CN116774468B - 光学脉冲输出序列的控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学脉冲输出序列的控制装置及控制方法，涉及光学器件领域，控制装置包括分束器、载波包络相位探测单元以及啁啾系数调整单元，所述分束器位于光学脉冲传输路径上，并至少将光学脉冲分为输出光和监测光；所述载波包络相位探测单元通过接收所述监测光，监测输出光的载波包络相位偏移量，形成反馈信息，并将所述反馈信息传送至啁啾系数调整单元；所述啁啾系数调整单元通过调整位于光纤上的光栅的群速度色散从而稳定输出光的载波包络相位；采用上述控制装置及控制方法，可以通过调整光纤光栅的啁啾系数，控制群速度色散补偿载波包络相位偏移量，从而实时调整并稳定出射光的CEP，提高系统的稳定性，并且结构简单、灵活、便于集成。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种光学脉冲输出序列的控制装置和控制方法。
背景技术
载波包络相位(简称CEP)是指光学脉冲的载波（电磁波）与包络（强度包络）之间的关系，亦即相位。在光学脉冲与物质相互作用的过程中，CEP在很大程度上决定瞬时脉冲的电场强度。在与瞬时电场强度相关的实验中，CEP不同将会导致不同的物理现象，例如：阿秒物理、高次谐波截止区能量等。CEP在光学原子钟、量子相干控制、光频率梳等领域中也异常重要。CEP稳定方法分为主动式和被动式两种。主动CEP稳定方法通过对系统的载波相位漂移(CEO)进行测量并反馈，基于反馈结果进行相应调控。主动式CEP调控方式，优点是对CEP的调控精准且稳定，缺点是在kHz重复频率高能量放大方式下实时测量反馈难以实现。被动CEP稳定包括利用差频过程实现控制(Physical Review Letters,Vol.88,No.13,133901,2002)，通过光学参量放大(简称OPA)的基本原理实现控制(Optics Express,Vol.14,No.21,10109-10116)。被动式CEP调控方式，缺点是CEP会随着环境、晶体温度、光束方向等因素发生漂移。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种光学脉冲输出序列的控制装置和控制方法，采用主动式CEP稳定方式，通过调整光纤光栅的啁啾系数，通过控制光线的群速度色散补偿CEP偏移量，稳定出射光的CEP。
一方面，本发明提供一种光学脉冲输出序列的控制装置，光学脉冲输出序列的控制装置，包括分束器、载波包络相位探测单元以及啁啾系数调整单元，所述分束器位于光学脉冲传输路径上，并至少将光学脉冲分为输出光和监测光；所述载波包络相位探测单元通过接收所述监测光，监测输出光的载波包络相位偏移量，形成反馈信息，并将所述反馈信息传送至啁啾系数调整单元；所述啁啾系数调整单元通过调整位于光纤上的光栅的啁啾系数，进而调整光栅区域光线的群速度色散，从而稳定输出光的载波包络相位。
进一步地，光纤上具有光栅，光栅由多个折射率调制周期组成，在光栅区域对应的光纤外表面设置啁啾系数调整单元；光纤中传输的光线，具有一定带宽，不同波长的光在光栅的不同位置处发生反射。根据输入波长带宽不同，建立输入波长与光栅位置的对应关系，根据载波包络相位探测单元监测记录输出光载波包络相位偏移量，形成反馈信息；基于该反馈信息实时调整啁啾系数调整单元，通过调整与波长带宽对应的光栅的啁啾系数，从而调整光纤中光栅区域光线的群速度色散，进而稳定输出光的载波包络相位，即CEP。
进一步地，啁啾系数调整单元具体为压电陶瓷阵列，通过对不同区域的压电陶瓷施加不同电压，从而调整光栅的啁啾系数，通过色散补偿CEP偏移量，稳定出射光的CEP。
进一步地，控制装置还包括多组相同的控制模块，一组控制模块与一个压电陶瓷对应，通过控制模块对相应的压电陶瓷施加不同的电压。
