本發(fā)明涉及光譜測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于全光傅里葉變換及雙光學(xué)頻率梳時(shí)域干涉的超高分辨率光譜測(cè)量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光譜測(cè)量在化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)、光纖通信等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于空間色散的光譜分析儀需要利用色散元件的機(jī)械旋轉(zhuǎn)或者線陣ccd來采集由于空間色散而分布于不同空間位置的波長信息。由于運(yùn)動(dòng)速度的限制，機(jī)械旋轉(zhuǎn)的采集方式使得光譜測(cè)量的速度相對(duì)較慢；而線陣ccd的采集方式雖然可以大大提高測(cè)量速度，但往往會(huì)使得其測(cè)量精度有所下降。因此，傳統(tǒng)的光譜分析儀并不適用于一些需要對(duì)光譜進(jìn)行快速且精細(xì)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。為滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，近年來許多新型的光譜測(cè)量方法相繼被提出，例如大色散實(shí)時(shí)傅里葉變換(adft)、雙光梳光譜測(cè)量、基于時(shí)域透鏡波長-時(shí)間映射功能的參量光譜分析儀(pasta)等。adft利用大色散光纖將輸入光譜信息直接映射到時(shí)間上，并通過光探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器在時(shí)間軸上進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)簡單且具有超快的測(cè)量特性，但由于輸入信號(hào)僅限于短脈沖以及長光纖帶來的巨大損耗，使得adft在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。雖然結(jié)合分布式拉曼放大技術(shù)可以補(bǔ)償光纖損耗，但是由于在色散作用下功率是一個(gè)發(fā)散的過程，因此其測(cè)量靈敏度較低。另一方面，隨著光頻梳技術(shù)的發(fā)展成熟，光頻梳的模式間距以及絕對(duì)頻率均可通過鎖相穩(wěn)定，因此其在高精度頻譜測(cè)量領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，例如近年來受到廣泛關(guān)注的雙光梳光譜測(cè)量方法。雙光梳光譜測(cè)量利用兩路存在微小重復(fù)頻率差的光學(xué)頻率梳作為光源，其中一路作為探測(cè)光與樣品作用后與另一路作為參考信號(hào)的光梳進(jìn)行干涉，通過提取干涉信號(hào)并做傅里葉變換可以讀出探測(cè)光梳光譜幅度以及相位的變化。這種光譜測(cè)量方法在測(cè)量速度、光譜分辨率、以及探測(cè)靈敏度等方面都體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且沒有色散元件的參與。但是其僅適用于測(cè)量樣品的吸收光譜，因此實(shí)際應(yīng)用范圍具有很大的局限性。pasta光譜分析系統(tǒng)利用時(shí)域透鏡實(shí)現(xiàn)波長到時(shí)間的映射，將輸入信號(hào)不同的波長分量匯聚到不同的時(shí)間位置，并利用光探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器探測(cè)輸出脈沖從而得到輸入的光譜信息。pasta系統(tǒng)適用于任意波形的輸入信號(hào)，且由于其波長-時(shí)間的映射是一個(gè)能量匯聚的過程，其測(cè)量靈敏度相比于adft得到了很大的提高。在測(cè)量速度方面，pasta的幀速率取決于時(shí)域透鏡中掃頻泵浦脈沖的重復(fù)頻率，典型的如100mhz；在測(cè)量精度方面，pasta的頻譜分辨率首先取決于掃頻泵浦的光譜帶寬以及泵浦色散大小，但最終由于光探測(cè)器以及實(shí)時(shí)示波器的帶寬限制，使得pasta的分辨率被嚴(yán)重劣化。此外，由于要求大帶寬的探測(cè)器以及實(shí)時(shí)示波器，pasta光譜分析系統(tǒng)的成本較高，其實(shí)用性受到了較大的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何低成本地實(shí)現(xiàn)適用于任意形式輸入光信號(hào)的高精度快速光譜測(cè)量。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先提出一種基于全光傅里葉變換及雙光學(xué)頻率梳時(shí)域干涉的超高分辨率光譜測(cè)量方法，包括以下步驟：

