时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置和测量方法

摘要

一种时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置和测量方法，装置构成包括：沿待测激光脉冲输入方向是光纤分束器,该光纤分束器将待测激光脉冲分为强、弱两束光，沿强光束方向依次是可调光纤延时器、高速光纤相位调制器、色散光纤和示波器，沿弱光束方向依次是高速PIN光电管、任意波形发生器、电信号放大器，该电信号放大器的输出端接所述的高速光纤相位调制器的调制输入端。本发明利用全光纤结构对激光脉冲进行相位调制与色散传输，具有结构紧凑、简单灵活的特点，并且不同于其它激光脉冲相位测量方式，本发明可以测量具有弱相位的皮秒或者纳秒激光脉冲，适用于高重复频率以及低重复频率情况下。

说明书

技术领域

本发明涉及弱相位激光脉冲，特别是一种时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位 测量装置和测量方法。本发明采用光纤波导相位调制器对激光脉冲进行相位调制， 再通过时域相位恢复的方法来得到激光脉冲的波形与相位。本发明适用于具有弱相 位、弱啁啾的皮秒或者纳秒激光脉冲，可以工作在高重复频率或者低重复频率情况 下。本装置采用全光纤的结构可以增加装置稳定性与紧凑性，从而获得稳定可靠的 激光脉冲相位分布。

背景技术

自从第一台激光器制造至今，激光和激光器的应用已经逐渐渗透到了社会的各 行各业中，尤其是对于精密加工行业，激光的应用大大提升了加工精度。其中高能 量纳秒或者皮秒激光脉冲在激光物理研究(激光惯性约束核聚变)、激光精密加工、 激光切割、激光雷达、超快光谱学、医学、高能物理等多种领域应用广泛。例如， 高能量纳秒激光脉冲可以应用于激光惯性约束核聚变，使得靶丸达到核聚变条件， 释放出大量的能量，激光惯性约束核聚变有望在未来实现可控核聚变，从根本上解 决能源问题。高能量皮秒脉冲可以应用于激光加工以及激光表面处理，激光短脉冲 与物质作用过程中的无热沉积和无接触特性大大提高了加工形貌的可控性、加工精 度及表面光滑性等加工特性，在金属、晶体、宝石、玻璃、高分子聚合物甚至炸药 等多种材料的加工切割上表现出优良的特性，在汽车工业、医疗器械、工业安全等 精密加工领域展现了广阔的应用前景。目前高能量纳秒脉冲激光和皮秒脉冲激光均 采用主振荡器+多级放大器的结构。但是在放大过程中，由于非线性效应例如自相位 调制的存在，激光脉冲会累积非线性相移，从而对后级放大产生影响。但是不同于 超短脉冲的情况，纳秒或者皮秒脉冲在传输过程中累积的非线性相移一般较小，从 光谱上看，光谱展宽不明显，但是这些小的非线性相移在后续放大过程中会产生较 大的影响。此外，由于存在一些非线性相移的补偿方式，例如直接相位调制的预补 偿方法，可以在已知其非线性相移大小的情况下，利用预补偿手段对非线性相移进 行补偿。这就需要对这些具有弱相位的激光脉冲的相位进行精确测量。目前脉冲时 间相位(光谱相位测量)测量的方式有很多种，包括FROG(频率分辨光学开关)、SPIDER (自参考光谱干涉)以及时间自相关等方式，但是这些方式都是基于自相关/互相关 的原理，通过脉冲本身进行相关运算或者与参考脉冲进行相关运算。FROG利用是非 线性过程进行相关运算，而SPIDER等算法是通过干涉的方式来进行相关运算。但是 这些方式的结构一般都比较复杂，同时相关运算对被测脉冲的强度有一定要求 (FROG)，或者分辨率较低(SPIDER等)，而且这些方法对于弱相位纳秒或者皮秒激光 脉冲的情况，往往无能为力。

因此本发明提出利用时域相位恢复的方法结合直接相位调制的装置来实现对于 弱相位纳秒或者皮秒激光脉冲的高精度相位测量。本方法适合于测量具有弱相位分 布的窄光谱激光脉冲，同时迭代过程的数据计算过程可以实现高精度的相位测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有激光脉冲的时间相位测量方法不能测量弱相位 纳秒或者皮秒激光脉冲的缺点，提出一种时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量 装置和测量方法，该方法采用时域相位迭代恢复的方式，利用直接相位调制装置对 激光脉冲进行相位调制，通过经过色散介质之后的经过相位调制的激光脉冲的时间 波形作为已知条件计算得到初始激光脉冲的波形与相位分布。采用全光纤的结构可 以提高装置灵活性与紧凑性，实现对弱相位激光脉冲的时间相位分布的高精度测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置，其特征在于其构成包括： 沿待测激光脉冲输入方向是光纤分束器,该光纤分束器将待测激光脉冲分为强、弱 两束光，沿强光束方向依次是可调光纤延时器、高速光纤相位调制器、色散光纤和 示波器，沿弱光束方向依次是高速PIN光电管、任意波形发生器、电信号放大器， 该电信号放大器的输出端接所述的高速光纤相位调制器的调制输入端，所述的可调 光纤延时器的延时调节精度为1ps，所述色散光纤的长度满足以下条件：

