CN117629427A - 一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法，包括以下步骤：低频稳幅源输出被测信号到共面波导传输线，使用飞秒激光起偏后聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，入射的光束在被测信号电场作用下偏振态发生改变，检测偏振态的变化量为第一测试值，标定所述低频稳幅源输出信号强度为第一信号强度；将所述低频稳幅源更换为太赫兹脉冲信号产生器，检测偏振态的变化量为第二测试值，根据第二测试值和标定关系，确定太赫兹脉冲信号产生器输出的绝对幅度。本申请还包含用于实现所述方法的装置。本申请解决现有技术无法获得脉冲参数的绝对幅度值的问题。
Description
技术领域
本申请涉及微波和光学技术领域，尤其涉及一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法和装置。
背景技术
随着信息技术的高速发展，出现了很多超快、超高速、超宽带的器件和仪器设备，包括超快光电探测器、超宽带梳状谱发生器、超高速脉冲产生器、超高速码型产生器等皮秒级太赫兹脉冲产生器。但是，目前此类器件和仪器设备的很多关键指标无法准确计量校准，最终用户使用此类器件和设备时，就无法得到准确和统一的量值，从而严重影响使用此类器件和设备组成的系统的可靠性与稳定性，最终可能带来重大损失。脉冲波形参数是最直接反映此类器件和设备性能的重要关键指标之一，为了保障太赫兹脉冲的应用，需要对太赫兹脉冲的关键参数进行校准。
脉冲波形参数主要分为时间参数和幅度参数，时间参数主要包括上升时间和半幅宽度，目前，光电结合方法能对超快、超高速、超宽带器件和仪器设备的瞬态响应波形的时间参数进行校准，这套装置是以光学、微波电子学和计量学为基础，属于前沿交叉领域，可以对宽带示波器、超快脉冲产生器、超快光电探测器和梳状波发生器等设备的瞬态响应波形的时间参数进行校准，但该装置对脉冲波形参数的幅度参数校准还存在问题，对于其幅度参数只能获得相对幅度值，无法获得脉冲参数的绝对幅度值。
发明内容
本申请提出一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法和装置，解决现有技术无法获得脉冲参数的绝对幅度值的问题。
一方面，本申请实施例提出一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法，包括以下步骤：
低频稳幅源输出被测信号到共面波导传输线，使用飞秒激光起偏后聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，入射的光束在被测信号电场作用下偏振态发生改变，检测偏振态的变化量为第一测试值，标定所述低频稳幅源输出信号强度为第一信号强度；
将所述低频稳幅源更换为太赫兹脉冲信号产生器，检测偏振态的变化量为第二测试值，根据第二测试值和标定关系，确定太赫兹脉冲信号产生器输出的绝对幅度。
在本申请的一个实施例中，对所述飞秒激光进行延时，获得设定时间点的第一测试值，用于标定所述设定时间点的第一信号强度。
在本申请的一个实施例中，控制延时线对所述飞秒激光进行延时，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述低频稳幅源和/或所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测信号的波形。
另一方面，本申请实施例还提出一种太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括：共面波导传输线、平衡光电探测器、锁相放大器、飞秒激光器、机械延时线、起偏器、偏振分光器等器件。
所述共面波导传输线，一端用于连接匹配负载，另一端用于连接所述低频稳幅源或所述太赫兹脉冲信号产生器；
所述飞秒激光器，用于产生飞秒激光脉冲信号，所述飞秒激光脉冲信号作为探测光，经过机械延时线和起偏器后，再经过聚焦透镜聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中；
所述偏振分光器，用于将所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中输出的光束分解为水平偏振光和垂直偏振光；
所述平衡光电探测器，用于比较所述水平偏振光和垂直偏振光的强度产生输出信号，经所述锁相放大器输出产生第一测量值或第二测量值。
在本申请的一个实施例中，所述偏振分光器为渥拉斯顿棱镜。
在本申请的一个实施例中，所述共面波导传输线一端通过共面转同轴微波探针连接匹配负载；另一端通过共面转同轴微波探针连接低频稳幅源或太赫兹脉冲信号产生器。
在本申请的一个实施例中，所述飞秒激光器的参考信号输出端连接所述低频稳幅源参考信号输入端。所述低频稳幅源为锁相放大器提供参考信号。
在本申请的一个实施例中，所述装置还包含斩波器和斩波控制器。所述飞秒激光脉冲光经过分束镜后分为2路，其中一路激光信号作为探测光连接机械延时线，另一路作为激励光，经过斩波器后激励所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测太赫兹脉冲信号。用所述斩波控制器控制斩波器的调制频率；所述斩波控制器为锁相放大器提供参考信号。
在本申请的一个实施例中，所述装置还包含计算机，用于控制所述机械延时器和所述锁相放大器，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述低频稳幅源和/或所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测信号的波形。
