CN114001835A - 一种超短脉冲的实时光谱测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种超短脉冲的实时光谱测量系统，用于对脉冲进行光谱信息的实时测量，包括二向色镜、设置于所述二向色镜透射方向的第一非球面聚焦透镜、设置于所述二向色镜反射方向的低速光电探测器以及沿所述第一非球面聚焦透镜出射方向依次设置的倍频晶体、第二非球面聚焦透镜、单模光纤、高速光电探测器，还包括连接于所述高速光电探测器和低速光电探测器的实时示波器；通过第一非球面聚焦透镜和倍频晶体，实现光信号的二次谐波产生，使得可以利用第二非球面聚焦透镜和色散傅里叶变换系统中的单模光纤，实现从频域到时域的映射，进而实现实时光谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲光谱测量技术领域，尤其涉及一种超短脉冲的实时光谱测量系统和方法。
背景技术
2μm波段激光在水分子吸收峰附近，并且位于人眼安全波段及大气窗口等，在生物医学、空间光通信、激光雷达、大气遥感等领域有着独特的应用前景，已经成为激光领域的研究热点之一。除此之外，2μm波段超短脉冲激光器也可作为中红外拉曼激光器、中红外超连续谱光源、中红外光参量振荡器的良好泵浦源。目前，随着2μm波段光纤技术的快速发展，2μm波段超短脉冲光纤激光器的输出指标亦在不断提升。然而，受限于光纤器件制作工艺以及光纤中的非线性效应等问题，2μm波段超短脉冲光纤激光器在脉冲能量和峰值功率等方面仍然存在着很多不足之处。所以，为了发展高功率的2μm波段超短脉冲光纤激光器，深入研究2μm波段超短脉冲的不稳定性和内部动力学是至关重要的。
色散傅里叶变换也被称为实时傅里叶变换，可以克服电子设备的采样速度和带宽限制，是一种可以实现快速实时光谱探测的方法。该方法通过引入具有较大群速度色散的色散元件(比如单模光纤或者啁啾光纤布拉格光栅)，利用展宽的方法可使得每个脉冲的光谱被色散元件映射为时域波形，接着利用光电探测器捕捉这些时域波形，并通过实时示波器记录与分析，最终实现对脉冲的实时光谱测量。利用色散傅里叶变换技术能够观察到脉冲的实时光谱特性，为研究非线性动力学中的瞬态现象提供了有利的条件。基于这种技术，超短脉冲光纤激光器中一些瞬态动力学特性已经在实验上得到了揭示和验证，比如类噪声脉冲、孤子爆炸、孤子脉动以及光学怪波等。因此，利用色散傅里叶变换技术，可以更好地研究各种脉冲的实时动力学特性，进一步理解脉冲的物理机制，对优化超短脉冲光纤激光器性能和推动光纤激光技术发展具有重要的意义。
目前基于色散傅里叶变换技术的实时光谱测量主要是集中在近红外(1μm及1.5μm)波段，关于2μm波段超短脉冲实时光谱测量的研究鲜有报道，这主要是因为普通的单模光纤在2μm波段的传输损耗较高。尽管啁啾光纤布拉格光栅可以作为2μm波段脉冲的色散元件，然而其存在制作工艺复杂、价格昂贵、光谱反射率不高、覆盖波长范围窄等问题，这严重阻碍了2μm波段脉冲实时动力学特性的研究，限制了其应用和发展，当然2μm以上的超短脉冲也有同样的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种，旨在解决现有技术中，基于色散傅里叶变换技术没法实现对超短脉冲的实时光谱测量的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种超短脉冲的实时光谱测量系统，用于对脉冲进行光谱信息的实时测量，包括二向色镜、设置于所述二向色镜透射方向的第一非球面聚焦透镜、设置于所述二向色镜反射方向的低速光电探测器以及沿所述第一非球面聚焦透镜出射方向依次设置的倍频晶体、第二非球面聚焦透镜、单模光纤、高速光电探测器，还包括连接于所述高速光电探测器和低速光电探测器的实时示波器。
第二方面，本发明实施例提供了一种超短脉冲的实时光谱测量方法，运用于超短脉冲的实时光谱测量系统，包括：
将所述脉冲通过空间耦合的方式射入二向色镜中，得到透射的光信号和反射的光信号；
透射的所述光信号沿光传播的方向依次通过第一非球面聚焦透镜和倍频晶体；
所述倍频晶体输出的光信号通过第二非球面聚焦透镜空间耦合至所述单模光纤；
所述高速光电探测器和所述实时示波器对所述单模光纤输出的光信号进行时域信息的数据采集和分析；
反射的光信号通过反射空间耦合到所述低速光电探测器上；
所述实时示波器对所述低速光电探测器输出的光信号进行时域信息的数据采集和分析；
结合透射的光信号和反射的光信号在时域上强度的变化，测得超短脉冲实时光谱信息。