${\beta }_{2}L>>\frac{4{\pi }^2}{{\left(\Delta \nu \right)}^2}---\left(1\right)$

其中，β₂为所述的色散光纤的二阶色散，L为色散光纤的长度，Δν为经过高速光 纤相位调制器的相位调制之后待测激光脉冲的光谱宽度；

所述的任意波形发生器产生的调制电信号为一阶高斯脉冲，且该一阶高斯脉冲 的脉冲宽度τ满足τ≤ΔT，ΔT为待测激光脉冲的脉宽。

利用上述时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置对待测激光脉冲弱相位 的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①设t₀为所述的任意波形发生器产生的经所述的电信号放大器放大输出的调制 电信号的中心达到所述的高速光纤相位调制器的时刻相对于待测激光脉冲达到所述 的高速光纤相位调制器的时刻的初始相对延时，每次调节所述的可调光纤延时器的 延时时间的延时增加为Δt，每调整一次延时，所述的示波器记录一个待测激光脉冲 强度I_m，依次得到I₁、I₂、┄、I_m、┄I_2n+1，第m次调节后所述的可调光纤延时器产 生的延时为t₀+mΔt，第m次调节后，待测激光脉冲经过所述高速光纤相位调制器和 色散光纤之后被所述的示波器采集到该延时时间(t₀+mΔt)下的激光脉冲强度I_m为：

I_m＝|A_m|²(2)

其中，m＝1,2,3…2n+1，n为任意正整数且满足2n+1≥ΔT/Δt，A_m为待测激光脉冲 经过色散光纤(7)之后的光场复振幅；

②利用时域相位恢复算法对所述的激光脉冲强度I_m进行数据处理，计算待测激 光脉冲的相位分布，具体步骤如下：

1)数据初始化设置：i为当前迭代次数，m为第m次调节可调光纤延时器的 序号，令i＝0,m的最大值为2n+1；N_0,2n+1(t)为计算机随机生成的待测激光脉冲的 复振幅分布，β为最小计算误差，K为最大迭代次数；

2)令i＝i+1，m＝0，当前迭代计算的初始待测激光脉冲复振幅N_i,m(t)为i-1次 迭代中m＝2n+1对应计算出的光场复振幅，即N_i,m(t)＝N_i-1,2n+1(t)；

3)令m＝m+1，当前对m的迭代计算中初始待测激光脉冲复振幅E_i,m(t)为m-1 次迭代中对应计算出的光场复振幅，即E_i,m(t)＝N_i,m-1(t)；

4)按下式计算经过高速光纤相位调制器之后的光场复振幅

$P_{i,m}^{in}\left(t\right)=E_{i,m}\left(t\right)\exp \left(j\pi \frac{V}{V_{\pi }}B\right(t-m\Delta t\left)\right)---\left(3\right)$

其中，V为调制电信号的电压幅值，V_π为高速光纤相位调制器的半波电压，

B(t-mΔt)为具有mΔt的时间延时的调制电信号；

5)再按下式计算经过色散光纤之后的光场复振幅A_i,m(t)和光场相位分 布分别为：

其中：F为傅里叶变换，F^-1为傅里叶逆变换，ω为光场角频率；

6)利用示波器第m次测得的经过高速光纤相位调制器和色散光纤的激光脉冲强 度I_m，代替(4)式计算得到的光场复振幅，并保留相位不变，得到更新后的复振幅

7)将所述的光场复振幅逆向传播到色散光纤的输入端，得到更新后的入射 光场复振幅

$P_{i,m}^{out}\left(t\right)=F^{-1}\left\{F\right\{A_{i,m}^o\left\}\exp \right(-j\frac{{\beta }_{2}L}{2}{\omega }^2\left)\right\}---\left(6\right)$

8)根据下式计算高速光纤相位调制器输入端待测激光脉冲的复振幅N_i,m(t)：

$\begin{array}{c}{N}_{i,m}\left(t\right)=E_{i,m}\left(t\right)+\frac{\left|\phi \left(t-m\Delta t\right)\right|}{{\left|\phi \left(t-m\Delta t\right)\right|}_{\max }}\frac{conj\left(\phi \left(t-m\Delta t\right)\right)}{{\left|\phi \left(t-m\Delta t\right)\right|}^2+\alpha }\left(P_{i,m}^{out}\left(t\right)-P_{i,m}^{in}\left(t\right)\right)\\ \phi \left(t-m\Delta t\right)=\exp \left(j\pi \frac{V}{V_{\pi }}B\left(t-m\Delta t\right)\right)\end{array}---\left(7\right)$

