基于主动调制脉冲非线性放大的太赫兹光谱实时分析方法与流程

本发明涉及一种基于主动调制脉冲非线性放大的太赫兹光谱实时分析方法，属于超快光电子学技术领域。

背景技术：

异步光学取样太赫兹(太赫兹)光谱分析方法是最近发展起来的具有竞争力的太赫兹光谱分析方法。其基本工作原理是将光学频率下转换至射频频率实现快速探测。利用二台重复频率精确锁定但略有差别的飞秒激光分别作为太赫兹泵浦和探测光，无需复杂的扫描即可非常方便地通过控制飞秒脉冲时延获取周期性超快光学取样，极大地缩短光谱分析的时间。

目前对激光系统中重复频率的调制主要是被动式调节，通过压电陶瓷的电致伸缩控制激光谐振腔的腔长从而控制激光器的重复频率。这种方法在应用过程中存在一些缺点：比如需要高操作电压、对工作环境要求高，长期稳定差等等。

技术实现要素：

本发明针对传统异步光学取样过程中，激光光源对环境要求高、长期稳定性差等不足，提出一种主动式调制放大制备重复频率精确锁定且有一定差值的飞秒激光光源的方法，并在此基础上完成对太赫兹光谱信息的实时分析。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于主动调制脉冲非线性放大的太赫兹光谱实时分析方法，其包括如下步骤：

S1：搭建重复频率精确锁定的第一飞秒激光光源；

S2：利用所述第一飞秒激光光源获得第一飞秒激光脉冲；

S3：利用与步骤S1和S2相同的方法搭建重复频率锁定、且重复频率与第一飞秒激光光源的重复频率有差值的第二飞秒激光光源，并利用所述第二飞秒激光光源获得第二飞秒激光脉冲；

S4：利用所述第一飞秒激光脉冲泵浦半导体天线或电光晶体，获得太赫兹脉冲；

S5：以所述第二飞秒激光脉冲为取样光，对所述太赫兹脉冲进行取样探测，实现太赫兹光谱的实时分析。

作为优选方案，所述第一飞秒激光光源和第二飞秒激光光源的搭建方法均为调制放大法。

作为优选方案，步骤S2具体包括如下操作：

将第一飞秒激光光源产生的重复频率确定的激光脉冲信号在放大激光脉冲功率后进行光谱展宽，然后依次进行非线性放大和宽光谱脉冲压缩，得到第一飞秒激光脉冲。

作为优选方案，步骤S1～S3中所使用的连续激光为同一连续激光。

作为优选方案，步骤S5中的取样探测时间由第一飞秒激光光源和第二飞秒激光光源的重复频率差值决定τ＝1/δf,其中τ为取样探测时间，δf为二飞秒激光光源的重复频率差值。

更具体地，本发明的方法包括如下步骤：

1、通过调制放大过程搭建重复频率精确锁定的飞秒激光光源，完成对激光重复频率的主动式调节。

利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出重复频率为f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t(ps量级)的电脉冲信号。将连续激光光源输出的连续激光输入强度调制器，利用产生的宽度在ps量级的电脉冲信号对强度调制器进行调制，输出重复频率与电脉冲重复频率相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号。通过调节或锁定信号源输出电信号的重复频率f，可实现对该飞秒激光重复频率的主动调节或锁定。

2、主动调制脉冲非线性放大，利用多级级联的非线性放大，实现频谱展宽。

将产生的重复频率确定的激光脉冲信号输入多级级联放大模块，放大激光脉冲功率，然后输入光谱展宽模块，得到脉冲宽度一定、功率较高、重复频率锁定且可通过改变电脉冲重复频率进行调节的激光脉冲信号。将此激光脉冲信号输入非线性放大模块，输出足够光谱宽度、能量较高的激光脉冲。

3、主动调制脉冲非线性放大后的宽光谱脉冲压缩，获得飞秒激光脉冲。

频谱展宽放大后的脉冲，输入脉宽压缩装置，得到脉冲宽度在飞秒(fs)量级、重复频率确定的飞秒激光。

4、利用同步骤1～3相同的方式，搭建重复频率精确锁定，且与步骤1～3中的激光重复频率有差值δf的飞秒激光光源。

5、确保步骤1～3与步骤4所使用的连续激光是来自同一连续激光。这可以通过同一连续激光(窄或超窄谱线宽度的单纵模激光，如窄谱线的单纵模半导体激光)分束来实现，这样飞秒脉冲产生装置(步骤1～3和步骤4)输出重复频率分别是f和f+δf的飞秒脉冲，二个不同重复频率的飞秒激光的载波包络相位都自动一致地跟随连续激光的频率。

6、利用步骤1～3中得到的飞秒激光光源泵浦半导体天线或电光晶体，产生太赫兹脉冲。

7、步骤4得到的重复频率为(f+δf)的飞秒激光光源作为取样光，对步骤3中的太赫兹脉冲进行取样探测。该取样探测时间由二台飞秒激光光源重复频率差值δf决定，实现对太赫兹光谱实时分析。