在本申请的一个实施例中，所述装置还包含物镜、光纤照明光源、CCD搭建的共轴显微成像系统，用于监测共面转同轴波导探针。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明基于电光取样的原理对太赫兹脉冲信号的绝对幅度进行校准，使其能够溯源到基本单位，保证太赫兹脉冲绝对幅度量值的准确和统一。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请提出的太赫兹脉冲绝对幅度校准方法的实施例流程图；
图2为本申请提出的太赫兹脉冲绝对幅度校准装置的实施例结构图；
图3为本申请提出的太赫兹脉冲绝对幅度校准装置的另一实施例结构图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请提出的太赫兹脉冲绝对幅度校准方法的实施例流程图。
本申请实施例提出一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法，包括以下步骤：
步骤100、低频稳幅源输出被测信号到共面波导传输线，使用飞秒激光起偏后聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，入射的光束在被测信号电场作用下偏振态发生改变，检测偏振态的变化量为第一测试值，标定所述低频稳幅源输出信号强度为第一信号强度；
优选地，对所述飞秒激光进行延时，获得设定时间点的第一测试值，用于标定所述设定时间点的第一信号强度。
当所述低频稳幅源输出的信号为低频脉冲时，控制延时线对所述飞秒激光进行延时，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述低频稳幅源输出被测信号的波形。
步骤200、将所述低频稳幅源更换为太赫兹脉冲信号产生器，检测偏振态的变化量为第二测试值，根据第二测试值和标定关系，确定太赫兹脉冲信号产生器输出的绝对幅度。
例如所述标定关系定义为：R＝T1/I1，其中T1为第一测试值，I1为第一强度值，则太赫兹脉冲信号产生器输出的绝对幅度为：I0＝T2/R，其中T2为第二测试值。
优选地，控制延时线对所述飞秒激光进行延时，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测信号的波形。
图2为本申请提出的太赫兹脉冲绝对幅度校准装置的实施例结构图。本申请实施例还提出一种太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括：共面波导传输线、平衡光电探测器、锁相放大器、飞秒激光器、机械延时线、起偏器、偏振分光器。
所述共面波导传输线，一端用于连接匹配负载，另一端用于连接所述低频稳幅源或所述太赫兹脉冲信号产生器。在本申请的一个实施例中，所述共面波导传输线一端通过共面转同轴微波探针连接匹配负载；另一端通过共面转同轴微波探针连接低频稳幅源或太赫兹脉冲信号产生器。在本申请的一个实施例中，所述低频稳幅源为锁相放大器提供参考信号。
例如，共面波导传输线左侧终端通过共面转同轴微波探针连接50Ω匹配负载，右侧通过共面转同轴微波探针连接低频信号稳幅源。低频信号稳幅源的1端口输出被测信号，2端口连接至锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号。飞秒激光器的10MHz参考信号输出端连接低频稳幅源的参考信号输入端。
所述飞秒激光器，用于产生飞秒激光脉冲信号，所述飞秒激光脉冲信号作为探测光，经过机械延时线和起偏器后，再经过聚焦透镜聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中。在本申请的一个实施例中，所述飞秒激光器的参考信号输出端连接所述低频稳幅源参考信号输入端。例如，校准过程中，飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲信号作为探测光，依次经过精密机械延时线、λ/2波片、起偏器后，从共面波导背面通过聚焦透镜聚焦至共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，该入射光束在共面波导传输线上传输的被测信号电场的作用下偏振态发生变化。
所述偏振分光器，用于将所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中输出的光束分解为水平偏振光和垂直偏振光。在本申请的一个实施例中，所述偏振分光器为渥拉斯顿棱镜。
例如，偏振态改变后的光束穿过共面波导传输线，通过聚焦透镜聚焦后依次经过λ/4波片和渥拉斯顿棱镜，渥拉斯顿棱镜将入射光束的水平偏振光和垂直偏振光分开，再通过平衡光电探测器。
所述平衡光电探测器，用于比较所述水平偏振光和垂直偏振光的强度产生输出信号，平衡光电探测器的输出信号作为被测信号输入至锁相放大器的信号输入端，经所述锁相放大器输出产生第一测量值或第二测量值。如此，就可以通过锁相放大器测量出入射至共面波导传输线的光信号的偏振态变化量，从而推算出被测电场强度。
在本申请的一个实施例中，所述装置还包含计算机，用于控制所述机械延时器和所述锁相放大器，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述低频稳幅源和/或所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测信号的波形。从而确定标准信号和测得信号之间的关系，实现太赫兹脉冲绝对幅度校准装置的定标。
