CN117031856B - 光学脉冲输出序列的控制装置及方法 - Google Patents

光学脉冲输出序列的控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种光学脉冲输出序列的控制装置及控制方法,所述控制装置包括分束器、载波包络相位探测单元以及非线性系数调整单元,所述分束器位于光学脉冲传输路径上,并至少将光学脉冲分为输出光和监测光;所述载波包络相位探测单元接收所述监测光,监测输出光的载波包络相位偏移量,形成反馈信息,并将所述反馈信息传送至非线性系数调整单元;所述非线性系数调整单元通过调整位光纤内部的非线性系数,从而稳定输出光的载波包络相位。本发明的控制装置及控制方法,可以通过调整光纤的非线性系数,补偿载波包络相位偏移量,从而实时调整并稳定出射光的CEP,提高***的稳定性,并且结构简单、灵活、便于集成。

Description

光学脉冲输出序列的控制装置及方法
技术领域
本发明涉及光学器件领域,尤其涉及一种光学脉冲输出序列的控制装置以及控制方法。
背景技术
载波包络相位(简称CEP)是指光学脉冲的载波(电磁波)与包络(强度包络)之间的关系,亦即相位。在光学脉冲与物质相互作用的过程中,CEP在很大程度上决定瞬时脉冲的电场强度。在与瞬时电场强度相关的实验中,CEP不同将会导致不同的物理现象,例如:阿秒物理、高次谐波截止区能量等。CEP在光学原子钟、量子相干控制、光频率梳等领域中也异常重要。CEP稳定方法分为主动式和被动式两种。主动CEP稳定方法通过对***的载波相位漂移(CEO)进行测量并反馈,基于反馈结果进行相应调控。主动式CEP调控方式,优点是对CEP的调控精准且稳定,缺点是在kHz重复频率高能量放大方式下实时测量反馈难以实现。被动CEP稳定包括利用差频过程实现控制(Physical Review Letters,Vol.88,No.13,133901,2002),通过光学参量放大(简称OPA)的基本原理实现控制(Optics Express,Vol.14,No.21,10109-10116)等。被动式CEP调控方式的缺点是CEP会随着环境、晶体温度、光束方向等因素发生漂移。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足,提出了一种光学脉冲输出稳定载波包络相位的控制装置和控制方法,其采用主动式CEP稳定方式,通过调整光纤的非线性系数补偿CEP偏移量,稳定出射光的CEP,以期至少部分地解决上述技术问题。
作为本发明的一方面,提供一种光学脉冲输出序列的控制装置,其特征在于,所述控制装置包括光纤、分束器、载波包络相位探测单元以及非线性系数调整单元。其中,光学脉冲经过所述光纤传输至所述分束器;所述分束器位于所述光学脉冲传输路径上,并至少将光学脉冲分为输出光和监测光;所述载波包络相位探测单元通过接收所述监测光,监测输出光的载波包络相位偏移量,形成反馈信息,并将所述反馈信息传送至非线性系数调整单元;所述非线性系数调整单元通过调整所述光纤的非线性系数从而稳定所述输出光的载波包络相位。
进一步的,所述光学脉冲传输路径依次为所述光纤、所述分束器以及所述载波包络相位探测单元;其中,所述载波包络相位探测单元仅通过监测光,并不通过输出光;以及所述光纤上设置有所述非线性系数调整单元,所述非线性系数调整单元调整所述光纤的非线性系数。
进一步的,所述非线性系数调整单元具体为变径圆柱体,所述光纤均匀缠绕在所述变径圆柱体上,通过所述变径圆柱体的周向均匀变径,从而均匀拉伸光纤,进而实现光纤非线性系数的均匀调整。
进一步的,所述非线性系数调整单元具体为除变径圆柱体以外可以均匀拉伸光纤的其他装置。
进一步的,经过分束器后,输出光与监测光的比例为1:1-99:1。
另一方面,一种采用上述任一项所述的控制装置的光学脉冲输出序列装置。
另一方面,本发明还提供一种光学脉冲输出序列的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:利用设置于光学脉冲传输路径上的分束器将光纤中传输的光学脉冲分为输出光和监测光;载波包络相位探测单元接收所述监测光,监测输出光的载波包络相位偏移量,形成反馈信息,并将所述反馈信息传送至非线性系数调整单元;所述非线性系数调整单元通过调整光学脉冲传输光纤的非线性系数,来稳定输出光的载波包络相位。
进一步的,所述光学脉冲传输路径依次为所述光纤、所述分束器以及所述载波包络相位探测单元;其中,所述载波包络相位探测单元仅通过监测光,并不通过输出光;以及所述光纤上设置有所述非线性系数调整单元,所述非线性系数调整单元调整所述光纤的非线性系数。
进一步的,所述非线性系数调整单元具体为变径圆柱体,所述光纤均匀缠绕在所述变径圆柱体上,通过所述变径圆柱体的周向均匀变径,从而均匀拉伸光纤,进而实现光纤非线性系数的均匀调整。
