CN113074815A - 一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，包括光衰减单元、色散傅里叶变换单元、多通道波长选择单元、信号探测处理单元；待测脉冲首先进入光衰减单元进行功率的衰减，随后进入色散傅里叶变换单元拉伸时域脉冲，将脉冲的光谱信息映射到时间波形上，多通道波长选择单元将光谱分为多个波段，最后由信号探测处理单元接收处理信号。本发明通过色散傅里叶变换单元，实现待测脉冲的频域到时域的转换；通过多通道波长选择单元的波长选择，提高了待测脉冲重频上限和光谱分辨率。本装置具有结构简单、高光谱分辨率、实时测量等特点，可以对GHz级的高重频激光进行光谱的实时测量。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及到时域拉伸色散傅里叶变换装置，尤其涉及一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置。
背景技术
皮秒及飞秒激光脉冲被广泛用于超快现象分析，如化学反应、生物医学、非线性光学等学科。通常使用光谱仪来测量此类过程中的光谱变化，但是光谱仪的扫描时间往往远大于此类超快现象持续时间，无法进行实时单次测量，而单次测量方法如频域分辨率光学开关法(FROG)和光谱相位相干电场重构法(SPIDER)虽然可以实现单次测量，但是当待测脉冲重复频率大于探测器的刷新频率时，就造成脉冲光谱的重叠，因此不能得到实时的光谱信息。
时域拉伸色散傅里叶变换(TS-DFT)技术的出现解决了这一问题，其核心是利用色散元件的色散特性，在满足远场条件时就可以将入射脉冲的光谱信息映射到时域中，再通过高速光电探测器和大带宽的示波器接收得到光谱信息，相比传统的光谱测量技术而言具有高分辨率、高采样速率、大带宽等优点，被广泛应用于超短脉冲的实时光谱测量中，其主要利用具有色散效应的光学元件，如光纤、光栅、波导等，但是若光脉冲的重复频率达到GHz，脉冲在经过光纤等色散元件色散后脉冲之间可能会有部分重叠，因此示波器接收到的信号会是连续信号，此时不能得到其单个脉冲的光谱信息。
为了避免脉冲信号之间的重叠现象，本发明提出了多通道波长选择技术，它可以将啁啾光脉冲分为几个波段，通过多个高速光电探测器接收，然后经过信号合成处理得到单个脉冲的完整光谱信息，实现了GHz重复频率光脉冲的实时光谱测量，且其分辨率高于传统的光谱仪。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置。
为了实现高重频激光脉冲光谱的高分辨实时测量，本发明提出了一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，利用单模光纤的色散傅里叶变换特性和多通道波长选择技术，实现了高重频激光光谱的实时高精度测量，消除了高重频激光相邻脉冲光谱重叠的问题，测量原理简单，装置易于搭建，测量结果准确可靠。
本发明的技术解决问题如下：
一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特点在于，包括依次放置的光衰减单元、色散傅里叶变换单元、多通道波长选择单元和信号探测处理单元；
所述光衰减单元，用于衰减入射色散光纤前的光脉冲的峰值功率，将其功率降低以满足色散效应远大于非线性效应，忽略光纤中的自相位调制效应导致脉冲光谱的展宽，保证输出光脉冲光谱与输入脉冲光谱的一致性；
所述的色散傅里叶变换单元，用于时域拉伸入射光脉冲，当满足远场条件
时，就可以实现对入射光脉冲的傅里叶变换，将脉冲的光谱映射到时域上，得到的时间波形与脉冲的光谱形状一致；
所述的多通道波长选择单元，用于将光脉冲的光谱分成多个部分，分别经不同的光路传输至信号探测处理单元Ⅳ；
所述的信号探测处理单元，用于采集拉伸后的多通道时域信号，并消除高重频引起的信号重叠现象，得到所测光脉冲完整的光谱信息。
待测脉冲首先进入光衰减单元进行功率的衰减，随后进入色散傅里叶变换单元拉伸时域脉冲，将脉冲的光谱信息映射到时间波形上，多通道波长选择单元将光谱分为多个波段，最后由信号探测处理单元接收处理信号。