其中，|φ(t-mΔt)|_max为调制电信号加载在高速光纤相位调制器上产生的相位调制， conj(*)为函数复共轭，α为防止除零因子；

9)当m<2n+1时，返回步骤3)；当m＝2n+1时，按下式计算当前第i次迭代计 算的误差Error为：

$Error=\int dt\underset{m}{\Sigma }\frac{\left|\right|A_{i,m}\left(t\right){|}^2-I_m\left(t\right)|}{|I_m\left(t\right){|}_{max}}/(2n+1)---\left(8\right)$

10)若Error<β,则停止迭代计算，进行下一步骤11)；若Error>＝β,且i<K, 则返回步骤2)，若i＝K，则进入步骤12)；

11)N_i,2n+1(t)即为待测激光脉冲的光场复振幅，其相位分布根据光场复振幅 N_i,2n+1(t)利用常规的相位解包裹算法得到待测激光脉冲在时间上的相位分布为 N_i,2n+1(t)/|N_i,2n+1(t)|；

12)当i＝K时，表明当前m的最大取值2n+1不能满足计算精度的要求，则令 n＝n+1，增加激光脉冲强度I_m的测量数，返回步骤1)，继续进行计算。

本发明优点在于：

1.本发明装置采用全光纤化的结构，本发明装置结构紧凑，便于调整。

2.采用时间相位恢复的方法，可以对弱相位激光脉冲的相位进行测量。

3.利用直接相位调制的方法可以灵活控制调制电信号。

4.可以工作在高重频与低重频情况下。

附图说明

图1是本发明时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置的结构框图。

图2是本发明弱相位激光脉冲的时间相位恢复方法流程图。

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是本发明时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置的 结构框图。由图可见，本发明时域相位恢复全光纤激光脉冲弱相位测量装置的构成 包括：沿待测激光脉冲In输入方向是光纤分束器1,该光纤分束器1将待测激光脉 冲In分为强、弱两束光，沿强光束方向依次是可调光纤延时器5、高速光纤相位 调制器6、色散光纤7和示波器8，沿弱光束方向依次是高速PIN光电管2、任意 波形发生器3、电信号放大器4，该电信号放大器4的输出端接所述的高速光纤相 位调制器6的调制输入端，所述的可调光纤延时器5的延时调节精度为1ps，所述 色散光纤7的长度满足以下条件：

${\beta }_{2}L>>\frac{4{\pi }^2}{{\left(\Delta \nu \right)}^2}---\left(1\right)$

其中，β₂为色散光纤7的二阶色散，L为色散光纤7的长度，Δν为经过高速光纤 相位调制器6相位调制之后的待测激光脉冲的光谱宽度；

所述的任意波形发生器3产生的调制电信号为一阶高斯脉冲，该且一阶高斯脉 冲的脉冲宽度满足τ≤ΔT，其中τ为调制电信号的脉冲宽度，ΔT为待测激光脉冲 的脉宽。

入射激光脉冲首先经过光纤分束器1分束为两部分，其中分束比为10％与90％。 10％端激光脉冲经过高速光电探测器PIN管2转化为电信号作为任意波形发生器3的 触发信号。被触发的任意波形发生器3输出一个脉冲宽度小于或者等于待测激光脉 冲宽度的电脉冲信号，该电脉冲信号经过高增益高速电放大器4放大之后作为光纤 相位调制器6的调制电信号。90％端待测激光脉冲则经过光纤可调光延时器5的作用， 改变其与电调制信号之间的相对时间延时。经过时间延时之后的激光脉冲进入光纤 相位调制器6，在时间上得到相位调制，激光脉冲光谱发生展宽。经过相位调制之 后的激光脉冲则进入具有较大色散量的色散光纤7，在时间上经过相位调制的激光 脉冲被展宽，被示波器8探测到激光脉冲的波形，而其时间波形代表了激光脉冲的 光谱特征。

经过本发明装置示波器8采集到的激光脉冲时间波形数据可以利用时间相位恢 复方法来得到激光脉冲的相位分布，时间相位恢复方法的流程图参见图2，其具体 过程如下：

假设t₀为所述的任意波形发生器3产生的经所述的电信号放大器4放大输出的 调制电信号的中心达到高速光纤相位调制器6上的时刻相对于待测激光脉冲达到所 述的高速光纤相位调制器6的时刻的初始相对延时，每次调节所述的可调光纤延时 器5的延时时间的延时增加为Δt，则第m次调节所述可调光纤延时器5的延时为 t₀+mΔt，第m次待测激光脉冲经过所述高速光纤相位调制器6以及色散光纤7之后 被所述的示波器8采集到该延时时间(t₀+mΔt)下的激光脉冲强度I_m为：