进一步地，经过分束器后，输出光与监测光的取值范围的比例为1:1-99:1。
进一步地，光栅的周期相同；或，光栅的周期不同，具体为沿着光的传输方向，周期逐渐增大或减小。
另一方面，本发明提供一种光学脉冲输出序列的控制方法，涉及光纤中光学传播过程中的载波包络相位锁定。包括将分束器设置于光学脉冲传输路径上，利用分束器将光学脉冲分为输出光和监测光；采用载波包络相位探测单元接收所述监测光，监测输出光的载波包络相位偏移量，形成反馈信息，并将所述反馈信息传送至啁啾系数调整单元；采用啁啾系数调整单元调整位于光纤上的光栅的啁啾系数，进而调整光栅区域光线的群速度色散，从而稳定输出光的载波包络相位。
进一步的，光纤上具有光栅，光栅由多个光栅刻线组成，光栅区域对应的光纤外表面固定设置啁啾系数调整单元，光纤中传输的光线，具有一定带宽，不同波长的光在光栅的不同位置处发生反射。根据输入波长带宽不同，建立输入波长与光栅位置的对应关系，根据载波包络相位探测单元监测记录输出光载波包络相位偏移量，形成反馈信息；基于该反馈信息实时调整啁啾系数调整单元，通过调整与波长带宽对应的光栅位置的啁啾系数，从而调整光纤中光线的群速度色散，进而稳定输出光的载波包络相位。
进一步的，啁啾系数调整单元具体为压电陶瓷阵列，通过对不同区域的压电陶瓷施加不同电压，从而调整光栅的啁啾系数。
采用上述控制装置及控制方法，可以通过调整光纤光栅的啁啾系数，控制群速度色散补偿CEP偏移量，从而稳定出射光的CEP。其优点在于：能够实时调整出射光的CEP，提高系统的稳定性，并且结构简单、灵活、便于集成。
附图说明
图1为本发明的光学脉冲输出序列的控制装置示意图；
图2为本发明的光栅和啁啾系数调整单元位置关系示意图；
图3为实施例1所形成的群速度色散与施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率之间的关系图；
图4为实施例2所形成的群速度色散与施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率之间的关系图；
图5为实施例3所形成的群速度色散与施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率之间的关系图；
图6为实施例4所形成的群速度色散与施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率之间的关系图；
图7为实施例5所形成的群速度色散与施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率之间的关系图；
图8为实施例6所形成的群速度色散与施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率之间的关系图；
其中，1可饱和吸收体、2耦合器、3光纤、4分束器、5载波包络相位探测单元、6啁啾系数调整单元、7光栅。
具体实施方式
要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，可饱和吸收体1出射的脉冲经过耦合器2耦合进入光纤3中；光纤3上具有光栅7，光栅7由多个光栅刻线组成，在光纤3上与光栅7对应的外表面具有啁啾系数调整单元6，光线在光纤3中传播，经过光栅7后通过分束器4分成两路光，一路光作为输出光，另一路光为监测光，该监测光输入到载波包络相位探测单元5，所述载波包络相位探测单元5监测记录输出光CEP偏移量，并形成反馈信息；并基于该反馈信息实时调整啁啾系数调整单元6，通过调整光栅7的啁啾系数，从而调整光栅区域光线的群速度色散，从而稳定输出光的CEP。
其中，载波包络相位探测单元5可以包括现有技术中任何可以对载波包络相位进行测量的装置，如超短脉冲产生与调控，超连续谱光学器，f-2f模块等。