所述的光衰减单元Ⅰ为光纤衰减器。
所述的色散傅里叶变换单元Ⅱ为一段数km长的单模光纤或光栅，
所述的多通道波长选择单元Ⅲ为光纤滤波器或滤光片。
所述的信号探测处理单元Ⅳ为高速光电二极管、大带宽的数字示波器和数据处理软件。
相比现有技术，本发明的优势在于：通过增加多通道波长选择单元，就可以提高可测量重频光脉冲的上限，进而消除高重频(GHz)引入的光谱重叠现象，实现了高重频(GHz)光脉冲实时光谱的高分辨测量,对于提高实时光谱测量装置的测量能力有着重要意义。
附图说明
图1为本发明中利用光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置的示意图。
图2为低重频与高重频脉冲经过色散傅里叶变换单元(TS-DFT)后的时间波形对比。
图1中，Ⅰ为光衰减单元，Ⅱ为色散傅里叶变换单元(TS-DFT)，Ⅲ为多通道波长选择单元，Ⅳ为信号探测处理单元。1为待测激光脉冲光源(Optical Source)，2为光纤衰减器(Fibre Optic Attenuator)或者中性灰度滤光片(Neutral Density Filter)，3为数Km长的单模光纤(Single Mode Fiber)，4是光纤滤波器(Optical Fiber Filter)或其他滤波器件，5为多个高速光电二极管(Photo Diode)，6为大带宽数字示波器(Digitaloscilloscope),7为计算机(Computer)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施实例对本发明做进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的目的在于提供一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，旨在满足实时光谱测量的需求，同时很大程度上解决了高重频激光脉冲经过色散光纤后时间波形重叠的问题，提高了高重频激光脉冲实时光谱的测量上限。
参见图2，当较低重复频率(<Ghz)的待测脉冲经过单模光纤色散后，光脉冲被时间拉伸为原始宽度的数千倍，由ps/fs级的超短脉冲拉伸到ns级，由于激光器的重频较低，脉冲之间时间间隔较远，若激光器重频为1MHz，脉冲的最窄半高宽度为1ps，此时脉冲宽度被拉伸106倍以上才会发生相邻脉冲信号重叠现象，因此对于重频为MHz级的飞秒激光器，利用单模光纤进行时域拉伸实现傅里叶变换测量其光谱时不会发生相邻脉冲信号的重叠，可以用来实时测量锁模激光器的光谱演化；而当重复频率较高(>GHz)的待测脉冲经过单模光纤色散后，由于激光器重频较高，脉冲之间时间间隔相对较近，若激光器重频为1GHz，脉冲的最窄半高宽度为1ps，此时脉冲宽度被拉伸1千倍以上就会发生相邻脉冲信号重叠，与重频为MHz的脉冲相比，重频为GHz的脉冲可拉伸范围缩小了1千倍，同时也限制了系统的光谱分辨能力。
参见图1，图1是光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置的原理图。待测锁模激光器1产生的超短脉冲首先进入光纤衰减器2进行峰值功率的衰减，然后进入一段数Km长的单模光纤3进行时域上的色散拉伸，将ps/fs级的超短脉冲拉伸到ns级，随后经光纤滤波器4后分为多个波段信号，由高速光电二极管5将光信号转为电信号后被数字示波器6接收，最终经由计算机7分析处理得到待测光脉冲的实时光谱结果。
参见图1，待测脉冲首先经过光纤衰减器，该衰减器的主要作用是降低待测脉冲的峰值功率，使得待测脉冲的峰值功率降低以减弱超短脉冲在光纤中传播时引起的非线性效应，如自相位调制效应、受激拉曼散射、自陡峭效应等，当满足
即光纤中的色散效应远大于非线性效应，此时就可以忽略光纤中的非线性效应，只考虑光纤引起的色散展宽，这里同时忽略了高阶色散(三阶及以上色散)。其中，LD为色散长度，LNL为非线性长度，P0为入射脉冲的峰值功率，T0为入射脉冲的脉冲宽度，β2为二阶色散系数，γ为非线性系数。