本发明实施例通过第一非球面聚焦透镜和倍频晶体，实现光信号的二次谐波产生，使得可以利用第二非球面聚焦透镜和色散傅里叶变换系统中的单模光纤，实现从频域到时域的映射，进而实现实时光谱测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的超短脉冲的实时光谱测量系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的超短脉冲的实时光谱测量方法的流程示意图；
图3是传统光谱仪测量的光谱；
图4是基于色散傅里叶变换技术通过高速光电探测器和实时示波器获得的时间序列；
图5是通过公式计算转换的光谱。
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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，一种超短脉冲的实时光谱测量系统，用于对脉冲进行光谱信息的实时测量，包括二向色镜1、设置于所述二向色镜1透射方向的第一非球面聚焦透镜5、设置于所述二向色镜1反射方向的低速光电探测器2以及沿所述第一非球面聚焦透镜5出射方向依次设置的倍频晶体6、第二非球面聚焦透镜7、单模光纤8、高速光电探测器9，还包括连接于所述高速光电探测器9和低速光电探测器2的实时示波器10。
在一实施例中，所述二向色镜1为2μm波段的二向色镜1，所述第一非球面聚焦透镜5为2μm波段的第一非球面聚焦透镜5，所述倍频晶体6为2μm波段的倍频晶体6，所述第二非球面聚焦透镜7为1μm波段的第二非球面聚焦透镜7，所述高速光电探测器9为1μm波段的高速光电探测器9，所述低速光电探测器2为2μm波段的低速光电探测器2。
在一实施例中，所述二向色镜1和所述第一非球面聚焦透镜5之间依次设置2μm波段的二分之一波片3和2μm波段的四分之一波片4。
为了便于理解，以下以2μm为例进行讲解：
首先，入射的超短脉冲通过2μm波段二向色镜1分成两束能量不同的光信号，能量低的光信号(反射的光信号)反射到低速光电探测器2上，然后通过低速光电探测器2进行测量，并将测量结果发送到实时示波器10上；
其次，是能量高的光信号(透射的光信号)依次通过2μm波段二分之一波片3、2μm波段四分之一波片4、2μm波段第一非球面聚焦透镜5和2μm波段倍频晶体6，实现2μm波段光信号的二次谐波产生，把2μm波段光信号倍频为1μm波段光信号；
其中，2μm波段二分之一波片3和2μm波段四分之一波片4主要用于改变光信号的双折射特性，实现对光信号偏振态的有效控制，适当增加光信号的强度；当然，2μm波段二分之一波片3和2μm波段四分之一波片4这两者在本系统中并不是必须的。
然后，通过倍频的光信号依次通过1μm波段第二非球面聚焦透镜7和单模光纤8，实现从频域到时域的映射；
最后利用1μm波段高速光电探测器9和实时示波器10对时域信息进行高速数据采集与分析，结合通过低速光电探测器2测量得到的低速数据，从而实现对2μm波段超短脉冲光谱信息的实时测量。
可以有效解决当前2μm波段超短脉冲光谱不能实时测量的问题，对于2μm波段超短脉冲光纤激光系统中非线性效应的研究具有重要意义。
具体的，超短脉冲首先通过空间耦合的方式入射到2μm波段二向色镜1上，接着分为两束不同的光信号，其中能量低的光信号(反射的光信号)通过反射空间耦合到低速光电探测器2，然后利用射频数据线连接到实时示波器10上。
另外，能量高的光信号(透射的光信号)透过2μm波段二向色镜1通过空间耦合的方式依次连接2μm波段二分之一波片3、2μm波段四分之一波片4、2μm波段非球面聚焦透镜、2μm波段倍频晶体6。
在光路中，通过调节2μm波段二分之一波片3和2μm波段四分之一波片4能够改变光信号的双折射特性，实现对光信号偏振态的有效控制。
当光信号通过2μm波段倍频晶体6后，可以实现光信号的二次谐波产生，使得2μm波段的信号光倍频1μm波段信号光。
为了合理控制倍频的效率，可以选择合适长度的倍频晶体6和相位匹配方式，具体选择为本领域技术人员在少量试验下即可得出，在这将不再赘述。
倍频之后的光信号通过1μm波段非球面聚焦透镜空间耦合到单模光纤8中；为了保证单模光纤8具有充足的色散量，需要选用长距离的单模光纤8。在这里，单模光纤8也可以换成啁啾光纤布拉格光栅，但是需要增加一个光纤环形器。
通过适当增加单模光纤8的长度，可以增加总的色散量，进而提高实时光谱的测量精度。
为了保证足够的光谱精度，相邻两个超短脉冲的时间间隔大于脉冲本身宽度的100倍。
通过单模光纤8，光信号的脉冲宽度得到大幅度的展宽，实现了光谱信息从频域到时域的转换。