啁啾系数调整单元6具体为压电陶瓷阵列，通过对不同区域的压电陶瓷施加不同电压，从而调整光栅7的啁啾系数，通过色散补偿CEP偏移量，稳定出射光的CEP。
进一步地，光纤3上具有光栅7，在光栅7区域对应的光纤3外表面设置啁啾系数调整单元6。光栅由多个折射率调制周期组成，光纤3中传输的光线，具有一定带宽，不同波长的光在光栅3的不同位置处发生反射。根据输入波长带宽不同，建立输入波长与光栅7位置的对应关系，根据载波包络相位探测单元5监测记录输出光载波包络相位偏移量，形成反馈信息；基于该反馈信息实时调整啁啾系数调整单元6，通过调整与波长带宽对应的光栅7的啁啾系数，从而调整光纤中光线的群速度色散，进而稳定输出光的载波包络相位，即CEP。
进一步地，控制装置还包括多组相同的控制模块，一组控制模块与一个压电陶瓷对应，通过控制模块对相应的压电陶瓷施加不同的电压。
进一步地，经过分束器4后，输出光与监测光的比例的取值范围为1:1-99:1。
进一步地，光栅7的周期相同；或，光栅7的周期不同，具体为沿着光的传输方向，周期逐渐增大或减小。
其中，当光学脉冲输出时，由于环境因素如温湿度、振动等，会造成CEP漂移，即脉冲包络与相位出现相对偏差，相位有可能较脉冲包络延后也有可能提前。此时，对输出脉冲进行实时监测，当发现CEP漂移时，如发生相位较脉冲包络延后的漂移，则控制啁啾系数调整单元6，调整光栅7的啁啾系数，补偿光线的群速度色散，当提供负的群速度色散时，输出脉冲的相位将得到正向激励，从而补正相位较脉冲包络延后的漂移；相反，如发生相位较脉冲包络提前的漂移，则控制啁啾系数调整单元6，调整光栅7的啁啾系数，补偿光线的群速度色散，当提供正的群速度色散时，输出脉冲的相位将得到反向激励，从而补正相位较脉冲包络提前的漂移。
其中：光栅长度为l，单位为m；压电陶瓷长度为ll，单位为m；压电陶瓷数量为q，q=l/ll，单位为个；压电陶瓷的工作电压范围为0~Umax，单位为V；压电陶瓷在施加最大工作电压Umax时，对应的最大形变为a，其中a单位为m；
由此可知该压电陶瓷的形变系数X=a/Umax，其中X单位为m/V；
光栅区域压电陶瓷电压变化率最大值为Xu，其中Xu单位为V/m：
Xu=(U1-U2)/l
其中，U1为实际施加在压电陶瓷上的最大电压，U2为实际施加在压电陶瓷上的最小电压，U1、U2的单位均为V；
可得，光栅区域压电陶瓷电压变化率XXu可取范围为-Xu～+Xu；
光栅区域压电陶瓷长度变化率XX=X*XXu，其为无量纲参数；
光栅啁啾系数为C，单位为nm/cm，其中
C=W*(XX/ll)*1e7
其中W为光栅初始波长，单位为m；
色散参数D=2*n/((C*1e-7)*c)，D单位为s/m，其中c为光速，默认取值为3*1e8m/s
最终，得到群速度色散beta2，beta2=-D*((W)^2/(2*π*c))，单位为s2；
当监测到发生相位较脉冲包络延后的漂移，则控制啁啾系数调整单元6，调整光栅7的群速度色散，当提供负的群速度色散时，输出脉冲的相位将得到正向激励，从而补正相位较脉冲包络延后的漂移；相反，如发生相位较脉冲包络提前的漂移，则控制啁啾系数调整单元6，调整光栅7的群速度色散，当提供正的群速度色散时，输出脉冲的相位将得到反向激励，从而补正相位较脉冲包络提前的漂移。其中不同的输入条件可以提供不同程度的群速度色散控制效果，具体如下实施例所示。
实施例1-6
实施例1-6中，
光纤折射率：n=1.46；
双光学干涉区域长度D=1*10-2m
光栅长度l、压电陶瓷长度ll、实际施加在压电陶瓷上的最大电压U1、实际施加在压电陶瓷上的最小电压U2、光栅初始波长W的取值分别表1所示：
表1