a、產(chǎn)生兩路具有微小重復(fù)頻率差的超短脈沖序列，一路作為探測(cè)脈沖，另一路作為參考脈沖；

b、探測(cè)脈沖序列通過色散φ1作用得到攜帶時(shí)間二次相位的泵浦脈沖序列；

c、所得泵浦脈沖與待測(cè)光信號(hào)通過四波混頻作用并濾出所產(chǎn)生的閑頻光，實(shí)現(xiàn)時(shí)域透鏡功能；

d、所得閑頻光通過色散φ2壓縮實(shí)現(xiàn)波長到時(shí)間的映射，得到時(shí)域上攜帶待測(cè)光譜信息的光信號(hào)；

e、時(shí)域上攜帶待測(cè)光譜信息的光信號(hào)對(duì)一個(gè)連續(xù)波光信號(hào)進(jìn)行交叉相位調(diào)制，從而將光譜信息轉(zhuǎn)換到連續(xù)波光信號(hào)的相位上，且載波波長統(tǒng)一到所述連續(xù)光波長上；

f、所得相位上攜帶待測(cè)光譜信息的光信號(hào)通過光學(xué)濾波抑制其載波，實(shí)現(xiàn)相位信息到強(qiáng)度信息的轉(zhuǎn)換，得到強(qiáng)度上攜帶待測(cè)光譜信息的光信號(hào)；

g、所得光信號(hào)與步驟a所述參考脈沖序列進(jìn)行疊加干涉；

h、所得干涉信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后經(jīng)濾波、校準(zhǔn)、定標(biāo)恢復(fù)出待測(cè)光譜信息；

其中，步驟a中的探測(cè)脈沖序列與參考脈沖序列的脈沖重復(fù)頻率差與其脈沖重復(fù)頻率相比小4到5個(gè)數(shù)量級(jí)；

其中，步驟b中的色散量φ1與步驟d中的色散量φ2滿足φ2＝-φ1/2。

其中，步驟e中的連續(xù)波波長與步驟a中的參考脈沖序列的載波波長的波長間隔小于參考脈沖光譜帶寬的一半；

其中，步驟e中的交叉相位調(diào)制過程通過控制光功率使得最大非線性相移小于或等于π。

本發(fā)明同時(shí)提出了一種基于全光傅里葉變換及雙光學(xué)頻率梳時(shí)域干涉的超高分辨率光譜測(cè)量裝置，包括第一光學(xué)頻率梳光源，色散補(bǔ)償光纖，第一光耦合器，第一高非線性光纖，第一光學(xué)濾波器，單模光纖，連續(xù)光光源，第二光耦合器，第二高非線性光纖，第二光學(xué)濾波器，光纖布拉格光柵濾波器，第二光學(xué)頻率梳光源，第三光耦合器，光電探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器；

所述第一光學(xué)頻率梳光源，用于產(chǎn)生超短脈沖序列作為探測(cè)脈沖；

所述色散補(bǔ)償光纖，用于對(duì)探測(cè)脈沖進(jìn)行色散作用，得到攜帶時(shí)間二次相位的泵浦脈沖序列；

所述第一光耦合器，用于將待測(cè)光信號(hào)與泵浦脈沖耦合到一起；

所述第一高非線性光纖，用于待測(cè)光信號(hào)與泵浦脈沖四波混頻過程的非線性介質(zhì)；

所述第一光學(xué)濾波器，用于將四波混頻過程產(chǎn)生的閑頻光濾出；

所述單模光纖，用于對(duì)產(chǎn)生的閑頻光進(jìn)行色散壓縮，實(shí)現(xiàn)波長到時(shí)間的轉(zhuǎn)換；

所述連續(xù)波光源，用于產(chǎn)生單一波長的連續(xù)波光信號(hào)；

所述第二光耦合器，用于將單模光纖輸出的光信號(hào)與連續(xù)波光信號(hào)耦合到一起；

所述第二高非線性光纖，用于單模光纖輸出光信號(hào)與連續(xù)波光信號(hào)交叉相位調(diào)制過程的非線性介質(zhì)；

所述第二光學(xué)濾波器，用于濾出交叉相位調(diào)制后的連續(xù)光波長處的光信號(hào)；

所述光纖布拉格光柵濾波器，用于抑制第二濾波器輸出光信號(hào)的載波，實(shí)現(xiàn)相位信息到強(qiáng)度信息的轉(zhuǎn)換；

所述第二光學(xué)頻率梳光源，用于產(chǎn)生超短脈沖序列作為參考脈沖；

所述第三光耦合器，用于將光纖布拉格光柵濾波器的輸出與參考脈沖耦合到一起，進(jìn)行疊加干涉；

所述光電探測(cè)器，用于將干涉光信號(hào)的強(qiáng)度包絡(luò)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