进一步的,所述非线性系数调整单元还可以是除变径圆柱体以外可以均匀拉伸光纤的任意其他装置。
进一步的,经过分束器后,输出光与监测光的比例为1:1-99:1。
基于上述方案可知,本发明的上述控制装置及控制方法,可以通过调整光纤非线性系数补偿CEP偏移量,从而稳定出射光的CEP。相对于现有技术,本发明的优点在于:能够实时调整出射光的CEP,提高***的稳定性,并且结构简单、灵活、便于集成。
附图说明
图1为本发明的光学脉冲输出稳定载波包络相位的控制装置的结构示意图;
图2为采用变径圆柱体时的光纤缠绕在变径圆柱体结构上的示意图;
图3为实施例1所形成的非线性系数与施加到光纤区域压电陶瓷电压之间的关系图;
图4为实施例2所形成的非线性系数与施加到光纤区域压电陶瓷电压之间的关系图;
图5为实施例3所形成的非线性系数与施加到光纤区域压电陶瓷电压之间的关系图;
图6为实施例4所形成的非线性系数与施加到光纤区域压电陶瓷电压之间的关系图;
上述附图中,附图标记含义如下:
1 可饱和吸收体 2 耦合器
3 光纤 4 分束器
5 载波包络相位探测单元
6 非线性系数调整单元
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1、2所示,可饱和吸收体1出射的脉冲经过耦合器2耦合进入光纤3(光学脉冲传输路径)中;光纤3上设置有非线性系数调整单元6,光在光纤3中传播,通过分束器4分成两路光,一路光作为输出光,另一路光为监测光,该监测光输入到载波包络相位探测单元5,所述载波包络相位探测单元5监测记录输出光CEP偏移量,并形成反馈信息;并基于该反馈信息实时调整非线性系数调整单元6,通过调整光纤3的非线性系数从而稳定输出光的CEP。
其中,载波包络相位探测单元5可以包括现有技术中任何可以对载波包络相位进行测量的装置,如超短脉冲产生与调控器、超连续谱光学器、f-2f模块等。
非线性系数调整单元6具体为变径圆柱体,所述光纤均匀缠绕在所述变径圆柱体上,通过所述变径圆柱体的周向均匀变径,从而均匀拉伸光纤,进而实现光纤非线性系数的均匀调整,通过非线性效应补偿CEP偏移量,稳定出射光的CEP。
进一步地,光纤3上设置非线性系数调整单元6。光纤3中传输的光线,具有一定带宽,不同波长的光在不同非线性系数下,产生的频移所对应的相移具有差别,根据载波包络相位探测单元5监测记录输出光载波包络相位偏移量,形成反馈信息;基于该反馈信息实时调整非线性系数调整单元6,通过调整与波长带宽对应的光纤3的非线性系数,从而调整光纤中光线的非线性系数,进而稳定输出光的载波包络相位,即CEP。
进一步的,所述非线性系数调整单元6还可以是除变径圆柱体以外的、可以均匀拉伸光纤的任意其它装置,如压电陶瓷元件等设备。
进一步地,经过分束器4后,输出光与监测光的比例为1:1-99:1。
其中,当光学脉冲输出时,由于环境因素如温湿度、振动等,会造成CEP漂移,即脉冲包络与相位出现相对偏差,相位有可能较脉冲包络延后也有可能提前。此时,对输出脉冲进行实时监测,当发现CEP漂移时,如发生相位较脉冲包络延后的漂移,则控制非线性系数调整单元6,调整光纤3的非线性系数,当提供负的非线性系数时,输出脉冲的相位将得到正向激励,从而补正相位较脉冲包络延后的漂移;相反,如发生相位较脉冲包络提前的漂移,则控制非线性系数调整单元6,调整光纤3的非线性系数,当提供正的非线性系数时,输出脉冲的相位将得到反向激励,从而补正相位较脉冲包络提前的漂移。
以压电陶瓷作为非线性系数调整单元,通过压电陶瓷均匀拉伸光纤调整光纤的非线性系数为例:
其中L为光纤长度,单位为m;n2为光纤初始非线性折射率,单位为m2/W;V为光纤V值,一般小于2.4为单模光纤;rc为光纤纤芯的初始半径,单位为m;rm为初始模场半径,单位为m,其中:
rm=(0.65+1.619/(V1.5)+2.870/(V6))*rc;
W为脉冲波长单位为m;
Gama为初始非线性增益系数,其中:
Gama=2*π*n2/(W*(π*rm2));
X为压电陶瓷形变系数,单位为m/V;U1为实际施加在压电陶瓷上的电压;因此,压电陶瓷的形变A=X*U1,单位为m;
拉伸后光纤长度为L2=L+A,单位为m;
拉伸后光纤纤芯半径为rc2,单位为m,其中:
rc2=sqrt((π*(rc2)*L/L2)/π)
其中,sqrt为正平方根计算函数;
拉伸后模场半径为rm2,单位为m,其中:
rm2=(0.65+1.619/(V1.5)+2.870/(V6))*rc2;
拉伸后非线性系数为Gama2,单位为m2/W,其中:
Gama2=2*π*n2/(W*(π*rm22));
当监测到发生相位较脉冲包络延后的漂移,则控制非线性系数调整单元6,调整光纤3的非线性系数,当提供负的非线性系数时,输出脉冲的相位将得到正向激励,从而补正相位较脉冲包络延后的漂移;相反,如发生相位较脉冲包络提前的漂移,则控制非线性系数调整单元6,调整光纤3的非线性系数,当提供正的非线性系数时,输出脉冲的相位将得到反向激励,从而补正相位较脉冲包络提前的漂移。其中不同的输入条件可以提供不同程度的非线性系数控制效果,具体如下实施例所示。
