本发明涉及单频光纤激光器领域，尤其涉及一种基于单光子探测的对单频光纤激光器运转过程中纵模跳变现象进行在线实时监测的系统。
背景技术：
单频光纤激光器因其具有窄线宽，低噪声等性能，在相干光通信，大气遥感和高分辨光谱分析等领域有广泛的应用前景。目前，通过对单频光纤激光器的腔型结构设计以及高掺杂光纤的研制，实现了单频光纤激光器在1μm，1.5μm和2μm波段的覆盖。但在实际应用中，单频光纤激光器长时间运转时偶发的跳模现象，将破坏单频源的高相干性，并增加激光器的相位噪声，成为了单频光纤激光器广泛应用的严重制约因素。因此，对单频光纤激光器的跳模现象进行在线实时检测，是单频光纤激光器研究的重要问题，也是评价单频光纤激光器性能的重要手段。
目前已有的纵模监测主要有F-P干涉仪扫描法(本领域技术人员所公知)、延时零拍法等。
1、F-P干涉仪扫描法是一种常用的纵模特性监测，通过直接扫描F-P腔的方式来监测跳模的频移方向，但常用F-P干涉仪的分辨率只能达到MHz量级，同时扫描周期较长而无法实现实时监测。
2、延时零拍法在测量单频光纤激光器的线宽同时，通过检测拍频信号来判断单频光纤激光器的频移和跳模特性，劣势在于，测试系统通常需要使用几十公里的延迟光纤来消除两路拍频信号的相干性，导致测试结果的稳定性和准确性较差，同时因需要光电检测放大等装置，增加了测试系统的复杂性。
技术实现要素：
本发明提供了一种基于单光子探测的单频光纤激光器跳模监测系统，本发明通过监测单光子探测系统的转换效率，实现对单频光纤激光器跳模特性的实时监测，满足了实际应用中的多种需要，详见下文描述：
一种基于单光子探测的单频光纤激光器跳模监测系统，由频率上转换系统、滤波去噪系统和单光子探测系统组成，
所述频率上转换系统包括：单光子光源、待测单频光纤激光器、偏振控制器、波分复用器和周期极化铌酸锂波导；
所述滤波去噪系统包括：准直透镜、二向色镜、短波通滤波片、长波通滤波片和体布拉格光栅；
所述单光子探测系统包括：聚焦透镜和硅雪崩光电二极管探测器；
所述单光子光源与所述待测单频光纤激光器分别经所述偏振控制器，进入波分复用器；所述偏振控制器用于控制两束光的偏振状态；
由所述波分复用器输出的两束光，经单模光纤耦合进入所述周期极化铌酸锂波导中，通过非线性和频过程，产生可探测的和频光；所述和频光由所述准直透镜准直后，经所述二向色镜滤去剩余泵浦光，并经所述短波通滤波片和长波通滤波片，滤去所述泵浦光在所述周期极化铌酸锂波导中产生的二次谐波和三次谐波；
所述体布拉格光栅用于实现窄带滤波，有效降低泵浦光产生的拉曼噪声；所述和频光经前述滤波处理后，通过所述聚焦透镜聚焦于所述硅雪崩光电二极管探测器进行探测，通过实时监测和分析探测信号得到所述单频光纤激光器的跳模特性：
当没有模式跳变发生时，单光子探测系统的转换效率为一稳定值，监测的探测信号为直流信号；
当所述待测单频光纤激光器发生跳模时，单光子探测系统转换效率发生快速变化，前述探测信号为明显起伏的振荡信号。
进一步地，所述周期极化铌酸锂波导的两端镀泵浦光、信号光以及和频光增透膜，输入端使用单模光纤耦合，且只允许信号光和泵浦光的基横模通过。
进一步地，所述准直透镜和所述聚焦透镜镀和频光增透膜。所述二向色镜镀泵浦光增透、和频光反射膜。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过利用待测单频光纤激光器作为泵浦光，与作为信号光的单光子光源进行和频上转换，经过一系列的滤波去噪处理，最终进入硅雪崩光电二极管探测器进行单光子计数；通过检测单光子探测系统的转换效率实现对单频光纤激光器跳模特性的实时监测。
相比于传统的F-P干涉仪扫描法，依靠于单光子探测系统对转换效率的高灵敏度，本发明对跳模监测具有较高的分辨本领；此外，相对于延时零拍法，本发明提供的监测系统结构简单，不需要复杂的信号解调系统，易于实施且成本可控。
附图说明
图1为基于单光子探测的单频光纤激光器跳模监测系统的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：单光子光源；2：待测单频光纤激光器；
3：第一偏振控制器；4：第二偏振控制器；
5：波分复用器；6：周期极化铌酸锂波导；
7：准直透镜；8：二向色镜；
9：短波通滤波片；10：长波通滤波片；
11：体布拉格光栅；12：聚焦透镜；