最后将单模光纤8输出的光信号通过光纤跳线连接到高速光电探测器9上，并利用射频数据线接到实时示波器10上。
其中，所述实时示波器10为高速实时示波器。
其中，高速实时示波器：带宽最好是8GHz及以上，采样率最好是50Gs/s以上。例如，美国泰克的Tektronix DSA-70804，8GHz带宽，50Gs/s采样率；
其中，高速光电探测器：带宽一定得大于或者等于高速实时示波器的带宽，例如，美国Newport的New Focus 1544-B，带宽12GHz，波长范围500nm-1630nm；
其中，低速光电探测器：带宽1GHz以上即可，例如：美国DiscoverySemiconductors的DSC2-100S，带宽5GHz，波长范围1200nm-2200nm。
在一实施例中，所述二向色镜1为3μm波段的二向色镜1，所述第一非球面聚焦透镜5为3μm波段的第一非球面聚焦透镜5，所述倍频晶体6为3μm波段的倍频晶体6，所述第二非球面聚焦透镜7为1.5μm波段的第二非球面聚焦透镜7，所述高速光电探测器9为1.5μm波段的高速光电探测器9，所述低速光电探测器2为3μm波段的低速光电探测器2。
在一实施例中，所述二向色镜1和所述第一非球面聚焦透镜5之间依次设置3μm波段的二分之一波片3和3μm波段的四分之一波片4。
以上两个实施例可以参考2μm的实施方式。
在一实施例中，入射到所述高速光电探测器的光信号功率为0.1-2mW。
在本实施例中，为了保证高速光电探测器9的灵敏度，需要对脉冲的功率进行合理控制；一般的高速光电探测器9的最大输入功率是在10mW以内，饱和功率一般是在2mW以内，因此为了保证足够的灵敏度，需要控制在0.1-2mW。
在一实施例中，所述单模光纤8的长度为10-20km。
在本实施例中，色散傅里叶变换系统中的色散元件是利用单模光纤8实现的。为了保证足够的色散量，需要使用长距离的单模光纤8实现；
实际距离跟超短脉冲的谱宽和重复频率有关系，一般需要10-20km的单模光纤8。
在一实施例中，相邻所述脉冲之间的时间宽度大于每一所述脉冲自身宽度的100倍。
在本实施例中，合理控制单模光纤8的总色散可以增加脉冲展宽的程度，进而提高测试系统的光谱精度，而展宽的时域宽度受相邻脉冲间隔的限制，要保证展开的脉冲在时域上不能交叠；因此，为了保证测量系统具有良好的光谱精度，需要两个相邻超短脉冲之间的时间宽度大于每个脉冲本身宽度的100倍。
请参阅图2，一种超短脉冲的实时光谱测量方法，运用于超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于，包括：
S101：将所述脉冲通过空间耦合的方式射入二向色镜1中，得到透射的光信号和反射的光信号；
S102：透射的所述光信号沿光传播的方向依次通过第一非球面聚焦透镜5和倍频晶体6；
S103：所述倍频晶体6输出的光信号通过第二非球面聚焦透镜7空间耦合至所述单模光纤8；
S104：所述高速光电探测器9和所述实时示波器10对所述单模光纤8输出的光信号进行时域信息的数据采集和分析；
S105：反射的光信号通过反射空间耦合到所述低速光电探测器2上；
S106：所述实时示波器10对所述低速光电探测器2输出的光信号进行时域信息的数据采集和分析；
S107：结合透射的光信号和反射的光信号在时域上强度的变化，测得超短脉冲实时光谱信息。
在一实施例中，所述二向色镜1和所述非球面聚焦透镜之间依次设置二分之一波片3和四分之一波片4，步骤S102之前还包括：
透射的所述光信号沿光传播的方向依次通过所述二分之一波片3和四分之一波片4。
具体的，基于色散傅里叶变换技术，最终通过高速光电探测器和实时示波器获得的是与光谱对应的时间序列，时间坐标与光谱的转换关系是通过如下公式计算的(Nat.Photonics 2013，7，102-112)：
Δτ＝|D|zΔλ；
其中Δλ是光谱的带宽，z是单模光纤的长度，D是单模光纤的群速度色散值，Δτ是通过高速光电探测器和实时示波器获得的脉冲序列时间宽度。通过公式可以计算出脉冲序列时间宽度所对应的光谱宽度。
由于在实际测试中，光谱的时延通常无法直接获得，因此在反推光谱时，通常需要和传统光谱仪测试的平均光谱相对照，找到一些特征波长，如旁瓣的位置或者最高的峰值位置，从而利用公式将时序信息转换为光谱。
例如：以1.5μm波段激光测量为例(其他波段的原理相同)，图3是传统光谱仪测量的光谱，图4是基于色散傅里叶变换技术通过高速光电探测器和实时示波器获得的时间序列，图5是通过公式计算转换的光谱，正如图所示，根据图4中的C位置和D位置得出Δτ，然后根据公式计算出Δλ，其对应着图3中A和B之间的距离，即图4中的C和D分别对应着图3中A和B，然后根据A和B的光谱位置，将图4中的横坐标信息转换为光谱信息即可，正如图5所示。