在本申请的一个实施例中，所述装置还包含物镜、光纤照明光源、CCD搭建的共轴显微成像系统，用于监测共面转同轴波导探针。
图3为本申请提出的太赫兹脉冲绝对幅度校准装置的另一实施例结构图。
在完成太赫兹脉冲信号幅度的定标后，可利用太赫兹脉冲绝对幅度校准装置对太赫兹脉冲信号的绝对幅度进行校准，将定标时使用的低频稳幅源替换为太赫兹脉冲信号产生器。在本申请的一个实施例中，所述装置还包含斩波器和斩波控制器。所述飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲光经过分束镜后分为2路，其中一路激光信号作为探测光连接机械延时线，探测光依次经过精密机械延时线、λ/2波片、起偏器后，从共面波导背面通过聚焦透镜聚焦至共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中。飞秒激光脉冲经过分束镜后的另一路激光信号作为激励光，经过斩波器后激励所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测太赫兹脉冲信号。用所述斩波控制器控制斩波器的调制频率；所述斩波控制器的参考信号输出端连接至锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号。如此，就可以通过锁相放大器测量出入射至共面波导传输线的光信号的偏振态变化量，从而推算出被测电场强度，通过计算机控制精密机械延时线和锁相放大器，按照一定的步进进行扫描，就可以逐点测量出被测信号的波形。之后根据太赫兹脉冲信号幅度定标结果对测得信号波形进行处理，获得被校太赫兹脉冲信号的绝对幅度。
当本申请实施例所述装置应用于本申请实施例所述的方法时，具体步骤为：
为实现步骤100，为了对太赫兹信号绝对幅度进行校准，首先需要对校准系统的幅度测量结果进行定标，定标方法如下：
如图3所示，共面波导传输线左侧终端通过共面转同轴微波探针连接50Ω匹配负载。
低频稳幅源1端口输出已知幅度的标准方波信号，通过宽带同轴转共面波导微波探针耦合至太赫兹脉冲共面波导中，2端口连接至锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号。需要注意的是，低频稳幅源1端口输出的被测标准方波信号频率应与锁相放大器的参考信号频率保持一致。
飞秒激光器的10MHz参考信号输出端连接低频稳幅源的参考信号输入端，两者保持同步。
校准过程中，中心波长为1560nm的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲信号作为探测光，依次经过精密机械延时线、λ/2波片、起偏器后，从共面波导背面通过聚焦透镜聚焦至共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，该入射光束在共面波导传输线上传输的被测信号电场的作用下偏振态发生变化。
偏振态改变后的光束穿过共面波导传输线，通过聚焦透镜聚焦后依次经过λ/4波片和渥拉斯顿棱镜，渥拉斯顿棱镜将入射光束的水平偏振光和垂直偏振光分开，再通过平衡光电探测器，平衡光电探测器的输出信号作为被测信号输入至锁相放大器的信号输入端。如此，就可以通过锁相放大器测量出入射至共面波导传输线的光信号的偏振态变化量，从而推算出被测电场强度。
通过计算机控制精密机械延时线和锁相放大器，按照一定的步进进行扫描，就可以逐点测量出被测信号的波形。进而可以得到太赫兹脉冲绝对幅度校准装置中锁相放大值与绝对电压幅度值之间的比例系数。当利用太赫兹脉冲绝对幅度校准装置对太赫兹脉冲信号进行测量时就可以根据测得的太赫兹脉冲的锁相放大值得到其对应的绝对幅度值，实现太赫兹脉冲绝对幅度的校准。
测量过程中，在共面波导的正面通过物镜、光纤照明光源、CCD搭建共轴显微成像系统，用于监测共面转同轴微波探针，便于将其压接至共面波导上。
为实现步骤200，在完成太赫兹脉冲信号幅度的定标后，可利用太赫兹脉冲绝对幅度校准装置对太赫兹脉冲信号的绝对幅度进行校准。
如图3所示，将定标时使用的低频稳幅源替换为太赫兹脉冲信号产生器，与定标过程类似，共面波导传输线左侧终端通过共面转同轴微波探针连接50Ω匹配负载，右侧通过共面转同轴微波探针连接太赫兹脉冲信号产生器。
校准过程中，飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲信号经过分束镜后分为两路，其中一路激光信号作为探测光，依次经过精密机械延时线、λ/2波片、起偏器后，从共面波导背面通过聚焦透镜聚焦至共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，该入射光束在共面波导传输线上传输的被测信号电场的作用下偏振态发生变化，偏振态改变后的光束穿过共面波导传输线，通过聚焦透镜聚焦后依次经过λ/4波片和渥拉斯顿棱镜，渥拉斯顿棱镜将入射光束的水平偏振光和垂直偏振光分开，再通过平衡光电探测器，平衡光电探测器的输出信号作为被测信号输入至锁相放大器的信号输入端。
