本發(fā)明涉及一種基于主動(dòng)調(diào)制脈沖非線性放大的太赫茲光譜實(shí)時(shí)分析方法，屬于超快光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

異步光學(xué)取樣太赫茲(太赫茲)光譜分析方法是最近發(fā)展起來(lái)的具有競(jìng)爭(zhēng)力的太赫茲光譜分析方法。其基本工作原理是將光學(xué)頻率下轉(zhuǎn)換至射頻頻率實(shí)現(xiàn)快速探測(cè)。利用二臺(tái)重復(fù)頻率精確鎖定但略有差別的飛秒激光分別作為太赫茲泵浦和探測(cè)光，無(wú)需復(fù)雜的掃描即可非常方便地通過(guò)控制飛秒脈沖時(shí)延獲取周期性超快光學(xué)取樣，極大地縮短光譜分析的時(shí)間。

目前對(duì)激光系統(tǒng)中重復(fù)頻率的調(diào)制主要是被動(dòng)式調(diào)節(jié)，通過(guò)壓電陶瓷的電致伸縮控制激光諧振腔的腔長(zhǎng)從而控制激光器的重復(fù)頻率。這種方法在應(yīng)用過(guò)程中存在一些缺點(diǎn)：比如需要高操作電壓、對(duì)工作環(huán)境要求高，長(zhǎng)期穩(wěn)定差等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)異步光學(xué)取樣過(guò)程中，激光光源對(duì)環(huán)境要求高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等不足，提出一種主動(dòng)式調(diào)制放大制備重復(fù)頻率精確鎖定且有一定差值的飛秒激光光源的方法，并在此基礎(chǔ)上完成對(duì)太赫茲光譜信息的實(shí)時(shí)分析。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種基于主動(dòng)調(diào)制脈沖非線性放大的太赫茲光譜實(shí)時(shí)分析方法，其包括如下步驟：

S1：搭建重復(fù)頻率精確鎖定的第一飛秒激光光源；

S2：利用所述第一飛秒激光光源獲得第一飛秒激光脈沖；

S3：利用與步驟S1和S2相同的方法搭建重復(fù)頻率鎖定、且重復(fù)頻率與第一飛秒激光光源的重復(fù)頻率有差值的第二飛秒激光光源，并利用所述第二飛秒激光光源獲得第二飛秒激光脈沖；

S4：利用所述第一飛秒激光脈沖泵浦半導(dǎo)體天線或電光晶體，獲得太赫茲脈沖；

S5：以所述第二飛秒激光脈沖為取樣光，對(duì)所述太赫茲脈沖進(jìn)行取樣探測(cè)，實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜的實(shí)時(shí)分析。

作為優(yōu)選方案，所述第一飛秒激光光源和第二飛秒激光光源的搭建方法均為調(diào)制放大法。

作為優(yōu)選方案，步驟S2具體包括如下操作：

將第一飛秒激光光源產(chǎn)生的重復(fù)頻率確定的激光脈沖信號(hào)在放大激光脈沖功率后進(jìn)行光譜展寬，然后依次進(jìn)行非線性放大和寬光譜脈沖壓縮，得到第一飛秒激光脈沖。

作為優(yōu)選方案，步驟S1～S3中所使用的連續(xù)激光為同一連續(xù)激光。

作為優(yōu)選方案，步驟S5中的取樣探測(cè)時(shí)間由第一飛秒激光光源和第二飛秒激光光源的重復(fù)頻率差值決定τ＝1/δf,其中τ為取樣探測(cè)時(shí)間，δf為二飛秒激光光源的重復(fù)頻率差值。

更具體地，本發(fā)明的方法包括如下步驟：

1、通過(guò)調(diào)制放大過(guò)程搭建重復(fù)頻率精確鎖定的飛秒激光光源，完成對(duì)激光重復(fù)頻率的主動(dòng)式調(diào)節(jié)。

利用信號(hào)源輸出以頻率f周期性變化的電信號(hào)，將此電信號(hào)作用到階躍恢復(fù)二極管，隨著輸入信號(hào)的周期性變化，在負(fù)載上輸出重復(fù)頻率為f，脈沖寬度為階躍恢復(fù)二極管階躍時(shí)間t(ps量級(jí))的電脈沖信號(hào)。將連續(xù)激光光源輸出的連續(xù)激光輸入強(qiáng)度調(diào)制器，利用產(chǎn)生的寬度在ps量級(jí)的電脈沖信號(hào)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，輸出重復(fù)頻率與電脈沖重復(fù)頻率相同，脈沖寬度與電脈沖信號(hào)寬度相似的激光脈沖信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)或鎖定信號(hào)源輸出電信號(hào)的重復(fù)頻率f，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該飛秒激光重復(fù)頻率的主動(dòng)調(diào)節(jié)或鎖定。

