專利名稱：利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高頻率低強度光信號脈沖序列的測量，特別是一種利用 啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置，它是利用寬頻譜的啁啾脈沖激光作
為探針，采用光譜檢測的方法對高頻(太赫茲，Terahertz,以下簡稱THz)號
脈沖序列的測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，可視電話，高清電視等即時通信流量 越來越大，動輒需要上GB的數(shù)據(jù)，對信號傳輸速度的需求與日俱增。高速光 信號采樣的重要性及要求不斷提高。而目前城市節(jié)點之間的數(shù)據(jù)帶寬約有數(shù) 百GB，很快就將落后于實際需求。提高兩地之間信號傳輸速度的方法主要有 增加光纖對數(shù)和波分復用等。由于頻率帶寬限制，從80年代開始重新興起時 分復用技術(shù)。
鑒于目前的波分復用局限于傳輸階段，我們曾提出一種將波分復用拓展 到檢測階段的光速光脈沖檢測技術(shù)[楊明劉建勝的"利用啁啾脈沖頻譜測量太 赫茲(簡稱為THz)脈沖序列的方法"專利申請?zhí)?00610026731.9]。由于 超短脈沖激光本身有很寬的頻譜，通過啁啾技術(shù)可以將不同的頻率成分在時 域進行調(diào)制獲得一很好的線性啁啾脈沖，使激光的時域信息能夠在頻域得到 體現(xiàn)。利用超短脈沖具有寬頻譜這一特點，采用頻譜干涉或是調(diào)制的方法， 可以對THz脈沖進行高時間分辨的實時測量。在該方法中，我們利用晶體的 光克爾效應(yīng)或者泡克耳斯效應(yīng)將信號光與探測光進行耦合，由于這些都是三 階非線性效應(yīng)，對信號光的能量要求較高。
發(fā)明內(nèi)容
為了改進對高頻信號脈沖序列進行實時采樣方法，我們提出一種利用啁 啾詠沖測量高頻信號脈沖序列的裝置，以大大降低對高頻信號脈沖的能量要求。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下-
一種利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置，其構(gòu)成包括第一分 束片、光柵對、第二分束片、反射鏡、非線性晶體、第一光譜儀、第二光譜 儀，其位置關(guān)系如下在超短脈沖激光的光路上設(shè)有第一分束片和光柵對， 由光柵對返回的啁啾脈沖光經(jīng)所述的第一分束片反射的光路上設(shè)置第二分束 片，返回的啁啾脈沖光被第二分束片分為反射和透射兩束啁啾脈沖光，在該 第二分束片反射的啁啾脈沖光方向是第一光譜儀，在待測髙頻信號脈沖序列 的輸入方向有一非線性晶體，所述的第二分束片透射的啁啾脈沖光經(jīng)所述的 反射鏡的反射后，在所述的非線性晶體內(nèi)與所述的待測高頻信號脈沖序列相 互作用后進入第二光譜儀。
所述的第一分束片是對所述的超短脈沖激光高透，而對所述的啁啾脈沖 光高反射的分束片。
所述的第二分束片是對所述的啁啾脈沖光半透半反的分束片。
所述的非線性晶體為BBO晶體。
利用上述裝置進行啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的方法，包括下列步
驟
① 一束超短脈沖激光經(jīng)過光柵對展寬為脈寬為數(shù)百皮秒的線性啁啾激光 束，作為探測光，利用第二分束片的反射光束提取一部分能量，輸入第一光 譜儀測量其光譜作為參考
② 將從第二分束片透射的啁啾探測光與待測的高頻信號脈沖序列同時射 入非線性晶體中，由于參量放大效應(yīng)，能量在入射的啁啾探測光，高頻信號 脈沖序列以及在此過程中產(chǎn)生的閑頻光中交換，在有高頻信號脈沖的地方啁 啾光有能量損失，在無高頻信號脈沖的位置啁啾光基本無損透射；
③ 從非線性晶體透射的啁啾探測光入射到第二光譜儀進行測量，得到光 參量放大后的啁啾探測光光譜；
④ 將第一光譜儀和第二光譜儀分別得到的結(jié)果進行比較，即可得到高頻
信號脈沖導致的啁啾探測光的能量變化，反演出被測的高頻信號脈沖序列。
簡單地說，本實用新型主要是利用光參量放大(Optical Parameter Amplify,
以下簡稱OPA)過程中泵浦光與信號光的能量交換，使信號光與探測光進行耦 合，由于OPA過程是二階非線性效應(yīng)，所以對信號光的能量要求將大大降低。 本實用新型的特點是-
1、 采用啁啾脈沖THz序列檢測技術(shù)可以大大提高高頻光信號的識別速 度。由于是單次識別，所以可以進行高速連續(xù)采樣，采樣頻率高達THz。
2、 本實用新型使用的是光譜測量法，在光譜儀端可以進行多通道同步測 量，可以利用已有的低速采樣設(shè)備，有效利用已有資源技術(shù)。
3、 本實用新型第一次把波分復用方式從傳輸過程拓展到檢測過程。
4、 本實用新型由于采用OPA技術(shù)，對信號光能量要求低，可以用于測
量非常微弱的信號。
