实现双光频梳系统重频倍频的方法及系统与流程

1.本发明涉及光频梳领域，特别是涉及一种实现双光频梳系统重频倍频的方法及系统。


背景技术：

2.飞秒激光频率梳，简称光频梳，在时域表现为飞秒超快脉冲序列，在频域则表现为宽光谱范围内等距分布的频率纵模。
3.光频梳诞生于21世纪初，经过20多年的不断发展和探索，其应用领域从早期的光学原子钟拓展到光谱分析、绝对距离测量、成像、系外行星探索等领域。其中，双光频梳光谱技术由于能够实现自动异步光采样的特性，只需单点探测器无需机械扫描部件即可实现高分辨率、高灵敏度、高准确度、宽光谱范围和快速的光谱测量，成为了影响基础和应用物理、分析化学和生物医学领域的一项重要技术，在环境监测、先进制造、国防军工、航空航天和科学研究等领域得到广泛应用。然而，在很多实际光谱测量应用场景下，光频梳的重频远小于光谱探测所需的分辨率，造成测量速度和灵敏度的无谓损失。为了提高双光频梳系统的测量性能，使其能够更适应大规模工业应用推广的需要，需要开发新的具有低复杂度、低成本、易于集成、鲁棒性强、易于实现的双光频梳重频倍频方法。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于弥补上述背景技术存在的不足，提供一种实现双光频梳系统重频倍频的方法及系统。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明的第一方面提供一种实现双光频梳系统重频倍频的方法，所述双光频梳包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源，其特征在于，所述方法包括：在信号光频梳光源和本振光频梳光源的输出端接入n阶级联的马赫曾德干涉仪，实时采集信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号，对采集的干涉信号截取出干涉峰，将所述干涉峰与参考干涉信号的干涉峰进行比较，计算获得由级联的马赫曾德干涉仪引入的静态时间偏移和色散啁啾，通过信号后处理算法消除级联的马赫曾德干涉仪带来的误差，恢复干涉信号的周期性，实现双光频梳光谱系统相位稳定的重频倍频。
8.进一步地：
9.所述马赫曾德干涉仪通过光纤耦合器、光纤环形器、空间光路、片上光波导中的任一种形式实现。
10.在所述马赫曾德干涉仪的干涉臂上设置光开关，以调节双光频梳系统的重频倍频系数。
11.第n阶马赫曾德干涉仪引入的延迟大约设定为：
[0012][0013]
其中，f
r
为待插入马赫曾德干涉仪光频梳的重复频率；k为一个任意的整数，n阶马赫曾德干涉仪可将双光频梳干涉信号的重频提高2
n
倍。
[0014]
各阶马赫曾德干涉仪同时接入信号光频梳光源和本振光频梳光源的输出端，或者，只接入其中一个光频梳光源的输出端；可选地，每一阶马赫曾德干涉仪的干涉臂数目可大于2。
[0015]
还包括：在使用马赫曾德干涉仪获得多脉冲模式的两台光频梳之后，将两台光频梳的输出合束，经过待测样品和参考光路，通过光电探测器对待测样品的光学频率响应进行探测，去除光源背景光谱影响后获得物质的吸收光谱信息。
[0016]
还包括：将信号光频梳和本振光频梳在合光之前分别分出一部分进行探测，获得重频信号，再分别通过锁相环溯源到射频基准上。
[0017]
还包括：采用两台波长不同但都位于双光频梳重叠光谱范围内的连续激光器，所述连续激光器分别和双光频梳的与自己邻近的纵模做拍，再对拍信号进行混频，获得双光频梳独立纵模之间的拍频，分别提取出双光频梳干涉信号中两根纵模作为误差信号，获得两台光频梳在连续激光器频率处的相对频率噪声；通过数字误差校正，消除相对频率噪声对双光频梳干涉信号产生的畸变干扰。
[0018]
对实时采集的干涉信号进行如下处理：将实时采集的干涉信号帧进行傅里叶变换，获得相频谱，与参考干涉信号帧的相频谱做差后进行多项式拟合，代表马赫曾德干涉仪引入的重频倍频误差；将实时干涉信号频谱移除拟合得到的相频响应后，反傅里叶变换回时域，得到校正后的干涉信号帧。
[0019]
本发明的第二方面提供一种实现双光频梳系统重频倍频的系统，包括光频梳光源模块、重频倍频与外差干涉模块以及信号采集与数据处理模块；所述光频梳光源模块包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的信号光频梳光源和本振光频梳光源；所述重频倍频与外差干涉模块在信号光频梳光源和本振光频梳光源的输出端接入级联的马赫曾德干涉仪，经双光频梳外差干涉之后获得多脉冲干涉信号，实现干涉信号帧数的指数倍增；所述信号采集与数据处理模块对干涉信号进行实时采集，并将其与参考值进行比较，获得各个干涉峰的出现时间和色散啁啾信息，通过信号后处理算法消除级联马赫曾德干涉仪引入的误差，恢复干涉信号的周期性，实现相位稳定的重频倍频。