参见附图3～8，其中横坐标为施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率，为无量纲参数，纵坐标为群速度色散，单位为s2。当压电陶瓷长度、以及施加的电压范围发生变化时，群速度色散随施加到光栅区域压电陶瓷电压变化率的变化成不同数量级的响应，且变化率越小引入的色散越大，则在实际操作中，可以通过监测到的实际CEP漂移量，选择相适应的调整参数，进行出射光学脉冲的实时调整，做到主动调整并稳定出射光的CEP。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了元件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该元件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光学脉冲输出序列的控制装置，其特征在于：包括分束器、载波包络相位探测单元以及啁啾系数调整单元，所述分束器位于光学脉冲传输路径上，并至少将光学脉冲分为输出光和监测光；所述载波包络相位探测单元通过接收所述监测光，监测输出光的载波包络相位偏移量，形成反馈信息，并将所述反馈信息传送至啁啾系数调整单元；所述啁啾系数调整单元通过调整位于光纤上的光栅的啁啾系数，进而调整光栅区域光线的群速度色散从而稳定输出光的载波包络相位；所述光纤上具有光栅，光栅由多个折射率调制周期组成，光栅区域对应的光纤外表面固定设置啁啾系数调整单元，光纤中传输的光线，具有一定带宽，不同波长的光在光栅的不同位置处发生反射；根据输入波长带宽不同，建立输入波长与光栅位置的对应关系，根据载波包络相位探测单元监测记录输出光载波包络相位偏移量，形成反馈信息；基于该反馈信息实时调整啁啾系数调整单元，通过调整光栅的啁啾系数，从而调整光纤上的光栅的啁啾系数，进而调整光栅区域光线的群速度色散，进而稳定输出光的载波包络相位；所述啁啾系数调整单元具体为压电陶瓷阵列，通过对不同区域的压电陶瓷施加不同电压，从而调整光栅的啁啾系数。
2.如权利要求1所述的控制装置，控制装置还包括多组相同的控制模块，一组控制模块与一个压电陶瓷对应，通过控制模块对相应的压电陶瓷施加不同的电压。
3.如权利要求1所述的控制装置，经过分束器后，输出光与监测光的比例的取值范围为1:1-99:1。
4.如权利要求1所述的控制装置，光栅的周期相同；或，光栅的周期不同，具体为沿着光的传输方向，周期逐渐增大或减小。
5.一种光学脉冲输出序列的控制方法，包括将分束器设置于光学脉冲传输路径上，利用分束器将光学脉冲分为输出光和监测光；采用载波包络相位探测单元接收所述监测光，监测输出光的载波包络相位偏移量，形成反馈信息，并将所述反馈信息传送至啁啾系数调整单元；采用啁啾系数调整单元调整位于光纤上的光栅的啁啾系数，进而调整光栅区域光线的群速度色散，从而稳定输出光的载波包络相位；在所述光纤上设置光栅，光栅由多个光栅刻线组成，光栅区域对应的光纤外表面固定设置啁啾系数调整单元，光纤中传输的光线，具有一定带宽，不同波长的光在光栅的不同位置处发生反射；根据输入波长带宽不同，建立输入波长与光栅位置的对应关系，根据载波包络相位探测单元监测记录输出光载波包络相位偏移量，形成反馈信息；基于该反馈信息实时调整啁啾系数调整单元，通过调整与可饱和吸收体的波长带宽对应的光栅位置的啁啾系数，从而调整光纤中的光栅的啁啾系数，进而调整光栅区域光线的群速度色散，进而稳定输出光的载波包络相位；所述啁啾系数调整单元具体为压电陶瓷阵列，通过对不同区域的压电陶瓷施加不同电压，从而调整光栅的啁啾系数。
6.如权利要求5所述的控制方法，经过分束器后，输出光与监测光的比例的取值范围为1:1-99:1。
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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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