所述實(shí)時(shí)示波器，用于對(duì)光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示；

其中，所述第一光學(xué)頻率梳光源與第一光學(xué)頻率梳光源，其重復(fù)頻率分別鎖定到兩個(gè)穩(wěn)定的射頻頻率上，兩個(gè)射頻頻率的差值與其絕對(duì)頻率相比小4到5個(gè)數(shù)量級(jí)。

其中，所述色散補(bǔ)償光纖的色散量為所述單模光纖的兩倍。

其中，所述連續(xù)波光源的波長與第二光學(xué)頻率梳光源的中心波長之間的波長間隔小于第二光學(xué)頻率梳光源光譜帶寬的一半。

其中，所述光探測(cè)器、實(shí)時(shí)示波器均為小帶寬器件，其帶寬與光學(xué)頻率梳光源的重復(fù)頻率相比擬。

本發(fā)明通過光纖中的時(shí)域傅里葉變換過程將光信號(hào)的光譜信息映射為超短光脈沖的時(shí)間位置信息，超短光脈沖精細(xì)的時(shí)間尺度保證了對(duì)待測(cè)光信號(hào)較高的光譜分辨率；而利用雙光梳時(shí)域干涉技術(shù)對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行了大尺度的拉伸，從而可以通過低帶寬的探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器對(duì)待測(cè)光譜信息直接進(jìn)行探測(cè)、顯示，從而大大降低了系統(tǒng)成本、提高了光譜分辨率。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明；但本發(fā)明的超高分辨率光譜測(cè)量方法及裝置不局限于實(shí)施例。

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施的超高分辨率光譜測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)為具有微小重復(fù)頻率差且中心波長相同的兩列光梳脈沖時(shí)域疊加干涉并低通濾波的結(jié)果。

圖2(b)為其中一列光梳脈沖進(jìn)行一定延時(shí)后兩者的時(shí)域疊加干涉并低通濾波的結(jié)果。

圖3(a)為待測(cè)光信號(hào)直接進(jìn)行傅里葉變換得到的光譜圖。

圖3(b)為待測(cè)光信號(hào)通過本發(fā)明的測(cè)量裝置得到的仿真輸出結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的超高分辨率光譜測(cè)量方法采用如圖1所示的超高分辨率光譜測(cè)量裝置來具體實(shí)施，該裝置包括第一光學(xué)頻率梳光源1，色散補(bǔ)償光纖2，第一光耦合器3，第一高非線性光纖4，第一光學(xué)濾波器5，單模光纖6，連續(xù)光光源7，第二光耦合器8，第二高非線性光纖9，第二光學(xué)濾波器10，光纖布拉格光柵濾波器11，第二光學(xué)頻率梳光源12，第三光耦合器13，光電探測(cè)器14，實(shí)時(shí)示波15。

本發(fā)明具體實(shí)施的超高分辨率光譜測(cè)量方法具體包括如下步驟：

1)第一光學(xué)頻率梳光源采用鎖模光纖激光器，產(chǎn)生脈寬為1ps左右、脈沖重復(fù)頻率為f1＝100mhz的超短脈沖序列。

2)由于第一光頻梳光源產(chǎn)生的超短脈沖光譜帶寬較大，其經(jīng)過色散光纖(色散量大小為1.1ns/nm)后的幅度響應(yīng)可近似看做常數(shù)，因此色散補(bǔ)償光纖輸出的泵浦脈沖時(shí)域表達(dá)式可寫為ep(τ)＝exp(–iτ²/2φ1)，其中φ1為色散補(bǔ)償光纖的群時(shí)延色散。

3)泵浦脈沖與待測(cè)光信號(hào)ein(τ)(頻域上為uin(ω))在第一非線性光纖中通過四波混頻作用產(chǎn)生閑頻光光場(chǎng)為ei(τ)＝ein^*(τ)ep²(τ)＝ein^*(τ)h(τ),其中h(τ)＝exp(–iτ²/φf)(傅里葉變換為h(ω))即為時(shí)域透鏡的傳遞函數(shù)，φf＝φ1/2為時(shí)域透鏡的焦距色散。

4)產(chǎn)生的閑頻光場(chǎng)經(jīng)過一段色散為φ2＝-φf的單模光纖(頻域傳遞函數(shù)為g2(ω)＝exp(iφ2ω²/2))實(shí)現(xiàn)波長到時(shí)域的映射，得到輸出光場(chǎng)為

