基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲时域测量方法和系统与流程

本发明涉及超快信号测量领域，特别涉及基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲时域测量方法和系统。

背景技术：

随着激光脉冲持续时间的进一步减少，研究者不断探索出如自相关技术、色散傅里叶变换技术、时间透镜技术、频率分辨光学开关技术和光谱相位相干直接电场重构法等超快脉冲测量技术，以分析超快脉冲的时域、频域和相位等重要信息。

其中，时间透镜技术通过类比空间透镜系统，将超快脉冲在时域上进行放大，避免现有电子设备采样率不足的问题，实现超快脉冲实时时域测量，具有实时性好、时域分辨率高等优势，备受科研工作者的青睐(ieeej.quantumelect.30,1951-1963(1994))。然而由于色散平坦度的限制，非线性参量过程只有约20nm的测量带宽，限制了泵浦带宽。

因此，本发明提出的一种基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲实时时域测量的方法和系统，为大光谱带宽超快脉冲测量提供一种有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是实现基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲实时时域测量的方法和系统，在传统技术的基础上突破色散平坦度导致的带宽限制。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲时域测量方法，主要包括以下步骤：

a、重复频率为f的一待测信号光脉冲经过输入端色散部件形成探测光；

b、激光器生产重复频率为f、大光谱带宽δλ的脉冲光，通过振幅调制器采样，将重复频率从f降为f/n，n为正整数；

c、重复频率为f/n的脉冲光源经过泵浦端色散部件形成泵浦光，再通过光谱分光部件分光在频域上将泵浦光分成n路，每一路包括不同的δλ/n的光谱成分信号；

d、其中的一路光谱成分信号不经时延，另外n-1路光谱成分信号通过不同时延，再将上述分路进行合束，产生重复频率为f的时频复用泵浦光；

e、时频复用泵浦光和探测光通过光学合束部件合束进入高非线性介质，通过非线性参量过程，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制，得到时频复用的闲频光；

f、时频复用的闲频光被光学滤波器滤出后，通过输出端色散部件，得到时域放大信号；

g、时域放大信号通过数据采集与处理部件重构处理，得到待测脉冲的完整时域信息，实现大带宽超快脉冲的实时时域测量。

进一步地，所述大光谱带宽为δλ＞20nm，则n＝[(δλ/20)向上取整]。

实现所述的基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲时域测量方法的系统，包括输入端色散部件、激光器、振幅调制器、信号发生器、泵浦端色散部件、光谱分光部件、n个时延部件、光学合束部件、高非线性介质、光学滤波器、输出端色散部件、数据采集与处理部件；

所述激光器、振幅调制器、泵浦端色散部件、光谱分光部件、时延部件、光学合束部件、高非线性介质、光学滤波器、输出端色散部件、数据采集与处理部件依次连接；

待测信号通过输入端色散部件输入光学合束部件，输入端色散部件对所述待测信号施加色散形成探测光；

所述激光器产生具有大光谱带宽的超短脉序列脉冲光源作为泵浦脉冲；

所述振幅调制器，用于对待测脉冲进行采样，实现降频处理；

所述信号发生器与振幅调制器连接，用于对所述振幅调制器产生调制信号；

所述泵浦端色散部件对所述泵浦脉冲施加色散，形成泵浦光；

所述光谱分光部件包括若干个波分复用器，用于将所述泵浦光分成n路信号，其中一路不经时延部件延迟，若干个波分复用器的n个输出端与n个时延部件一一对应连接；

所述时延部件，用于对信号产生特定的时间延迟；

所述光学合束部件，用于将多路信号进行合束；

所述高非线性介质为所述探测光和所述泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；

所述光学滤波器将所述非线性参量过程产生的闲频光滤出；

所述输出端色散部件对所述闲频光进行压缩，得到所述时域放大信号；

所述数据采集与处理部件包括高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，对所述闲频光进行实时数据采集和信号重构处理，结合所述时域放大倍数分析得到所述待测信号的完整时域信息。

进一步地，所述光学合束部件为光纤耦合器。

进一步地，所述高非线性介质为高非线性光纤。

进一步地，所述输入端色散部件、泵浦端色散部件、输出端色散部件均为色散光纤。

进一步地，对于任意n值，所述时延部件共有n＝n-1个，所述第n个时延部件使分路脉冲产生n/f的时延。

进一步地，所述处理终端为计算机设备。

本发明系统包括但不限于在超快测量、超快成像领域的应用。

本发明通过利用时频复用的方法让不同波长范围的泵浦光分别与待测信号光产生非线性作用，保证了系统的测量带宽和实时性，实现大带宽超快脉冲时域实时测量。

与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明的系统突破传统时域测量方法中色散平坦度的限制，将原本非线性参量过程只有约20nm的泵浦带宽提高，实现大泵浦带宽时域实时测量。

