一种通过频谱操控实现光脉冲倍频的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种通过频谱操控实现光脉冲倍频的方法及系统，本系统包括一激光器，该激光器的输出端与光梳调制器连接，用于将种子光注入到该光梳调制器生成初始脉冲，光梳调制器的输出端经过光纤放大器与可编程光谱滤波器连接，该光梳调制器的控制端与频率综合器输出端连接；该可编程光谱滤波器采用相位解集中的一相位解对输入脉冲进行谱操控；其中，通过对公式

A Method and System for Optical Pulse Frequency Doubling by Spectrum Manipulation

【技术实现步骤摘要】
一种通过频谱操控实现光脉冲倍频的方法及系统
本专利技术涉及一种通过频谱操控实现光脉冲倍频方法及系统。通过推导得到脉冲无损无展宽倍频所需满足的电场方程，继而通过分析计算得到对应倍频倍数所需的频域相位解集，选择合适的频域相位解对输入光脉冲的频谱进行谱操控。通过软件编程控制光相位滤波器可以对输入光谱进行频谱操控，进而在输出端得到波形无损、无展宽的倍频脉冲，属于光信号处理领域。
技术介绍
具有超高重复频率的光学短脉冲，在高速光子采样、频率测量、高频毫米波产生等领域都有着深入的应用。而基于直接调制和锁模技术所产生的光脉冲，脉冲的重复频率一般受到对应驱动电信号和腔长的限制，无法满足在这些领域中，向高重频方向上发展的需要，因此业界迫切需要有一种高效率、高保真度、易操控的高频脉冲倍频方法。传统脉冲倍频方案是通过使用解复用器将原光脉冲的频谱在频域上均分为N份，并且通过光延时线等物理媒介将每份光谱施加不同的延时，最后将N份光谱复用合路，从而实现脉冲重频的N倍频。这种方案的显著缺点有两个：首先是对于高频的输入脉冲(重频10GHz以上)，光延时很难做到精确和稳定，延时误差会导致输入光脉冲在时间上不完全等间隔，同时抗干扰能力差；其次因为每个光脉冲所占频谱只有原光谱的1/N，导致最后输出的倍频光脉冲时域宽度发生展宽，为输入脉冲时域宽度的N倍，致使其时域脉宽不再符合应用中光学短脉冲的要求。中国专利“脉冲激光时间域倍频装置”(公开号为CN104538832A)保护了一种基于改进结构的装置，通过光纤分光器将输入光脉冲在功率域上均分为N份，并且使用毫米级别精度的延时线，实现了kHz级别的光脉冲倍频。这种方案克服了上述脉冲展宽的缺点，但同样受到上述延时线工艺精度限制，很难实现GHz以上高重频的脉冲倍频。除此之外，脉冲倍频的方案还包括以频域倍频作为倍频手段的方案。例如K.Yiannopoulos等人在[K.Yiannopoulos,et.al,“Ratemultiplicationbydouble-passingFabry-Perotfiltering,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2003,vol.15,pp:1294-1296]中通过使用法布里-珀罗腔，对输入光谱进行频域幅度滤波，保留输入光谱中1/N的成分，通过频域倍频实现时域倍频。这种方案因为只保留了1/N的光功率，会产生非常大的光损耗，同时对法布里-珀罗腔的制备工艺和工作环境要求较高。频域相位滤波的方案也可以实现光脉冲的时域倍频。J.Azana等人在[J.AzanaandM.A.Muriel,“Temporalself-imagingeffects:Theoryandapplicationformultiplyingpulserepetitionrates,”IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,2001,7(4):728-744]中基于光学衍射中的Talbot效应类比给出了一种可以实现光脉冲时域倍频所需的频域相位条件。这种特定的相位条件，将与其对应的物理器件限定为具有一阶色散特性的光纤或布拉格光纤光栅。A.M.Weiner等人在[A.M.Weiner,et.al,“Tunablepulserepetition-ratemultiplicationusingphase-onlyline-by-linepulseshaping,”OpticsLetters,2007,32(6):716-718]中提出利用可编程光谱滤波器，对光谱进行频域相位滤波，模拟Talbot效应中特定的相位形式，从而实现光脉冲的倍频。这种方案使高频光脉冲倍频成为软件编程可控的，大大减小了倍频系统的复杂度。但由于可编程光谱滤波器自身物理原理上固有的不完美特性，其在频域相位滤波的同时会产生幅度滤波效应，进而导致最终输出的倍频脉冲幅度不平坦。这种幅度滤波效应的剧烈程度与使用的频域相位特性有关。而上述所有频域滤波方案中采用的频域相位解单一，均是基于光学衍射中的Talbot效应类比得到，导致实际中无法在原理上通过改变相位解，来缓解幅度滤波效应对输出脉冲平坦度造成的不良影响。一种折中方案是主动进行额外的频域幅度滤波，作为预补偿来抵消相位滤波带来的不理想的幅度滤波效应。但这种方案会损失额外的光功率，并且同时在相位和幅度两个维度对光谱进行操作会增加倍频系统操作的复杂度，降低通过相位滤波实现高频光脉冲倍频在实际应用中的可行性。
技术实现思路
针对现有技术方案中存在的问题，本专利技术的目的在于通过理论推导提供一套灵活度更大的频域相位解集，进而可以选择合适的频域相位解对输入光脉冲频谱进行频域操控，从根本上部分或完全克服现有可编程脉冲倍频方案中存在的缺陷。同时本方案提供的相位解集也为无损脉冲倍频器件类型的拓宽提供了可能，使其不再局限于传统的一阶色散器件，更为灵活的相位设计使集成器件也可以满足无损倍频条件，可以在系统体积和功耗上做出改善。输入的待倍频脉冲序列的电场时域E(t)及傅里叶级数E(ω)可以表示为如下形式，其中t代表时间，ω代表角频率，a(t)为单个脉冲电场的时域形状(如高斯型)，T0为脉冲的时域重复周期：对其做傅里叶变换(FT)后可以得到：将一重求和改写为等效的二重求和，即将ak改写为amk+n并同时修改求和区间，为如下形式，其中m为希望实现的脉冲倍频倍数：对上式做傅里叶反变换(IFT)后，重新得到关于输入待倍频脉冲序列的电场时域E(t)如下式：和最初的输入待倍频脉冲序列的电场时域E(t)相比，单个脉冲电场时域形状a(t)未发生变化，仍与最初所述相同。并且在上式中，整个脉冲序列的重复频率也变为原有重频的m倍，但附加了额外的时域相位。可以通过可编程光谱滤波器对输入的待倍频光脉冲序列电场添加频域相位，从而抵消上述等价变换式中产生的额外时域相位，进而实现无损、无展宽的脉冲倍频。通过光谱滤波器对输入的待倍频光脉冲序列电场添加频域相位，为了保持输出光脉冲的无展宽特性，添加的相位应以m为周期循环，此处设为进行频谱操控添加频域相位后，可以得到输出的脉冲序列电场频域及其傅里叶反变换(IFT)后的时域如下二式：这里a(t)仍代表单个脉冲的电场时域形状，此式也证明了这个过程中，单个脉冲的时域形状不会发生改变。为了使输出的m倍频后的光脉冲具有平坦的幅度，需要满足下式：数学上指数函数具有周期性，上式也具有周期性。因此求解过程中k取值无需遍历所有整数。只需要满足下式：对于k的m个取值中的任意值，上式应该均得到满足。因此可以得到一个包含m个方程、m个未知数的方程组。为了求解这个超越方程组，可以根据所需的倍频倍数m取值，分为三种情形:当所需倍频倍数m为平方数(4,9,16……)，即m＝q2(q为正整数)时，上式可以改写成：此方程包含这m个未知数，这m个未知数有解如下(为方便表达，表示为矩阵形式)：上式中，通过基础的矩阵乘法，即可快捷得到实现无损、无展宽光脉冲m倍频所需的频域相位上式中的φ0,φ1,φ2,…,φq-1为可以任意选择的偏置取值，任何一种偏置取值所生成的都可以应用在可编程光谱滤波器当中，并实现无损、无展宽的光脉冲m倍频。除了可编程光谱滤波器，一些物理器件，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过频谱操控实现光脉冲倍频的系统，其特征在于，包括用于产生种子光的激光器，该激光器的输出端与光梳调制器连接，用于将种子光注入到该光梳调制器生成初始脉冲，光梳调制器的输出端经过光纤放大器与可编程光谱滤波器连接，该光梳调制器的控制端与频率综合器输出端连接；该可编程光谱滤波器采用相位解集中的一相位解对输入脉冲进行谱操控；其中，通过对公式