5、 本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，容易實現(xiàn)。極大的提高了信號檢測 速度并降低對信號強度的要求。 一次性即可測量出高達THz速率的微弱脈沖序列。


圖1是本實用新型利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置示意圖。 圖2.為待測的初始高速脈沖序列波形圖 圖3為初始啁啾探測脈沖圖
圖4為調(diào)制后的啁啾探測脈沖(為使調(diào)制效果明顯，圖中k為0.3)
圖5為經(jīng)反演得到的高速脈沖序列波形
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本 實用新型的保護范圍。
先請參閱圖1,圖1是本實用新型利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的 裝置示意圖。由圖可見，本實用新型利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的
裝置，其構(gòu)成包括第一分束片2、光柵對3、第二分束片4、反射鏡6、非 線性晶體7、第一光譜儀8、第二光譜儀9，其位置關(guān)系如下在超短脈沖激 光1的光路上設(shè)有第一分束片2和光柵對3，由光柵對3返回的啁啾脈沖光經(jīng) 所述的第一分束片2反射的光路上設(shè)置第二分束片4，返回的啁啾脈沖光被第 二分束片4分為反射和透射兩束啁啾脈沖光，在該第二分束片4反射的啁啾 脈沖光方向是第一光譜儀8，在待測高頻信號脈沖序列5的輸入方向有一非線 性晶體7，所述的第二分束片4透射的啁啾脈沖光經(jīng)所述的反射鏡6的反射后， 在所述的非線性晶體7內(nèi)與所述的待測高頻信號脈沖序列5相互作用后進入 第二光譜儀9。
所述的第一分束片2是對所述的超短脈沖激光1高透，而對所述的啁啾 脈沖光高反射的分束片。
所述的第二分束片4是對所述的啁啾脈沖光半透半反的分束片。 所述的非線性晶體7為BBO晶體。
一種利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的方法，其特征在于包括下列
步驟
① 一束超短脈沖激光1經(jīng)過光柵對3展寬為脈寬為數(shù)百皮秒的線性啁啾 激光束，作為探測光，利用第二分束片4的反射光束提取一部分能量，輸入 第一光譜儀8測量其光譜作為參考；
② 將從第二分束片4透射的啁啾探測光與待測的高頻信號脈沖序列5同 時射入非線性晶體7中，由于參量放大效應(yīng)，能量在入射的啁啾探測光，高 頻信號脈沖序列5以及在此過程中產(chǎn)生的閑頻光中交換，在有高頻信號脈沖 的地方啁啾光有能量損失，在無高頻信號脈沖的位置啁啾光基本無損透射；
③ 從非線性晶體7透射的啁啾探測光入射到第二光譜儀9進行測量，得 到光參量放大后的啁啾探測光光譜；
④ 將第一光譜儀8和第二光譜儀9分別得到的結(jié)果進行比較，即可得到 高頻信號脈沖導致的啁啾探測光的能量變化，反演出被測的高頻信號脈沖序 列。
下面對本實用新型的實質(zhì)即強度重構(gòu)的解析方法加以描述。
如圖2所示是探測光傳播的示意圖。探測激光波形可以認為是在時間和 空間上都是高斯分布的，在時域探測光被展寬為一線性啁啾脈沖，例如從一 50飛秒(femtosecond,以下簡稱fs)的超短脈沖展寬到300ps。光場振幅可 以寫為
￡p (/) = exp(- & - - ~)
其中2a為探測激光的啁啾系數(shù)，w。為探測激光的中心頻率，7;與探測激光
的脈寬有關(guān)。
假設(shè)入射THz的信號光脈沖序列，簡稱為高頻信號光為
這里的特征時間V^Ar為脈沖全高半寬，2Ar為信號脈沖序列中相鄰兩
個脈沖之間的時間間隔，該信號脈沖序列由一系列在時間上有延遲的脈沖組成。
根據(jù)入射信號光的能量選擇適當?shù)姆蔷€性晶體7的長度和探測光能量，
使得探測光與信號光的能量轉(zhuǎn)移將與信號光和探測光的能量成正比，經(jīng)過非
線性晶體7之后，探測光場的振幅可以寫為
其中r為信號光與探測光之間的時間延遲。信號光中單個脈沖的時間寬度遠 小于探測光脈沖的寬度，如幾個皮秒。k為非線性晶體的非線性調(diào)制系數(shù)，它 的大小與信號光對探測光的調(diào)制深度有關(guān)，取決于許多因素，例如信號光與 探測光初始強度、調(diào)制長度以及群速匹配等。通過適當調(diào)節(jié)，可以得到一個 合適的調(diào)制系數(shù)。
光譜儀測量得到的光譜強度信號為經(jīng)過光譜儀響應(yīng)函數(shù)調(diào)制之后的光譜
<formula>formula see original document page 8</formula>由于探測光與信號光的脈沖寬度遠大于光波的振蕩周期，所以相位因子 7("/2-w。/)可以認為是快變化，而在積分過程中振蕩消除。僅頂點處對積分有
貢獻，亦即/ ,=
i時積分不為零。得到:
<formula>formula see original document page 8</formula>其中為光譜儀響應(yīng)函數(shù)。則有無THz光脈沖序列所得的光譜強度之
差歸一化為V(w)=.