輸出光強(qiáng)度為

從上式可以看到，輸入光信號(hào)的光譜強(qiáng)度包絡(luò)被映射到輸出光信號(hào)的時(shí)域光強(qiáng)上，波長與時(shí)間的映射關(guān)系為

τ＝2πcφf/λ0(3)

其中λ0為探測(cè)光梳脈沖的中心波長。因此只需要用光探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器就可以從時(shí)間上分辨出輸入的波長信息。然而由于輸出光場(chǎng)的光譜帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前光探測(cè)器以及實(shí)時(shí)示波器的帶寬范圍。直接利用大帶寬光探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行探測(cè)的方案一方面會(huì)使的系統(tǒng)分辨率劣化，同時(shí)會(huì)使得系統(tǒng)成本較高，而本發(fā)明利用雙光梳時(shí)域干涉的原理可解決此問題。事實(shí)上，當(dāng)待測(cè)光信號(hào)為單波長信號(hào)時(shí)，單模光纖將輸出一個(gè)重復(fù)頻率為100mhz的超短脈沖序列；當(dāng)待測(cè)信號(hào)為多波長信號(hào)時(shí)，單模光纖將對(duì)應(yīng)輸出多個(gè)重復(fù)頻率為100mhz且具有相對(duì)延時(shí)的超短脈沖序列，相對(duì)延時(shí)量則對(duì)應(yīng)不同波長之間的波長差。若引入另一路重復(fù)頻率為f1-δf(δf＝f1/10⁵～f1/10⁴)的光梳脈沖作為參考脈沖序列與上述輸出信號(hào)進(jìn)行疊加干涉，則類似于線性采樣的過程，可對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行大尺度的拉伸，從而可以通過低速的探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行直接探測(cè)。如圖2(a)所示為重復(fù)頻率分別為f1＝100mhz和f2＝99.999mhz、中心波長相同的兩列光梳脈沖時(shí)域疊加并低通濾波的結(jié)果，圖2(b)為光梳脈沖序列1進(jìn)行一定的延時(shí)后的干涉疊加并低通濾波的結(jié)果?？梢钥吹剑瑫r(shí)間軸相當(dāng)于被放大了f1/δf＝10⁴～10⁵倍。

5)由于對(duì)于不同的待測(cè)波長，單模光纖輸出的脈沖序列具有不同的中心波長。因此需要首先對(duì)單模光纖的輸出信號(hào)進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的波長上。具體做法是將單模光纖的輸出信號(hào)的光強(qiáng)通過第二高非線性光纖中的交叉相位調(diào)制過程轉(zhuǎn)換到一個(gè)連續(xù)波光光源產(chǎn)生的1560nm的連續(xù)光的相位上，控制光功率可以使得最大非線性相移小于或等于π。用中心波長在1560nm的第二光學(xué)帶通濾波器濾波，并利用光纖布拉格光柵濾波器抑制掉1560nm的載波進(jìn)行相位信息到強(qiáng)度信息的轉(zhuǎn)換，從而將單模光纖的輸出光信號(hào)的載波波長統(tǒng)一到了1560nm。

6)第二光學(xué)頻率梳光源采用鎖模光纖激光器，產(chǎn)生脈寬為1ps左右、脈沖重復(fù)頻率為f2＝99.999mhz(即δf＝1khz)、中心波長為1560nm的超短脈沖序列，作為參考光梳脈沖。參考脈沖與上述進(jìn)行了波長統(tǒng)一后的光信號(hào)進(jìn)行疊加干涉并用低速探測(cè)器探測(cè)干涉信號(hào)，進(jìn)行低通濾波后用小帶寬的實(shí)時(shí)示波器即可實(shí)時(shí)顯示。

圖3(a)為待測(cè)光信號(hào)直接進(jìn)行傅里葉變換得到的光譜圖，圖3(b)為通過本發(fā)明的測(cè)量裝置得到的仿真輸出結(jié)果。可以看出，本發(fā)明的一種超高精度光譜測(cè)量方法及裝置可將輸入波長映射為輸出時(shí)間，從而對(duì)輸入光譜進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，其波長分辨率優(yōu)于8pm，測(cè)量幀速率為δf＝1khz，同時(shí)使用小帶寬的光探測(cè)器及實(shí)時(shí)示波器即可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)成本大大降低。

以上具體實(shí)施例僅用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的一種超高精度光譜測(cè)量方法及裝置，本發(fā)明并不局限于實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。