用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置

摘要

一种用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置，特点在于其构成包括：2×2端口的3dB分束器，光纤衰减器、第一光纤隔离器、2×1端口波分复用器、掺Yb

说明书

技术领域

本发明涉及纳秒脉冲测量，特别是一种用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置，该脉冲复制环用于纳秒单次脉冲测量，利用脉冲复制串累加平均的方法可以有效地提高纳秒(ns)脉冲单次测量的动态范围，其优点是结构紧凑，调节简单，使用灵活。

背景技术

ns波长激光普遍应用于激光测距与遥感探测，尤其是在惯性约束聚变(ICF)的激光系统中，需要稳定的，高对比度，特殊波形的脉冲从而尽可能最大限度地压缩靶丸。所以激光脉冲波形的精确测量对于这些特殊的应用是非常关键的。

虽然非线性技术能够测量对比度为10⁷的脉冲波形，但是对于ns级脉宽来说，只有条纹相机或者PIN管和示波器两种测量手段。条纹相机能够提供700∶1高动态范围多通道测量，其时域测量精度能达到30ps，然而具有相对较慢上升速率的单束高动态范围(0.1HZ)的条纹相机来说，不能用来实时探测脉冲宽度或对一些间歇问题的诊断。尽管示波器采样率在不断地提高，垂直分辨率已经可以达到8个字节，由于内部噪声有效字节数只有5.5，所以利用PIN管与示波器探测ns脉冲主要限制因素就是示波器的动态范围，最大只有45∶1。这样的对比度对于探测100∶1的高信噪比ICF脉冲来说是不够的，动态范围至少要提高2.3倍。所述的动态范围就是信号峰值与所能探测的最小的信号幅值之比，此时所能探测的最小的信号刚好被淹没在噪声当中。所以测量系统的动态范围可以理解为最大探测信号峰值与测量仪器的噪声幅值之比，通常也被称作信噪比。

常规消除随机噪声，提高信噪比的方法为多次采样累加平均，这是对于周期信号来说的，如果N为采样次数，则N个信号进行累加平均后，由于随机噪声降低了倍，所以此时信噪比就提高了倍。但是对于单次脉冲大能量发射却无法提供多次采样数据。

所以我们采用脉冲复制的方法使单次脉冲变为脉冲序列，然后采用与周期信号相同的方法对复制的N个脉冲进行累加平均，从而实现降低随机噪声，提高测量动态范围的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供是一种用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置，使现有的PIN管和示波器接收光脉冲累加平均提高测量的动态范围的方法能有效地用于单次纳秒光脉冲的测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置，特点在于：包括一个2×2端口的3dB分束器，该3dB分束器的第一输入端和第一输出端分别构成脉冲复制环的输入端和输出端，在该3dB分束器的第二输出端和第二输入端之间逆时针地依次串联光纤衰减器、第一光纤隔离器、2×1波分复用器、掺Yb³⁺增益光纤、第二光纤隔离器、ASE滤波器、1×2端口光纤分束器，连续泵浦光经泵浦光隔离器与所述的2×1波分复用器的第二输入端相连，所述的1×2端口光纤分束器的第二输出端为脉冲复制环的监控端口，该监控端口是接光谱仪，所述脉冲复制环的输入端接待测纳秒脉冲光源，所述脉冲复制环的输出端接PIN管和示波器，用来采集脉冲复制串。

所述脉冲复制环内的第一光纤隔离器和第二光纤隔离器用来保证环内光脉冲沿逆时针方向传输，且起到隔离反向传输的自发辐射光放大(以下简称为ASE)的作用。

所述脉冲复制环内泵浦光隔离器是为了隔离环内反射光进入泵浦系统从而避免打坏泵浦光源。

所述脉冲复制环内ASE滤波器透射窗口的中心波长与入射信号光波长一致，不仅能够有效地控制环内累加的ASE，避免更多的提取增益光纤中的上能级粒子数，从而影响放大器对信号光的放大能力；而且不能影响注入ns单次脉冲波形。

所述脉冲复制环的监控端口是接光谱仪，通过监测光谱仪中显示的脉冲复制环内的光谱波形，控制注入连续泵浦光的最大泵浦功率，从而保证复制环内的净增益小于1，避免环内产生激光的自激振荡。

所述脉冲复制环的第一输出端是接PIN管和示波器，用来采集脉冲复制串。

本发明的工作原理：

本发明脉冲复制环将待测单次光脉冲变为等间隔、幅度呈指数递减的脉冲串，然后由PIN管和示波器接收光脉冲序列，再经过数据处理，将所述的光脉冲序列的每个脉冲均乘一个权重系数，使每个脉冲峰值相同，然后累加平均，从而提高测量的动态范围。

我们知道：噪声α值和平均次数n的平方根成反比，当每次叠加的噪声的α值相同时，有：

${\alpha }_n=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}\alpha }{n\sqrt{n}}$