(2)
選擇光譜分辨率遠小于2V^aAr (—般為大于O.lnm量級)的光譜儀，則 g(w-^)可以認為是一^函數(shù)(現(xiàn)在光譜儀分辨率一般均小于0.05nm，完全
可以滿足要求)。同時，如果選取的啁啾脈沖的啁啾系數(shù)2a足夠大且k<l， 通過計算上式可以近似簡化為
此時d測量量,V(w)與輸入量f,^(/)成正比。如此可從W(w)反演出從 而得到￡^(0所攜帶的信息，下面分析該方法可達到的信號分辨速度。
于是光譜儀測得的強度之差隨頻率的變化可以簡化為
<formula>formula see original document page 8</formula>4
從而反演出強度隨時間的變化，為
<formula>formula see original document page 8</formula>。
可以看出」V(r)的形式與￡m.(r)類似，但是間隔時間由變?yōu)?br> A「""1"l^~~^T。當啁啾脈沖激光的啁啾系數(shù)"增加的時候，波形失真
也會減少，這也意味著脈沖檢測分辨率的提高。若以最后反演所得信號在無 信號處的最大光強不超過有信號處的最小光強為最小分辨閾值，則有
A7^V^T^，即該方法對信號的時間分辨率為A7;、-V^7^。對于由10fs 無啁啾激光脈沖展寬得到100ps啁啾激光脈沖，其最小分辨率約為0.84ps。
具體實施例
一束高頻信號脈沖序列(如圖2所示)入射至晶體內(nèi)，其振動方程為
i; exp(-^=^)
"-1，3，4 1
其攜帶的信息為U， 0, 1， 1)，脈沖半高全寬為>&1 5，相鄰兩脈沖序列
間隔為2ps。另外一束由中心波長為800nm，脈寬10fs展寬為100ps的線性啁
啾激光(圖3)同時射入，其與脈沖序列的延遲為O。其方程為
/2 ， ^^-y 375,)
假設(shè)OPA過程的調(diào)制系數(shù)k-0.03，則耦合后的啁啾光脈沖(圖4)方程為
f〃(0"xp(-y,2-"75f)(l + 0.03 Z exp(-^^1))
則有無THz光脈沖序列所得的光譜強度之差為；
;V( ) = 0.0009 X exp(- 375，-2")2 ) "=化41002 +1
1002 +1 + 1002
反演得到A'(,)"扁9 S exp(一(卜，)
從波形(圖5)上可看出分別在2， 4， 6， 8ps的位置處，這些位置處的強度 相對于單個脈沖的強度的一半來說分別有超過與低于的關(guān)系，即可得到原脈 沖序列攜帶信息為(1.0,1,1)。
權(quán)利要求1、一種利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置，特征在于其構(gòu)成包括第一分束片(2)、光柵對(3)、第二分束片(4)、反射鏡(6)、非線性晶體(7)、第一光譜儀(8)、第二光譜儀(9)，其位置關(guān)系如下在超短脈沖激光(1)的光路上設(shè)有第一分束片(2)和光柵對(3)，由光柵對(3)返回的啁啾脈沖光經(jīng)所述的第一分束片(2)反射的光路上設(shè)置第二分束片(4)，返回的啁啾脈沖光被第二分束片(4)分為反射和透射兩束啁啾脈沖光，在該第二分束片(4)反射的啁啾脈沖光方向是第一光譜儀(8)，在待測高頻信號脈沖序列(5)的輸入方向有一非線性晶體(7)，所述的第二分束片(4)透射的啁啾脈沖光經(jīng)所述的反射鏡(6)的反射后，在所述的非線性晶體(7)內(nèi)與所述的待測高頻信號脈沖序列(5)相互作用后進入第二光譜儀(9)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置， 其特征在于所述的第一分束片(2)是對所述的超短脈沖激光(1)高透，而 對所述的啁啾脈沖光高反射的分束片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置， 其特征在于所述的第二分束片(4)是對所述的啁啾脈沖光半透半反的分束片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置， 其特征在于所述的非線性晶體(7)為BBO晶體。
專利摘要一種利用啁啾脈沖測量高頻信號脈沖序列的裝置，主要是利用光參量放大過程中泵浦光與信號光的能量交換，使信號光與探測光進行耦合，由于光參量放大過程是二階非線性效應(yīng)，所以對信號光的能量要求將大大降低。本實用新型與在先技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，容易實現(xiàn)。極大的提高了信號檢測速度并降低對信號強度的要求。一次性即可測量出高達THz速率的微弱脈沖序列。
文檔編號G01J3/10GK201003983SQ200720067119
公開日2008年1月9日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日
發(fā)明者劉建勝, 明 楊 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所