8、由于飞秒产生装置(步骤1～3和步骤4)能自动确保二个不同重复频率的飞秒激光的载波包络相位都自动一致地跟随连续激光的频率，无需对驱动太赫兹产生的飞秒脉冲(重复频率为f)、太赫兹异步取样的飞秒脉冲(重复频率为f+δf)，实施载波包络相位的操控，即可实现高精度的太赫兹异步取样。

9、主动调制非线性放大(步骤1～3和步骤4)也可在同一光放大的链路中完成，这样可以进一步减低放大过程的噪声，确保二个不同重复频率的飞秒激光在放大过程中经历相同的载波包络相位漂移。

10、同一光放大链路产生的二个不同重复频率的飞秒激光泵浦半导体天线或电光晶体，产生二个不同重复频率的太赫兹频率梳，即重复频率分别是f和f+δf的太赫兹频率梳，其载波位相为0。其太赫兹频率梳的取样，可以用重复频率为f的飞秒脉冲实现拍频信号取样，完成光学异步取样探测和太赫兹频谱分析。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

利用主动式电光调制作用完成激光光源重复频率的锁定及调节，在此基础上通过控制飞秒激光脉冲时延获取周期性超快光学取样，实时获取太赫兹光谱分析。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明技术方案的方法流程的图；

图2为本发明的方法的探测原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，飞秒脉冲产生装置01输出重复频率为f，脉冲宽度在fs量级的飞秒激光脉冲。其中，101为电脉冲产生模块，其中利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T＝1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t(ps量级)的电脉冲信号。102为连续激光光源，输出连续激光到103强度调制器，强度调制器103由电脉冲产生装置101输出的ps量级电脉冲信号调制，从而得到脉冲宽度与电脉冲宽度相似、重复频率与信号源输出频率一致的激光脉冲信号。连续激光光源104、107，波分复用器105、108，增益光纤106、109组成多级级联放大模块，对强度调制器103输出的激光脉冲进行放大。放大后的激光脉冲输入光谱展宽模块110，展宽光谱。然后输入由连续激光光源111、波分复用器112、非线性增益光纤113组成的非线性放大模块，对激光功率进一步放大。最后将激光脉冲输入脉宽压缩模块114，实现对激光脉宽压缩，得到脉冲宽度在fs量级的激光光源。该fs激光光源重复频率精确锁定为f。

图1中，与01装置中的过程相同，飞秒脉冲产生装置02输出重复频率为f+δf，脉冲宽度在fs量级的飞秒激光脉冲。装置02输出的飞秒激光脉冲与装置01输出的飞秒激光脉冲重复频率相差δf，该差值由电脉冲产生装置201中的信号源输出频率调节。101与201需要来源于同一连续激光器,这可以通过同一连续激光分束来实现，这样飞秒脉冲产生装置01和02输出重复频率分别是f和f+δf的飞秒脉冲，二个不同重复频率的飞秒激光的载波包络相位都自动一致地跟随连续激光的频率，连续激光可选用窄或超窄谱线宽度的单纵模激光、如窄谱线的单纵模半导体激光。

图1中，03为太赫兹产生装置，可以是光电导天线或电光晶体。装置01输出的飞秒激光作用到太赫兹产生装置03，产生太赫兹脉冲。

图1中，04为太赫兹收集模块，由一对镀金离轴抛物面镜组成，完成对太赫兹波的收集作用。

图1中，05为太赫兹探测装置，由光电导天线501和数据采集模块502组成。装置02输出的飞秒激光脉冲作用到光电导天线501，作为太赫兹波取样光。取样得到的数据由502采集并输出，得到太赫兹光谱信息。

如图2，重复频率为f的飞秒激光泵浦驱动产生太赫兹脉冲01，该太赫兹脉冲的重复频率与飞秒激光的重复频率一致，均为f。重复频率为(f+δf)的飞秒激光作为太赫兹探测的取样脉冲02，其中，δf<<f。在时域上，其脉冲间隔差别δT＝T/s，其中T＝1/f是太赫兹脉冲的脉冲间隔，s＝f/δf一般设定为一个很大的数(以s＝10⁴～10⁶为例)，这相当于每隔δT的时间实施一次光学取样，共实施N＝T/2δT＝s/2次光学取样完成一个取样周期，整个取样周期为T_s＝NT～Ts/2，在频域上，共有s/2个异步光学取样的频谱取样点，每个取样点的频率等效于频率为ω＝fs的光频，共覆盖Δω＝fs/2的频谱范围。以f～1GHz的重复频率、δf～100kHz重频间隔为例，完成一个异步光学取样周期的时间为T_s＝1ns×10⁴/2＝5μs，其频谱覆盖范围为Δω＝fs/2～5太赫兹，即可在5μs的周期里实现0～5太赫兹频谱扫描(共有5000个光学取样点)。03为通过异步取样采集到太赫兹时域图，通过傅里叶变换得到04太赫兹光谱信息，从而完成太赫兹光谱信息实时分析。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。