由于脉冲复制环输出的是一系列等间隔幅度呈指数递减的脉冲串，所以必须对第i个脉冲乘以一个相应的加权系数f(i)，使每个脉冲的幅值都相同才能进行累加平均，但是此时叠加到脉冲上的噪声也乘以了一个加权系数f(i)，根据上述的公式递推得到：

$\alpha =\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_i}{n\sqrt{n}},$α_i＝f(i)×α₁，

当脉冲个数累加平均后提高的信噪比不足以抵消脉冲本身信噪比降低的影响时，脉冲个数增加会降低最后的信噪比。所以对这个问题的优化就是求出噪声大小和平均次数关系函数的极点，找到最佳平均脉冲个数，此时噪声减小值就是动态范围提高值。

本发明的优点在于：

1、本发明脉冲复制环结构紧凑，调节简单，使用灵活；

2、本发明纳秒脉冲单次测量动态范围提高2～3倍，利用PIN管和示波器能够满足探测100∶1的高信噪比ICF脉冲。

附图说明

图1是本发明脉冲复制环装置的结构示意图。

图中：

1-2×2端口的3dB分束器；2-光纤衰减器；3-第一光纤隔离器；4-连续泵浦光；5-泵浦光隔离器；6-2X1端口波分复用器WDM；7-掺Yb³⁺增益光纤；8-第二光纤隔离器；9-ASE滤波器；10-1×2端口光纤分束器；11-复制环监控端；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明脉冲复制环装置的结构示意图。由图可见，本发明用于提高纳秒脉冲单次测量动态范围的脉冲复制环装置，包括一个2×2端口的3dB分束器1，该3dB分束器1的第一输入端和第一输出端分别构成脉冲复制环的输入端和输出端，在该3dB分束器1的第二输出端和第二输入端之间逆时针地依次串联光纤衰减器2、第一光纤隔离器3、2×1波分复用器6、掺Yb³⁺增益光纤7、第二光纤隔离器8、ASE滤波器9、1×2端口光纤分束器10，连续泵浦光4经泵浦光隔离器5与所述的2×1波分复用器6的第二输入端相连，所述的1×2端口光纤分束器10的第二输出端为脉冲复制环的监控端口11，该监控端口11是接光谱仪，所述脉冲复制环的输入端接待测纳秒脉冲光源，所述脉冲复制环的输出端接PIN管和示波器，用来采集脉冲复制串。

本发明具体操作：纳秒单次脉冲注入脉冲复制环中生成等间隔幅度呈指数递减的脉冲串，然后由PIN管和示波器接收光脉冲序列，进行实验数据处理。数据处理步骤如下：

(1)光纤环长度确定后，理论上相邻脉冲的时间间隔应该是固定的，但是环境对脉冲复制环的影响造成了相邻脉冲时间间隔的抖动，所以找出精确间隔的方法是：以第一个脉冲为模板，前后各取500个采样点，这500个点为模板，对后面的数据做互相关，互相关函数的峰值位置认为是某个脉冲的峰值位置。计算峰值之间的间隔，每两个脉冲峰值之间的间隔有微小差异，取间隔的众数认为是真实间隔；

(2)第一个脉冲峰值前面250个点开始计算时间基准，第一个脉冲峰值前后加起来取500-1000个点(软件可调整)，根据脉冲间隔，将原始脉冲分段。每段包含一个脉冲，并且脉冲是同相位的；

(3)把第三步得到的脉冲归一化，每个脉冲段均乘一个权重系数，这样在通过平均脉冲串降低噪声的同时，又因为补偿而增大了噪声，我们对这个问题进行优化，就是先求出噪声大小和平均次数关系函数的极点，然后选择最佳平均脉冲个数，从而最大地提高测量的动态范围；

(4)累加平均归一化后的同相位脉冲。

下面是一个应用实例：应用图1所示的脉冲复制环，当注入脉冲宽度为3.6ns，中心波长1053nm，频谱宽度0.03nm。实验中光纤复制环中的Yb³⁺增益光纤长度为3m，980nm泵浦光注入端使用980nm隔离器来防止环内后向反射光耦合进泵浦源从而造成破坏。ASE滤波器带宽为1nm，透射窗中心波长为1053nm，为了避免环内产生激光振荡，环内通过1×2端口9∶1光纤分束器的10％端口对环内传输光脉冲的光谱进行监测，调整注入的泵浦光功率以及光纤衰减器，来调整光纤放大器的增益，使脉冲复制环处于刚好无自激振荡的状态，即整个环内净增益小于但接近于1。输出第一个脉冲幅度为195mV，对于标定的PIN管来说，其功率为10mW，所以可以推断注入到脉冲复制环内的脉冲功率为10mW；此时增益环内的注入泵浦功率为200mW，泵浦电流为300mA，对应的增益为13dB(20倍)，对脉冲复制串进行计算，得到的复制环内脉冲净增益为0.955。通过程序处理实验数据，精确找到相邻脉冲的时间间隔134ns，由此判断脉冲复制环长度为27.6m，通过噪声大小和平均次数关系函数的极点，判断取18个脉冲累加平均效果最优，即噪声值最小，此时纳秒脉冲单次测量动态范围可以提高2.74倍。