飞秒激光脉冲经过分束镜后的另外一路光信号作为激励光，经过斩波器后，激励太赫兹脉冲信号产生器输出被测太赫兹脉冲信号。利用斩波器控制器控制斩波器的调制频率，斩波器控制器的参考信号输出端连接至锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号，如此，就可以通过锁相放大器测量出入射至共面波导传输线的光信号的偏振态变化量，从而推算出被测电场强度，通过计算机控制精密机械延时线和锁相放大器，按照一定的步进进行扫描，就可以逐点测量出被测信号的波形，之后根据太赫兹脉冲信号幅度定标结果对测得信号波形进行处理，获得被校太赫兹脉冲信号的绝对幅度。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，所使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当元件被“连接”到或“经过”另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“经过”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术、术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
低频稳幅源输出被测信号到共面波导传输线，使用飞秒激光起偏后聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中，入射的光束在被测信号电场作用下偏振态发生改变，检测偏振态的变化量为第一测试值，标定所述低频稳幅源输出信号强度为第一信号强度；
将所述低频稳幅源更换为太赫兹脉冲信号产生器，检测偏振态的变化量为第二测试值，根据第二测试值和标定关系，确定太赫兹脉冲信号产生器输出的绝对幅度。
2.如权利要求1所述太赫兹脉冲绝对幅度校准方法，其特征在于，
对所述飞秒激光进行延时，获得设定时间点的第一测试值，用于标定所述设定时间点的第一信号强度。
3.如权利要求1所述太赫兹脉冲绝对幅度校准方法，其特征在于，
控制延时线对所述飞秒激光进行延时，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述低频稳幅源和/或所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测信号的波形。
4.一种太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，用于实现权利要求1～3任意一项所述方法，其特征在于，包括共面波导传输线、平衡光电探测器、锁相放大器、飞秒激光器、机械延时线、起偏器和偏振分光器；
所述共面波导传输线，一端用于连接匹配负载，另一端用于连接所述低频稳幅源或所述太赫兹脉冲信号产生器；
所述飞秒激光器，用于产生飞秒激光脉冲信号，所述飞秒激光脉冲信号作为探测光，经过机械延时线和起偏器后，再经过聚焦透镜聚焦到所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中；
所述偏振分光器，用于将所述共面波导传输线的地电极和信号电极中间的缝隙中输出的光束分解为水平偏振光和垂直偏振光；
所述平衡光电探测器，用于比较所述水平偏振光和垂直偏振光的强度产生输出信号，经所述锁相放大器输出产生第一测量值或第二测量值。
5.如权利要求4所述太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，其特征在于，
所述偏振分光器为渥拉斯顿棱镜。
6.如权利要求4所述太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，其特征在于，
所述共面波导传输线一端通过共面转同轴微波探针连接匹配负载；另一端通过共面转同轴微波探针连接低频稳幅源或太赫兹脉冲信号产生器。
7.如权利要求4所述太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，其特征在于，
所述飞秒激光器的参考信号输出端连接所述低频稳幅源参考信号输入端；
所述低频稳幅源为锁相放大器提供参考信号。
8.如权利要求4所述太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，其特征在于，还包含斩波器和斩波控制器；
所述飞秒激光脉冲光经过分束镜后分为2路，其中一路激光信号作为探测光连接机械延时线，另一路作为激励光，经过斩波器后激励所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测太赫兹脉冲信号；
用所述斩波控制器控制斩波器的调制频率；所述斩波控制器为锁相放大器提供参考信号。
9.如权利要求4所述太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，其特征在于，还包含计算机，用于控制所述机械延时器和所述锁相放大器，按照设定的延时步进进行扫描，逐点测量出所述低频稳幅源和/或所述太赫兹脉冲信号产生器输出被测信号的波形。
10.如权利要求4所述太赫兹脉冲绝对幅度校准装置，其特征在于，还包含物镜、光纤照明光源、CCD搭建的共轴显微成像系统，用于监测共面转同轴波导探针。
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| CN202311369957.9A Pending CN117629427A (zh) | 2023-10-20 | 2023-10-20 | 一种太赫兹脉冲绝对幅度校准方法和装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117629427A (zh) |
-
2023
- 2023-10-20 CN CN202311369957.9A patent/CN117629427A/zh active Pending
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