稀疏与密集的中心区域。移动参考光路精密延迟台4，条纹逐渐消失，直到条纹的最大值在中心波长处快速跳变。

2.将子参考光分别与a，b，c…n-1路待测光交换采样位置，反向移动参考光路的精密延迟台4，记录精密延迟台4移动的距离L_a、L_b、L_c…L_n-1，然后根据公式

计算待测光纤光路与对应的子参考光纤光路的延时差τ_fiber-a、τ_fiber-b、τ_fiber-d…τ_fiber-(n-1)，c为光速。

第三阶段：在线测量

1.考虑到在线测量时采样信号能量较大，聚焦的光束引起光纤的非线性效应而影响测量，将待测光缩束透镜6及参考光缩束透镜2移出光路；

2.成像光谱仪13记录了n-1路干涉信号与1路子参考光，根据发明内容中的数据处理方式，对干涉信号反解求得待测光与参考光的时间延迟τ_a、τ_b、τ_c、τ_n-1；

3.调节待测光路中的精密延迟台4使得待测光与子参考光的干涉信号计算得到的τ_a、τ_b、τ_c、τ_n-1分别等于第二阶段中测量得到的τ_fiber-a、τ_fiber-b、τ_fiber-d…τ_fiber-(n-1)，此刻多路脉冲在相干合束前达到零同步；

本发明利用光谱干涉作为测量相干合束系统待测光与参考光同步状态的基本原理，待测光分别与对应的子参考光发生光谱干涉，两束光的时间延迟被编码在干涉信号中，由于光谱干涉需要两脉冲在时序上不重叠才能精确求解测量光与参考光的时间差，因此本发明创新性地提出在参考与待测光纤光路中设置光学延迟τ_fiber，通过测量结果τ与τ_fiber相减结果为正，那么子参考光比待测光快，结果为负，子参考光比待测光慢。

本发明主要用以解决超短超强激光相干合束系统中多路脉冲的束间同步问题，解决了示波器测量同步状态分辨率低、非线性相关法测量范围小的问题，按照本发明所述技术，可以实现多路超短脉冲单次、实时测量，为多路同步状态的控制提出了方案。虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅是作为示例提出的，并不旨在限制保护的范围。尽管参照前述实例对发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前所述实例记载的方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，由一路参考光和N-1路待测光构成，所述的参考光依次经参考光介质反射镜(1)、参考光缩束透镜(2)、参考光自聚焦透镜(3)和1:N光纤分束器(9)后分为N路子参考光，分别经光纤延时线(10)后入射到各光纤合束器(11)中；每路待测光依次经精密延迟台(4)、待测光介质反射镜(5)、待测光缩束透镜(6)、待测光自聚焦透镜(7)和光纤衰减器(8)后，入射到光纤合束器(11)；N-1路待测光与N-1路子参考光分别经各自光纤合束器(11)合束后，形成N-1路干涉信号，与第N路子参考光经N：1光纤集束器(12)集束后，入射到成像光谱仪(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，同步测量范围可以调节，与光谱仪波长分辨率有关。

3.根据权利要求1所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，所述的参考光缩束透镜(2)与待测光缩束透镜(6)用于提升进入测量装置的光能。

4.根据权利要求1所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，所述的光纤衰减器(8)用于调节待测光与参考光的强度比例。

5.根据权利要求1所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，所述的光纤延时线(10)用于调控待测光与参考光的光程差。

6.根据权利要求1所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，待测光与参考光的绝对时间差为τ-τ_fiber，τ为通过光谱干涉信号解出的数值，τ_fiber在实验前标定得到。

7.根据权利要求6所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量装置，其特征在于，数据处理中对每一行条纹数据进行边带插值，即通过增加采样点数扩大频谱范围以提高时域分辨率，提升时间延迟恢复的精度。

8.根据权利要求1-6任一所述的一种基于全光纤光谱干涉的单次多路同步测量进行同步测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①调整参考光介质反射镜(1)与参考光自聚焦透镜(3)之间距离为s₁，测量参考光通过参考光介质反射镜(1)后的光束孔径D；

②利用参考光缩束透镜(2)对参考光缩束，使得光束口径小于参考光自聚焦透镜(3)的入射孔径；

③控制参考光自聚焦透镜(3)采集参考光路中的激光信号；

④在待测光路中，调节待测光介质反射镜(5)与待测光自聚焦透镜(7)之间距离为s₁，在待测光路a，b，c…n-1中重复步骤1、2、3，控制待测光自聚焦透镜(7)对待测光采集；

⑤通过调节光纤延时线(10)与光纤衰减器(8)使得成像光谱仪记录的干涉信号对比度达到最大，条纹密度应当介于稀疏与密集的中心区域。移动参考光路精密延迟台(4)，条纹逐渐消失，直到条纹的最大值在中心波长处快速跳变；

⑥将子参考光分别与a，b，c…n-1路待测光交换采样位置，反向移动a，b，c…n-1路参考光路的精密延迟台(4)，记录精密延迟台(4)移动的距离L_a、L_b、L_c…L_n-1，然后计算待测光纤光路与对应的子参考光纤光路长度差产生的延时差τ_fiber-a、τ_fiber-b、τ_fiber-d…τ_fiber-(n-1)；

⑦将待测光缩束透镜(6)及参考光缩束透镜(2)移出光路；

⑧成像光谱仪(13)记录了n-1路干涉信号与1路子参考光，通过计算机对干涉信号反解求得待测光与参考光的时间延迟τ_a、τ_b、τ_c、τ_n-1；

⑨调节待测光路中的精密延迟台(4)使得步骤8计算得到的τ_a、τ_b、τ_c、τ_n-1分别等于步骤6中测量得到的τ_fiber-a、τ_fiber-b、τ_fiber-d…τ_fiber-(n-1)，此刻多路待测光与参考光在相干合束前达到零同步。

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