2.本发明的系统为超快脉冲时域实时测量提供了一种可行的方案。

附图说明

图1为本发明基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲实时时域测量系统结构示意图；

图2为本发明具体实施例中泵浦光时频复用过程的时域示意图；

图3为本发明具体实施例中泵浦光时频复用过程的频域示意图。

具体实施方式

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。

基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲时域测量方法，包括以下步骤：

a、重复频率为f的一待测信号光脉冲经过输入端色散部件1形成探测光；

b、激光器2生产重复频率为f的脉冲光源，脉冲光源为具有大光谱带宽δλ的脉冲光，通过振幅调制器3采样，将重复频率从f降为f/n，n为正整数；

c、重复频率为f/n的脉冲光源经过泵浦端色散部件5形成泵浦光，再通过光谱分光部件6分光在频域上将泵浦光分成n路，每一路包括不同的δλ/n的光谱成分信号；

d、其中的一路光谱成分信号不经时延，另外n-1路光谱成分信号通过不同时延，再将上述分路进行合束，产生重复频率为f的时频复用泵浦光；

e、时频复用泵浦光和探测光通过光学合束部件9合束进入高非线性介质10，通过非线性参量过程，泵浦光对探测光施加时域上的周期性二次相位调制，得到时频复用的闲频光；

f、时频复用的闲频光被光学滤波器11滤出后，通过输出端色散部件12，得到时域放大信号；

g、时域放大信号通过数据采集与处理部件13重构处理，得到待测脉冲的完整时域信息，实现大带宽超快脉冲的实时时域测量。

在一个具体实施例中，所述待测信号的重复频率f＝30mhz，脉冲光源产生的泵浦光脉冲重复频率同样为30mhz，光谱宽度为δλ＝60nm，n＝[(δλ/20)向上取整]＝3，则所述信号发生器生成频率为f/3＝10mhz的方波信号，通过所述振幅调制器将待测信号的重复频率从30mhz降频为10mhz。

图1所示，实施基于时频复用的大泵浦带宽超快脉冲时域测量方法的系统，包括输入端色散部件1、激光器2、振幅调制器3、信号发生器4、泵浦端色散部件5、光谱分光部件6、第一时延部件7、第二时延部件8、光学合束部件9、高非线性介质10、光学滤波器11、输出端色散部件12、数据采集与处理部件13；

所述数据采集与处理部件13包括高速光电探测器、高速采样器件和处理终端，对所述闲频光进行实时数据采集和信号重构处理，结合所述时域放大倍数分析得到所述待测信号的完整时域信息，所述高速光电探测器、高速采样器件和处理终端依次连接。

所述输入端色散部件1、光学合束部件9、高非线性介质10、光学滤波器11、输出端色散部件2、高速光电探测器依次连接；激光器2、振幅调制器3、泵浦端色散部件5、光谱分光部件6、第一时延部件7、光学合束部件9依次连接；所述信号发生器4与振幅调制器3连接对所述振幅调制器3产生调制信号；所述光谱分光部件6、第二时延部件8与光学合束部件9依次连接。

所述光学合束部件9为光纤耦合器；所述高非线性介质10为高非线性光纤所述输入端色散部件1、泵浦端色散部件5、输出端色散部件12均为色散光纤。所述时延部件为光纤。所述光谱分光部件6包括2个波分复用器，用于将泵浦光分成3路信号，其中一路不经时延部件延迟，2个波分复用器形成的其中2个输出端与2个时延部件(第一时延部件7、第二时延部件8)一一对应连接。

如附图所示，图2为泵浦光时频复用过程的时域示意图，图3为泵浦光时频复用过程的频域示意图，图3中λ表示波长。

降频后的脉冲光经过泵浦端色散部件5形成泵浦光，再通过光谱分光部件6分光在频域上将泵浦光分成三路，分别为a、b、c三路，每一路包括不同的δλ/3＝20nm的光谱成分。所述第一时延部件7和第二时延部件8均为光纤，第一时延部件7使b路的脉冲信号产生1/f的时间延迟，第二时延部件8使c路的脉冲信号产生2/f的时间延迟，其中a路信号不进行时间延迟。所述光学合束部件9为光纤耦合器，将a、b、c三路信号合束，从而得到重复频率为f的时频复用泵浦光。

所述高非线性介质为高非线性光纤，所述时频复用泵浦光使其不同光谱成分依次与待测信号脉冲在高非线性部件中进行四波混频，产生时频复用的闲频光。

所述输入端色散部件1、泵浦端色散部件5、输出端色散部件12均为色散光纤，所述输入端色散光纤的色散量din、所述泵浦端色散光纤的色散量df、所述输出端色散光纤的色散量dout满足如下成像关系式：

根据时空二元性，可以推到出闲频光与待测信号光之间的关系：

其中，t表示时间，m为时域放大信号的放大倍数：

所述光学滤波器12为将闲频光滤出，将探测光和泵浦光滤除，再经过输出端色散部件13，最终得到待测信号的完整时域放大信号，通过数据采集与处理部件14，结合时域放大倍数m，可得到待测信号的时域信息，实现具有大光谱带宽超快脉冲的实时时域测量。

上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。