2、主動(dòng)調(diào)制脈沖非線性放大，利用多級(jí)級(jí)聯(lián)的非線性放大，實(shí)現(xiàn)頻譜展寬。

將產(chǎn)生的重復(fù)頻率確定的激光脈沖信號(hào)輸入多級(jí)級(jí)聯(lián)放大模塊，放大激光脈沖功率，然后輸入光譜展寬模塊，得到脈沖寬度一定、功率較高、重復(fù)頻率鎖定且可通過(guò)改變電脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的激光脈沖信號(hào)。將此激光脈沖信號(hào)輸入非線性放大模塊，輸出足夠光譜寬度、能量較高的激光脈沖。

3、主動(dòng)調(diào)制脈沖非線性放大后的寬光譜脈沖壓縮，獲得飛秒激光脈沖。

頻譜展寬放大后的脈沖，輸入脈寬壓縮裝置，得到脈沖寬度在飛秒(fs)量級(jí)、重復(fù)頻率確定的飛秒激光。

4、利用同步驟1～3相同的方式，搭建重復(fù)頻率精確鎖定，且與步驟1～3中的激光重復(fù)頻率有差值δf的飛秒激光光源。

5、確保步驟1～3與步驟4所使用的連續(xù)激光是來(lái)自同一連續(xù)激光。這可以通過(guò)同一連續(xù)激光(窄或超窄譜線寬度的單縱模激光，如窄譜線的單縱模半導(dǎo)體激光)分束來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣飛秒脈沖產(chǎn)生裝置(步驟1～3和步驟4)輸出重復(fù)頻率分別是f和f+δf的飛秒脈沖，二個(gè)不同重復(fù)頻率的飛秒激光的載波包絡(luò)相位都自動(dòng)一致地跟隨連續(xù)激光的頻率。

6、利用步驟1～3中得到的飛秒激光光源泵浦半導(dǎo)體天線或電光晶體，產(chǎn)生太赫茲脈沖。

7、步驟4得到的重復(fù)頻率為(f+δf)的飛秒激光光源作為取樣光，對(duì)步驟3中的太赫茲脈沖進(jìn)行取樣探測(cè)。該取樣探測(cè)時(shí)間由二臺(tái)飛秒激光光源重復(fù)頻率差值δf決定，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲光譜實(shí)時(shí)分析。

8、由于飛秒產(chǎn)生裝置(步驟1～3和步驟4)能自動(dòng)確保二個(gè)不同重復(fù)頻率的飛秒激光的載波包絡(luò)相位都自動(dòng)一致地跟隨連續(xù)激光的頻率，無(wú)需對(duì)驅(qū)動(dòng)太赫茲產(chǎn)生的飛秒脈沖(重復(fù)頻率為f)、太赫茲異步取樣的飛秒脈沖(重復(fù)頻率為f+δf)，實(shí)施載波包絡(luò)相位的操控，即可實(shí)現(xiàn)高精度的太赫茲異步取樣。

9、主動(dòng)調(diào)制非線性放大(步驟1～3和步驟4)也可在同一光放大的鏈路中完成，這樣可以進(jìn)一步減低放大過(guò)程的噪聲，確保二個(gè)不同重復(fù)頻率的飛秒激光在放大過(guò)程中經(jīng)歷相同的載波包絡(luò)相位漂移。

10、同一光放大鏈路產(chǎn)生的二個(gè)不同重復(fù)頻率的飛秒激光泵浦半導(dǎo)體天線或電光晶體，產(chǎn)生二個(gè)不同重復(fù)頻率的太赫茲頻率梳，即重復(fù)頻率分別是f和f+δf的太赫茲頻率梳，其載波位相為0。其太赫茲頻率梳的取樣，可以用重復(fù)頻率為f的飛秒脈沖實(shí)現(xiàn)拍頻信號(hào)取樣，完成光學(xué)異步取樣探測(cè)和太赫茲頻譜分析。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

利用主動(dòng)式電光調(diào)制作用完成激光光源重復(fù)頻率的鎖定及調(diào)節(jié)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)控制飛秒激光脈沖時(shí)延獲取周期性超快光學(xué)取樣，實(shí)時(shí)獲取太赫茲光譜分析。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明技術(shù)方案的方法流程的圖；

