基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置属于激光探测领域，该方法依据远端发射过来的功率极弱的飞秒脉冲序列，由本地飞秒激光器沿原方向发射新的脉冲序列，并利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应产生反馈信号，对本地飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，使得输出信号的脉冲与原信号实时重叠并锁定；该装置包括本地飞秒激光器、平衡光电探测单元、控制单元和分光光路；本发明专利技术在实现了飞秒激光脉冲中继传输的同时，保证了脉冲锁定偏差的阿伦方差在亚纳米量级。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光探测领域，主要涉及一种在超远距离精密测量中对飞秒激光进行中继传输的方法及装置。
技术介绍
超远距离精密激光测量是大型科学装置和空间飞行任务所必备的关键技术，随着科学技术的迅猛发展，其测程和精度的需求也在日益提高。例如，近年来引力波探测等大型科学装置的建造是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测也直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；而中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里。此外，在分布式小卫星合成孔径雷达等空间编队飞行任务中，各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，并突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。但是，上述任务需要对卫星间基线进行高精度测量，其精度要求达到亚毫米甚至更高量级，而测程要求则达到上百公里甚至更高。在上述超远距离精密激光测量任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统最终探测到的回光信号仅为出射信号中很小的一部分。例如，LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/1010。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而使得测距精度大幅度下降，最终无法满足测量需求。因此，需要在被测端对探测到的微弱光进行功率放大。另一方面，随着近年来飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测量方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。在飞秒激光测量的基础上进行光功率放大，将可以最大幅度地扩展目前激光测量系统的测程。在通信领域，如中国专利公布号CN101997612A，公布日2011年3月30日，专利技术《光放大装置及光中继器》，公布了一种基于掺铒光纤和泵浦激光器的光放大装置及光中继器，通过有源的方式提升了光信号的增益；又如中国专利公布号CN102244544A，公布日2011年11月16日，专利技术《长距光放大装置、PON和光信号传输方法》，公布了一种基于无源光纤网络的光放大装置，通过上下行光信号分路的方式实现了光网络的长距离传输。上述方法适用于光纤通信领域，但输出的光信号与原信号存在较大时域偏差。在信号探测领域，如中国专利公布号CN103475318A，公布日2013年12月25日，专利技术《一种用于测光系统中的光电信号放大电路》，公布了一种用于测光系统中的光电信号放大电路，通过电学方法实现了光信号的放大，但该方法在激光测量领域中应用时噪声较大，且难以实现对飞秒脉冲的放大；又如中国专利公布号CN103324003A，公布日2013年9月25日，专利技术《弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置》，公布了一种基于部分相干光泵浦的弱光信号非线性光学放大方法及装置，但该方法需要引入另一束泵浦光与被测信号进行耦合，且输出的光信号与原信号存在较大时域偏差。在激光测量领域，如2001年，SurveysinGeophysics第22卷第5期发表文章《Unifiedapproachtophoton-countingmicrolaserrangers,transponders,andaltimeters》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，输出的光信号与原信号存在较大时域偏差，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。在飞秒激光测距领域，如2010年，NaturePhotonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flightmeasurementwithfemtosecondlightpulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了较高的测距精度。但是，该方法目前只在测距装置中得以应用，并不能用来进行飞秒激光的探测和中继传输。综上所述，目前在激光探测领域中缺少一种在超远距离精密测量中对飞秒激光进行中继传输并消除输出光信号与原信号时域偏差的方法及装置。
技术实现思路
本专利技术针对上述方法及装置不能对飞秒激光进行中继传输以及输出的光信号与原信号存在较大时域偏差等问题，提出并设计了一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法及装置。利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应产生反馈信号，对飞秒激光器的脉冲重复频率进行反馈控制，在实现了飞秒激光中继传输的同时将输出信号与原信号的脉冲偏差控制在亚纳米量级。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法，该方法步骤如下：a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号；光源发出的飞秒激光脉冲序列进入中继光路后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号，另一束功率较弱作为参考信号；b、步骤a中的参考信号与输入信号在中继光路中汇合，先后通过三个周期性极化晶体，并相应产生三个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜实现原信号与二次谐波的分离；三个二次谐波信号在信号处理单元中分别由三个光电探测器探测后转化为电信号；c、信号处理单元对在步骤b中探测到的电信号进行处理，并产生控制信号，对光源发出的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法，其特征在于：该方法步骤如下：a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号；光源(3)发出的飞秒激光脉冲序列进入中继光路(1)后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号，另一束功率较弱作为参考信号；b、步骤a中的参考信号与输入信号在中继光路(1)中汇合，先后通过三个周期性极化晶体(8、14、18)，并相应产生三个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜(12、16、20)实现原信号与二次谐波的分离；三个二次谐波信号在信号处理单元(2)中分别由三个光电探测器(9、27、22)探测后转化为电信号；c、信号处理单元(2)对在步骤b中探测到的电信号进行处理，并产生控制信号，对光源(3)发出的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。
【技术特征摘要】
1.基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继方法，其特征在于：该方法步骤如下：
a、从远端发射过来的飞秒激光脉冲序列功率较弱，作为输入信号；光源(3)发出的飞秒激
光脉冲序列进入中继光路(1)后分为两束，其中一束功率较强作为输出信号，另一束功率较弱
作为参考信号；
b、步骤a中的参考信号与输入信号在中继光路(1)中汇合，先后通过三个周期性极化晶体
(8、14、18)，并相应产生三个波长减半的二次谐波信号，进而利用双色镜(12、16、20)实现
原信号与二次谐波的分离；三个二次谐波信号在信号处理单元(2)中分别由三个光电探测器(9、
27、22)探测后转化为电信号；
c、信号处理单元(2)对在步骤b中探测到的电信号进行处理，并产生控制信号，对光源(3)
发出的脉冲重复频率进行反馈控制，使参考信号和输入信号的脉冲在时域上实时重叠并锁定。
2.一种基于三周期性极化晶体的飞秒脉冲锁相中继装置，其特征在于：它由光源(3)、中
继光路(1)、和信号处理单元(2)组成；远端和光源(3)发射的激光分别射入中继光路(1)的两个
输入端；中继光路(1)的输出端分别指向远端和信号处理单元(2)的输入端；信号处理单元(2)
的输出端连接到光源(3)；
所述中继光路(1)的结构是：远端发射过来的飞秒激光经过一号扩束准直器(4)和一号四分
之一波片(5)后射向一号偏振分光镜(6)；光源(3)发出的激光经过二号偏振分光镜(25)后分为两
束，被透射的一束经过三号反射镜(24)、二号反射镜(23)和二...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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