参见图1，待测光脉冲经过衰减器后进入单模光纤，若只考虑光纤引起的二阶色散效应，此时待测光脉冲在光纤中传播相当于与光纤的传递函数进行一次卷积过程，满足下式：
当满足条件时：
其中x(t)为待测光脉冲的时间波形，h(t)为光纤的时域响应函数，y(t)为通过光纤后的时域波形，
其中β2为光纤的二阶色散系数，L为光纤的长度；从上式可以看出，当待测光脉冲经过单模光纤后，通过选取具有较大二阶色散系数β2的光纤和增加光纤长度L以满足远场条件
将入射脉冲的光谱信息被映射到了时域上，对入射脉冲进行了一次色散傅里叶变换，实现了入射脉冲光谱信息与时域信息的一一映射。
参见图1，经过单模光纤色散傅里叶变换后的时域信号进入光纤滤波器后被分为三路信号光，这三路信号光取自脉冲的不同光谱成分，相当于将待测脉冲的光谱被分为三个波长范围，经过相同长度的光纤传播后由多个高速光电二极管接收，将光信号转为电信号，最后由数字示波器接收，将这三路单周期信号进行拼接处理即可得到单脉冲完整的光谱信息。通过多通道波长选择技术，将待测信号分为三个波长范围，相当于将待测信号的可拉伸范围提高了三倍，这样就避免了由高重频(GHz)引起光谱信号的重叠。
示波器采集到的信号还需要进行坐标的转换，将时间坐标转换为波长坐标，转换公式为：
式中，D为光纤色散系数，λ0中心波长，c为真空中光速；通过上式即完成信号光谱坐标的标定，从而得到单个脉冲的光谱。
综上所述，本发明基于光纤的色散傅里叶变换特性，通过增加多通道的波长选择单元，实现了高重频激光脉冲光谱的实时测量，对于GHz重频的脉冲可以很好的消除重叠效应，具有结构简单，分辨率高、大带宽，实时测量等特点。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对上述技术方案进行修改或者对其中部分特征进行等同替换，这些修改和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特征在于，包括依次放置的光衰减单元Ⅰ、色散傅里叶变换单元Ⅱ、多通道波长选择单元Ⅲ和信号探测处理单元Ⅳ；
所述光衰减单元Ⅰ，用于衰减入射色散光纤前的光脉冲的峰值功率，将其功率降低以满足色散效应远大于非线性效应，忽略光纤中的自相位调制效应导致脉冲光谱的展宽，保证输出光脉冲光谱与输入脉冲光谱的一致性；
所述的色散傅里叶变换单元Ⅱ，用于时域拉伸入射光脉冲，当满足远场条件
时，就可以实现对入射光脉冲的傅里叶变换，将脉冲的光谱映射到时域上，得到的时间波形与脉冲的光谱形状一致；
所述的多通道波长选择单元Ⅲ，用于将光脉冲的光谱分成多个部分，分别经不同的光路传输至信号探测处理单元Ⅳ；
所述的信号探测处理单元Ⅳ，用于采集拉伸后的多通道时域信号，并消除高重频引起的信号重叠现象，得到所测光脉冲完整的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特征在于，待测脉冲首先进入光衰减单元进行功率的衰减，随后进入色散傅里叶变换单元拉伸时域脉冲，将脉冲的光谱信息映射到时间波形上，多通道波长选择单元将光谱分为多个波段，最后由信号探测处理单元接收处理信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特征在于，所述的光衰减单元Ⅰ为光纤衰减器。
4.根据权利要求1或2所述的基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特征在于，所述的色散傅里叶变换单元Ⅱ为一段数km长的单模光纤或光栅。
5.根据权利要求1或2所述的基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特征在于，所述的多通道波长选择单元Ⅲ为光纤滤波器或滤光片。
6.根据权利要求1或2所述的基于光纤时域拉伸色散傅里叶变换的高重频激光光谱测量装置，其特征在于，所述的信号探测处理单元Ⅳ为高速光电二极管、大带宽的数字示波器和数据处理软件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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