圖2為本發(fā)明的方法的探測(cè)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，飛秒脈沖產(chǎn)生裝置01輸出重復(fù)頻率為f，脈沖寬度在fs量級(jí)的飛秒激光脈沖。其中，101為電脈沖產(chǎn)生模塊，其中利用信號(hào)源輸出以頻率f周期性變化的電信號(hào)，將此電信號(hào)作用到階躍恢復(fù)二極管，隨著輸入信號(hào)的周期性變化，在負(fù)載上輸出時(shí)域間隔為T＝1/f，脈沖寬度為階躍恢復(fù)二極管階躍時(shí)間t(ps量級(jí))的電脈沖信號(hào)。102為連續(xù)激光光源，輸出連續(xù)激光到103強(qiáng)度調(diào)制器，強(qiáng)度調(diào)制器103由電脈沖產(chǎn)生裝置101輸出的ps量級(jí)電脈沖信號(hào)調(diào)制，從而得到脈沖寬度與電脈沖寬度相似、重復(fù)頻率與信號(hào)源輸出頻率一致的激光脈沖信號(hào)。連續(xù)激光光源104、107，波分復(fù)用器105、108，增益光纖106、109組成多級(jí)級(jí)聯(lián)放大模塊，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器103輸出的激光脈沖進(jìn)行放大。放大后的激光脈沖輸入光譜展寬模塊110，展寬光譜。然后輸入由連續(xù)激光光源111、波分復(fù)用器112、非線性增益光纖113組成的非線性放大模塊，對(duì)激光功率進(jìn)一步放大。最后將激光脈沖輸入脈寬壓縮模塊114，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈寬壓縮，得到脈沖寬度在fs量級(jí)的激光光源。該fs激光光源重復(fù)頻率精確鎖定為f。

圖1中，與01裝置中的過(guò)程相同，飛秒脈沖產(chǎn)生裝置02輸出重復(fù)頻率為f+δf，脈沖寬度在fs量級(jí)的飛秒激光脈沖。裝置02輸出的飛秒激光脈沖與裝置01輸出的飛秒激光脈沖重復(fù)頻率相差δf，該差值由電脈沖產(chǎn)生裝置201中的信號(hào)源輸出頻率調(diào)節(jié)。101與201需要來(lái)源于同一連續(xù)激光器,這可以通過(guò)同一連續(xù)激光分束來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣飛秒脈沖產(chǎn)生裝置01和02輸出重復(fù)頻率分別是f和f+δf的飛秒脈沖，二個(gè)不同重復(fù)頻率的飛秒激光的載波包絡(luò)相位都自動(dòng)一致地跟隨連續(xù)激光的頻率，連續(xù)激光可選用窄或超窄譜線寬度的單縱模激光、如窄譜線的單縱模半導(dǎo)體激光。

圖1中，03為太赫茲產(chǎn)生裝置，可以是光電導(dǎo)天線或電光晶體。裝置01輸出的飛秒激光作用到太赫茲產(chǎn)生裝置03，產(chǎn)生太赫茲脈沖。

圖1中，04為太赫茲收集模塊，由一對(duì)鍍金離軸拋物面鏡組成，完成對(duì)太赫茲波的收集作用。

圖1中，05為太赫茲探測(cè)裝置，由光電導(dǎo)天線501和數(shù)據(jù)采集模塊502組成。裝置02輸出的飛秒激光脈沖作用到光電導(dǎo)天線501，作為太赫茲波取樣光。取樣得到的數(shù)據(jù)由502采集并輸出，得到太赫茲光譜信息。

如圖2，重復(fù)頻率為f的飛秒激光泵浦驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生太赫茲脈沖01，該太赫茲脈沖的重復(fù)頻率與飛秒激光的重復(fù)頻率一致，均為f。重復(fù)頻率為(f+δf)的飛秒激光作為太赫茲探測(cè)的取樣脈沖02，其中，δf<<f。在時(shí)域上，其脈沖間隔差別δT＝T/s，其中T＝1/f是太赫茲脈沖的脈沖間隔，s＝f/δf一般設(shè)定為一個(gè)很大的數(shù)(以s＝10⁴～10⁶為例)，這相當(dāng)于每隔δT的時(shí)間實(shí)施一次光學(xué)取樣，共實(shí)施N＝T/2δT＝s/2次光學(xué)取樣完成一個(gè)取樣周期，整個(gè)取樣周期為T_s＝NT～Ts/2，在頻域上，共有s/2個(gè)異步光學(xué)取樣的頻譜取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)的頻率等效于頻率為ω＝fs的光頻，共覆蓋Δω＝fs/2的頻譜范圍。以f～1GHz的重復(fù)頻率、δf～100kHz重頻間隔為例，完成一個(gè)異步光學(xué)取樣周期的時(shí)間為T_s＝1ns×10⁴/2＝5μs，其頻譜覆蓋范圍為Δω＝fs/2～5太赫茲，即可在5μs的周期里實(shí)現(xiàn)0～5太赫茲頻譜掃描(共有5000個(gè)光學(xué)取樣點(diǎn))。03為通過(guò)異步取樣采集到太赫茲時(shí)域圖，通過(guò)傅里葉變換得到04太赫茲光譜信息，從而完成太赫茲光譜信息實(shí)時(shí)分析。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。