[发明专利]一种适用于时域光学的正/负二阶色散获取方法及系统

说明书

本发明公开了一种适用于时域光学的正/负二阶色散获取方法及系统，通过四波混频过程中的时域共轭操作将单模光纤中的二阶色散实现反号而三阶色散保持同号，再通过后续的色散补偿光纤直接进行级联；通过适当选取单模光纤和色散补偿光纤的长度，既可实现二阶色散大小相加，而三阶色散等于0。由于所选取的光纤是广泛应用，因此带宽较大而成本低廉。此外该方法不会像直接级联那样牺牲二阶色散，而是实现二阶色散的累积，可极大减小单模光纤所需长度。最后，只需简单将两种光纤互换既可实现任意符号的二阶色散获取。因此本系统可实现无三阶色散的同时实现大带宽的正/负二阶色散获取。

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及基于时域光学的快速测量领域，更具体地，涉及一种适用于时域光学的正/负二阶色散获取方法及系统。

背景技术

空间光学测量是指利用空间衍射、空间透镜等元器件组成的空间光学系统，将空间尺寸信息进行成像、傅里叶变换等操作来完成相关空间信息的测量，被广泛应用在生物显微成像、天文星体观测等。根据时空对应性(B.H.Kolner,“Space-time duality and thetheory of temporal imaging,”IEEE Journal of Quantum Electronics,30,1951–1963(1994))，时域光学测量是指利用大时域色散(对应空间衍射)、时域透镜(对应空间透镜)等元器件组成时域光学系统，将时域信息进行成像、傅里叶变换等操作来完成时域信号的测量。大时域色散是指大二阶色散模块，它可将波长信息通过色散拉伸映射到时域上，类似于空间夫琅禾费衍射。时域透镜是时域上的二次相位调制，在它的实施方法中，参量时域透镜是指飞秒脉冲通过时域大色散获得二次相位并通过四波混频加载在时域信号上。因此我们可以看到目前时域光学测量系统的器件基础都是时域大色散模块。在它的实施方法中，相对于空间衍射光栅对(R.L.Fork,O.E.Martinez,and J.P.Gordon,“Negative dispersionusing pairs of prisms,”Optics Letters,9,150–152(1984))、色散啁啾光栅(K.O.Hill,F.Bilodeau,B.Malo,T.Kitagawa,S.Thériault,D.C.Johnson,J.Albert,andK.Takiguchi,“Chirped in-fiber Bragg gratings for compensation of optical-fiber dispersion,”Optics Letters,19,1314–1316(1994))，光纤因为光纤通信的极速发展，具有极大的带宽、较低损耗和商业易得成为了时域大色散的主要方式。基于光纤的时域大色散模块组成的时域光学系统已经在超快显微镜、孤子爆炸和分子、激光锁模、时域放大和压缩、时域傅里叶变换、时域滤波、时域卷积和时域隐身等概念中获得了验证(R.Salem,M.A.Foster,and A.L.Gaeta,“Application of space–time duality to ultrahigh-speed optical signal processing,”Advances in Optics and Photonics,5,274–317(2013))。时域测量系统可实现超过带宽、精度和记录长度的测量，并能观察到超高速的非重复的和统计上罕见的信号。但类似于空间光学系统中的几何像差一样，时域光学测量中也存在时域像差带来的失真极大限制了测量系统的参数，导致目前时域光学测量系统更多是概念展示，很难进行实用化(C.V.Bennett and B.H.Kolner,“Aberrations in temporalimaging,”IEEE Journal of Quantum Electronics,37,20–32(2001))。目前时域像差主要是由时域大色散模块中的三阶色散带来的，三阶色散会扭曲时频映射而会给时域色散和时域透镜等带来极大的测量误差。以时间放大系统为例，由于存在三阶色散，其时间带宽积(类似于空间透镜F数)，即记录长度与时间分辨率之比，未超过450。因此为了克服这些三阶色散带来的测试限制，研究适用于时域光学的大带宽纯二阶色散模块是很有必要的，根据实用化要求，要求该模块具有大带宽、成本低、任意色散可得(正负色散)等优点。