I_m＝|A_m|²(9)

其中，m＝1,2,3…2n+1，n为任意正整数，A_m为待测激光脉冲经过色散光纤7之后 的光场复振幅。

1)首先进行数据初始化，令i为当前迭代次数，m为第m次调节可调光纤延 时器5，i＝0,m＝2n+1；令N_0,2n+1(t)为当前迭代计算中的待测激光脉冲的复振幅， N_0,2n+1(t)为随机生成的待测激光脉冲的复振幅分布；

2)令i＝i+1，m＝0，同时当前迭代计算中初始待测激光脉冲复振幅N_i,m(t)为i-1 次迭代中m＝2n+1对应计算出的光场复振幅，即N_i,m(t)＝N_i-1,2n+1(t)；

3)令m＝m+1，同时当前对m的迭代计算中初始待测激光脉冲复振幅E_i,m(t)为 m-1次迭代中对应计算出的光场复振幅，即E_i,m(t)＝N_i,m-1(t)；

4)计算经过高速光纤相位调制器6之后的光场复振幅为：

$P_{i,m}^{in}\left(t\right)=E_{i,m}\left(t\right)\exp \left(j\pi \frac{V}{V_{\pi }}B\right(t-m\Delta t\left)\right)---\left(10\right)$

其中V为调制电信号的电压幅值，V_π为高速光纤相位调制器(6)的半波电压，

B(t-mΔt)为具有mΔt的时间延时的调制电信号；

5)再计算经过色散光纤7之后的光场复振幅A_i,m(t)和光场相位分布分别为：

其中：F为傅里叶变换，F^-1为傅里叶逆变换，ω为光场角频率；

6)根据示波器8测量得到的经过高速光纤相位调制器6和色散光纤7的激光脉 冲强度I_m，代替(11)式计算得到的光场复振幅，并保留相位不变，得到更新后的 复振幅其过程如下：

7)将更新后的光场复振幅逆向传播到色散光纤7的输入端，得到更新后的 入射光场复振幅

$P_{i,m}^{out}\left(t\right)=F^{-1}\left\{F\right\{A_{i,m}^o\left\}\exp \right(-j\frac{{\beta }_{2}L}{2}{\omega }^2\left)\right\}---\left(13\right)$

8)根据下式计算高速光纤相位调制器6输入端待测激光脉冲的复振幅N_i,m(t)：

$\begin{array}{c}{N}_{i,m}\left(t\right)=E_{i,m}\left(t\right)+\frac{\left|\phi \left(t-m\Delta t\right)\right|}{{\left|\phi \left(t-m\Delta t\right)\right|}_{\max }}\frac{conj\left(\phi \left(t-m\Delta t\right)\right)}{{\left|\phi \left(t-m\Delta t\right)\right|}^2+\alpha }\left(P_{i,m}^{out}\left(t\right)-P_{i,m}^{in}\left(t\right)\right)\\ \phi \left(t-m\Delta t\right)=\exp \left(j\pi \frac{V}{V_{\pi }}B\left(t-m\Delta t\right)\right)\end{array}---\left(14\right)$

其中：|φ(t-mΔt)|_max为调制电信号加载在高速光纤相位调制器6上产生的相位调制， conj(*)为函数复共轭，α为防止除零因子；

9)当m<2n+1时，返回步骤3)；否则当m＝2n+1时，计算当前第i次迭代计算 的误差Error为：

$Error=\int dt\underset{m}{\Sigma }\frac{\left|\right|A_{i,m}\left(t\right){|}^2-I_m\left(t\right)|}{|I_m\left(t\right){|}_{max}}/(2n+1)---\left(15\right)$

10)若Error<β,则停止迭代计算，进行下一步骤11)；否则若Error>＝β, 且i<K,则返回步骤2)，其中β为最小计算误差，K为最大迭代次数；若i＝K，则进 行步骤(12)；

11)当迭代计算终止，待测激光脉冲的光场复振幅即为最后迭代计算终止时的 N_i,2n+1(t)，其相位分布根据光场复振幅N_i,2n+1(t)利用常规的相位解包裹算法得到待 测激光脉冲在时间上的相位分布为N_i,2n+1(t)/|N_i,2n+1(t)|；

12)当i＝K时，表明当前m的最大取值2n+1不能满足计算精度的要求，则令n＝n+1 增加激光脉冲强度I_m的测量数，返回步骤1)，继续进行计算。

实践表明,本发明采用全光纤化的结构，本发明装置结构紧凑，便于调整。采用 时间相位恢复的方法，可以对弱相位激光脉冲的相位进行测量。利用直接相位调制 的方法可以灵活控制调制电信号。可以工作在高重频与低重频情况下。