【技术特征摘要】
1.一种通过频谱操控实现光脉冲倍频的系统，其特征在于，包括用于产生种子光的激光器，该激光器的输出端与光梳调制器连接，用于将种子光注入到该光梳调制器生成初始脉冲，光梳调制器的输出端经过光纤放大器与可编程光谱滤波器连接，该光梳调制器的控制端与频率综合器输出端连接；该可编程光谱滤波器采用相位解集中的一相位解对输入脉冲进行谱操控；其中，通过对公式进行求解，得到m个频域相位即光脉冲m倍频所需的频域相位频域相位为对光脉冲进行m倍频时对应的相位解集，t0为光脉冲的初始时延，T0为光脉冲的时域重复周期。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当倍频倍数m为平方数，即m＝q2时，q为正整数，通过对矩阵求解得到m个当倍频倍数m为平方数的倍数，即m＝pq2时，p、q为正整数，通过对矩阵求解得到m个当倍频倍数m为其他取值情形时，通过公式求解得到m个其中，s取为与m互质的任意正整数。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，将所选相位解写入该可编程光谱滤波器，控制输入光脉冲频域相位时，采用迭代的办法来使可编程光谱滤波器实际施加的频域相位不断逼近预置的频域相位；其中对每一个频率点频域相位进行调整后就不再改动。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，首先从光谱中央的频率点开始进行相位调整，对每一个频率点频域相位进行调整时，以设定的增量开始，如果系统输出倍频脉冲的抑制比性能更优，则继续增加增量；否则减小增量。5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述设定的增量0.02ra...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭锐，杜华阳，彭焕发，徐永驰，朱立新，陈章渊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11