13：硅雪崩光电二极管探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的技术原理是基于红外光信号的单光子探测技术，通过监测单光子探测系统的转换效率，实现对待测单频光纤激光器跳模特性的实时监测。在单光子探测领域，因硅雪崩二极管单光子探测器对可见光波段信号的探测具有探测效率高，暗计数低等优点，可以利用在周期极化铌酸锂波导中的非线性和频过程，将红外波段的单光子信号上转换成为可见光进行探测。该上转换单光子探测过程对泵浦光的单纵模稳定运转特性具有较高要求，泵浦光的多纵模运转以及跳模现象的发生，将严重降低单光子探测的转换效率(PelcJS,ShentuGL,ZhangQ,etal.Up-conversionofopticalsignalswithmulti-longitudinal-modepumplasers[J].PhysicalReviewA,2012,86(3):033827)。
实施例1
为了实现对单频光纤激光器的跳模特性的在线、实时和高灵敏度监测，本发明实施例提供了一种基于单光子探测的单频光纤激光器跳模监测系统，参见图1，该单频光纤激光器跳模监测系统由频率上转换系统、滤波去噪系统以及单光子探测系统组成。
其中，频率上转换系统包括：单光子光源1、待测单频光纤激光器2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4、波分复用器5和周期极化铌酸锂波导6；
滤波去噪系统包括：准直透镜7、二向色镜8、短波通滤波片9、长波通滤波片10和体布拉格光栅11；
单光子探测系统包括：聚焦透镜12和硅雪崩光电二极管探测器13。
其中，单光子光源1作为非线性和频的信号光；待测单频光纤激光器2作为非线性和频的泵浦光；周期极化铌酸锂波导6的两端镀泵浦光、信号光以及和频光增透膜，输入端使用单模光纤耦合，且只允许信号光和泵浦光的基横模通过；准直透镜7和聚焦透镜12镀和频光增透膜；二向色镜8镀泵浦光增透、和频光反射膜。
单光子光源1与待测单频光纤激光器2分别经第一偏振控制器3和第二偏振控制器4(即，单光子光源1经第一偏振控制器3，待测单频光纤激光器2经第二偏振控制器4)，进入波分复用器5；第一偏振控制器3和第二偏振控制器4分别用于控制两束光的偏振状态，以便在周期极化铌酸锂波导6中达到良好的相位匹配条件。
由波分复用器5输出的两束光，经单模光纤耦合进入周期极化铌酸锂波导6中，通过非线性和频过程，产生可探测的和频光；和频光由准直透镜7准直后，经二向色镜8滤去剩余泵浦光，并经短波通滤波片9和长波通滤波片10，滤去泵浦光在周期极化铌酸锂波导6中产生的二次谐波和三次谐波；体布拉格光栅11用于实现窄带滤波，有效降低泵浦光产生的拉曼噪声。
和频光经前述滤波处理后，通过聚焦透镜12聚焦于硅雪崩光电二极管探测器13进行探测，通过实时监测和分析探测信号得到待测单频光纤激光器2的跳模特性：当没有模式跳变发生时，单光子探测系统的转换效率为稳定值，监测的探测信号为直流信号；当待测单频光纤激光器2发生跳模时，单光子探测系统的转换效率发生快速变化，前述探测信号为明显起伏的振荡信号。
综上所述，本发明实施例通过利用待测单频光纤激光器作为泵浦光，与作为信号光的单光子光源进行和频上转换，经过一系列的滤波去噪处理，最终进入硅雪崩光电二极管探测器进行单光子计数；通过检测单光子探测系统的转换效率实现对单频光纤激光器跳模特性的实时监测。
实施例2
下面结合图1给出本发明实施例提供的一种基于单光子探测的单频光纤激光器跳模监测系统的一个具体实施例，详见下文描述：
如图1所示，单光子光源1为1550nm单光子光源，待测单频光纤激光器2为1950nm单频光纤激光器。二者偏振态分别通过第一偏振控制器3和第二偏振控制器4调整后，接入1550/1950nm波分复用器5，波分复用器5将泵浦光和信号光合为一束，输入到周期极化铌酸锂波导6中。
周期极化铌酸锂波导6的极化周期19.6μm，工作温度60℃下对应的和频光波长为863.57nm，波导两端镀有1550nm、1950nm以及和频光增透膜，输入端采用单模光纤耦合。短波通滤波片9用于滤除泵浦光二次谐波975nm噪声，长波通滤波片10用于滤除泵浦光三次谐波650nm噪声。体布拉格光栅中心波长为863.57nm，滤波带宽为0.05nm。
和频光经前述滤波处理后，通过聚焦透镜12聚焦于硅雪崩光电二极管探测器13进行探测，通过实时监测和分析探测信号得到待测单频光纤激光器2的跳模特性：当没有模式跳变发生时，单光子探测系统的转换效率为稳定值，监测的探测信号为直流信号；当待测单频光纤激光器2发生跳模时，单光子探测系统的转换效率发生快速变化，前述探测信号为明显起伏的振荡信号。
综上所述，本发明实施例通过利用待测单频光纤激光器作为泵浦光，与作为信号光的单光子光源进行和频上转换，经过一系列的滤波去噪处理，最终进入硅雪崩光电二极管探测器进行单光子计数；通过检测单光子探测系统的转换效率实现对单频光纤激光器跳模特性的实时监测。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。