实施例1-4
实施例1-4中,均采用如上所述的本发明的控制方法和控制装置,只是具体参数不同(如下表1所示)。
光纤初始非线性折射率n2=3*10-20m2/W;
光纤V值为2.4;
光纤长度L为0.05m;
实施例1-4中的光纤纤芯的初始半径rc、实际施加在压电陶瓷上的电压U1、脉冲波长W的取值以及压电陶瓷形变系数分别如表1所示:
表1.实施例1-4中光纤纤芯的初始半径rc、实际施加在压电陶瓷上的电压U1、脉冲波长W的取值以及压电陶瓷形变系数的取值
实施例 rc(m) U1(V) X(m/V) W(m)
实施例1 5*10-6 0-150 6.67*10-9 1064×10-9
实施例2 5*10-6 0-220 4.45*10-9 1064×10-9
实施例3 2*10-6 0-150 6.67*10-9 1064×10-9
实施例4 2*10-6 0-220 4.45*10-9 1064×10-9
参见附图3~6,其中横坐标为施加到光纤区域压电陶瓷电压,纵坐标为非线性系数。当光纤纤芯的初始半径、压电陶瓷形变系数以及施加的电压范围发生变化时,非线性系数随施加到光纤区域压电陶瓷电压变化率的变化成不同数量级的响应,同时不同光纤纤芯的初始半径对非线性系数的影响最大,而压电陶瓷施加电压以及压电陶瓷形变系数对非线性系数的影响则相对较小。则在实际操作中,可以通过监测到的实际CEP漂移量,选择相适应的调整参数,进行出射光学脉冲的实时调整,做到主动调整并稳定出射光的CEP。
需要说明的是,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了元件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该元件也可以其他不同方式定位,如旋转90度或处于其他方位,并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光学脉冲输出序列的控制装置,其特征在于,所述控制装置包括光纤、分束器、载波包络相位探测单元以及非线性系数调整单元;
其中,光学脉冲经过所述光纤传输至所述分束器;所述分束器位于所述光学脉冲传输路径上,并至少将光学脉冲分为输出光和监测光;所述载波包络相位探测单元接收所述监测光,监测输出光的载波包络相位偏移量,形成反馈信息,并将所述反馈信息传送至非线性系数调整单元;所述非线性系数调整单元通过调整所述光纤的非线性系数从而稳定所述输出光的载波包络相位;
其中,所述非线性系数调整单元为变径圆柱体,所述光纤均匀缠绕在所述变径圆柱体上,通过所述变径圆柱体的周向均匀变径,从而均匀拉伸光纤,进而实现光纤非线性系数的均匀调整;或,
所述非线性系数调整单元为压电陶瓷,通过压电陶瓷均匀拉伸光纤,调整光纤的非线性系数。
2.如权利要求1所述的控制装置,其特征在于,所述光学脉冲传输路径依次为所述光纤、所述分束器以及所述载波包络相位探测单元;其中,所述载波包络相位探测单元仅通过监测光,并不通过输出光;以及
所述光纤上设置有所述非线性系数调整单元,所述非线性系数调整单元调整所述光纤的非线性系数。
3.如权利要求1所述的控制装置,其特征在于,经过分束器后,输出光与监测光的比例为1:1-99:1。
4.一种采用如权利要求1-3任一项所述的控制装置的光学脉冲输出序列装置。
5.一种光学脉冲输出序列的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
利用设置于光学脉冲传输路径上的分束器将光纤中传输的光学脉冲分为输出光和监测光;
载波包络相位探测单元接收所述监测光,监测输出光的载波包络相位偏移量,形成反馈信息,并将所述反馈信息传送至非线性系数调整单元;
所述非线性系数调整单元通过调整光学脉冲传输光纤的非线性系数,来稳定输出光的载波包络相位;
其中,所述非线性系数调整单元为变径圆柱体,所述光纤均匀缠绕在所述变径圆柱体上,通过所述变径圆柱体的周向均匀变径,从而均匀拉伸光纤,进而实现光纤非线性系数的均匀调整;或,
所述非线性系数调整单元为压电陶瓷,通过压电陶瓷均匀拉伸光纤,调整光纤的非线性系数。
6.如权利要求5所述的控制方法,其特征在于,所述光学脉冲传输路径依次为所述光纤、所述分束器以及所述载波包络相位探测单元;其中,所述载波包络相位探测单元仅通过监测光,并不通过输出光;以及
所述光纤上设置有所述非线性系数调整单元,所述非线性系数调整单元调整所述光纤的非线性系数。
7.如权利要求5所述的控制方法,其特征在于,经过分束器后,输出光与监测光的比例为1:1-99:1。
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