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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种超短脉冲的实时光谱测量系统，用于对脉冲进行光谱信息的实时测量，其特征在于，包括二向色镜(1)、设置于所述二向色镜(1)透射方向的第一非球面聚焦透镜(5)、设置于所述二向色镜(1)反射方向的低速光电探测器(2)以及沿所述第一非球面聚焦透镜(5)出射方向依次设置的倍频晶体(6)、第二非球面聚焦透镜(7)、单模光纤(8)、高速光电探测器(9)，还包括连接于所述高速光电探测器(9)和低速光电探测器(2)的实时示波器(10)。
2.根据权利要求1所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：所述二向色镜(1)为2μm波段的二向色镜(1)，所述第一非球面聚焦透镜(5)为2μm波段的第一非球面聚焦透镜(5)，所述倍频晶体(6)为2μm波段的倍频晶体(6)，所述第二非球面聚焦透镜(7)为1μm波段的第二非球面聚焦透镜(7)，所述高速光电探测器(9)为1μm波段的高速光电探测器(9)，所述低速光电探测器(2)为2μm波段的低速光电探测器(2)。
3.根据权利要求1所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：所述二向色镜(1)为3μm波段的二向色镜(1)，所述第一非球面聚焦透镜(5)为3μm波段的第一非球面聚焦透镜(5)，所述倍频晶体(6)为3μm波段的倍频晶体(6)，所述第二非球面聚焦透镜(7)为1.5μm波段的第二非球面聚焦透镜(7)，所述高速光电探测器(9)为1.5μm波段的高速光电探测器(9)，所述低速光电探测器(2)为3μm波段的低速光电探测器(2)。
4.根据权利要求2所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：所述二向色镜(1)和所述第一非球面聚焦透镜(5)之间依次设置2μm波段的二分之一波片(3)和2μm波段的四分之一波片(4)。
5.根据权利要求3所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：所述二向色镜(1)和所述第一非球面聚焦透镜(5)之间依次设置3μm波段的二分之一波片(3)和3μm波段的四分之一波片(4)。
6.根据权利要求1所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：入射到所述高速光电探测器的光信号功率为0.1-2mW。
7.根据权利要求1所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：所述单模光纤(8)的长度为10-20km。
8.根据权利要求1所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于：相邻所述脉冲之间的时间宽度大于每一所述脉冲自身宽度的100倍。
9.一种超短脉冲的实时光谱测量方法，运用于权利要求1-8任一所述的超短脉冲的实时光谱测量系统，其特征在于，包括：
将所述脉冲通过空间耦合的方式射入二向色镜(1)中，得到透射的光信号和反射的光信号；
透射的所述光信号沿光传播的方向依次通过第一非球面聚焦透镜(5)和倍频晶体(6)；
所述倍频晶体(6)输出的光信号通过第二非球面聚焦透镜(7)空间耦合至所述单模光纤(8)；
所述高速光电探测器(9)和所述实时示波器(10)对所述单模光纤(8)输出的光信号进行时域信息的数据采集和分析；
反射的光信号通过反射空间耦合到所述低速光电探测器(2)上；
所述实时示波器(10)对所述低速光电探测器(2)输出的光信号进行时域信息的数据采集和分析；
结合透射的光信号和反射的光信号在时域上强度的变化，测得超短脉冲实时光谱信息。
10.根据权利要求9所述的超短脉冲的实时光谱测量方法，其特征在于，所述二向色镜(1)和所述非球面聚焦透镜之间依次设置二分之一波片(3)和四分之一波片(4)，所述透射的所述光信号沿光传播的方向依次通过第一非球面聚焦透镜(5)和倍频晶体(6)，之前还包括：
透射的所述光信号沿光传播的方向依次通过所述二分之一波片(3)和四分之一波片(4)。
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