[0020]
在本发明的一些实施例中，将n阶级联的马赫曾德干涉仪插入两台光频梳的输出端，由于双光频梳异步光采样原理，单位时间内的干涉峰数目会增加2
n
倍。n阶马赫曾德干涉仪可将双光频梳干涉信号的重频提高2
n
倍。对于马赫曾德干涉仪引入的长度偏差和色散啁啾，通过实时采集信号光频梳和本振光频梳产生的干涉信号，对采集的干涉信号截取出干涉峰，将其与任意选定的参考干涉峰进行比较，计算获得马赫曾德干涉仪产生的静态时间偏移和啁啾，通过数字后处理算法补偿这一不理想的相频传递函数，最终获得相位稳定的重频倍频双光频梳光谱系统。
[0021]
校正后的双光频梳干涉信号恢复了完全的相位稳定性，可进行逐帧的时域相干平均，在相同时间内相比倍频之前帧数增加2
n
倍，平均后可获得更高信噪比的干涉信号。最终实现的双光频梳光谱系统刷新速率提高2
n
倍，可用于快速时间分辨光谱测量。
[0022]
在一些实施例中，各阶马赫曾德干涉仪可同时插入两台光频梳的输出端，也可以只插入其中一个光频梳的输出端，各阶之间的前后次序可任意调节。每一阶马赫曾德干涉仪的干涉臂数目可大于2，各阶干涉臂的数目相乘，能够实现任意整数倍的重频倍频。
[0023]
在一些实施例中，马赫曾德干涉仪通过1
×
2和2
×
2光纤耦合器连接而成，同样也可通过光纤环形器、空间光路、片上光波导等形式实现。在马赫曾德干涉仪的干涉臂上可加入光开关，灵活调节双光频梳系统的重频倍频系数。
[0024]
在一些实施例中，在使用马赫曾德干涉仪获得多脉冲模式的两台光频梳之后，将两台光频梳的输出合束，经过待测样品和参考光路，使用光电探测器对样品的光学频率响应进行探测，去除光源背景光谱影响后获得物质的吸收光谱信息。
[0025]
在一些实施例中，两台光频梳光源的输出光分别分出一小部分打在光电探测器上，获得重频信号。通过锁相环将其锁定到射频信号发生器上，从而实现光频梳种子源的重复频率溯源和灵活调谐。锁相环无需高的带宽和锁定精度，只需要保证双光频梳的干涉信号频谱能够无混叠的落在采样定理限制的奈奎斯特频率范围即可。
[0026]
在一些实施例中，采用数字误差校正方法消除双光频梳之间的相对频率噪声。引入两台自由运行的连续激光器作为光学媒介，每一台连续激光器与两台光频梳的做拍后相互混频，可获得两台光频梳在连续激光器频率处的相对频率噪声。通过数字误差校正，可消除相对频率噪声对双光频梳干涉信号产生的畸变干扰。
[0027]
在一些实施例中，马赫曾德干涉仪引入的时间延时并不需要特别的精密长度控制，因为残余的光程误差只是会引起时间的静态偏移，可以通过信号后处理算法进行消除。此外，光纤引入的啁啾也无需进行色散补偿，同样可以通过算法进行校正。通过对所述两台光频梳合光产生的干涉信号进行实时采集，对采集的干涉信号逐帧截取出干涉峰，获得实时干涉信号帧，将其与参考信号帧比对，获得马赫曾德干涉仪引入的静态时间偏移和附加啁啾。
[0028]
在一些实施例中，将实时干涉信号帧进行傅里叶变换，获得相频谱，与参考干涉信号帧的相频谱做差后进行多项式拟合，代表马赫曾德干涉仪引入的重频倍频误差。将实时干涉信号频谱移除拟合得到的相频响应后，反傅里叶变换回时域，即可得到校正后的干涉信号帧，消除静态时间偏移和附加啁啾的影响。
[0029]
在一些实施例中，在两台光频梳光源的输出端接入级联的保偏光纤马赫曾德干涉仪，调节光频梳光源的偏振态，使其与保偏光纤光轴方向一致，提高光的耦合效率。单个马赫曾德干涉仪通过两个光纤耦合器实现，光频梳通过1
×
2光纤耦合器之后分成两束，经过不同的传播距离后再次通过耦合器合束。连续通过2
×
2的耦合器之后即可实现马赫曾德干涉仪的级联。
[0030]
两台光频梳经过马赫曾德干涉仪之后的光通过2
×
2耦合器合束，分别经过待测样品和无样品的参考光路，最终获得重频倍频的双光频梳干涉信号。当马赫曾德干涉仪的级联阶数为n时，干涉信号的重复频率值从最初的双光频梳的重频差提高2
n
倍。
[0031]
在一些实施例中，为了消除双光频梳相对频率噪声对干涉信号产生的畸变，引入两台自由运行的连续激光器作为光学媒介，分别提取出两台光频梳在不同频率位置的相对纵模拍频信号，希尔伯特变换求取瞬时频率和相位后获得对应干涉信号两根纵模的频率f
p1
、f
p2
和相位抖动δf
p2
(t)，计算出双光频梳干涉信号的时间抖动
[0032][0033]
以及载波包络相位抖动
[0034][0035]
对采集到的双光频梳干涉信号i0(t)，首先消除载波包络相位抖动
[0036][0037]
再利用时域重采样或插值消除时间抖动
[0038]
i2(t)＝i1(t
‑
δτ0(t))
[0039]
i2(t)即为完全校正双光频梳相对频率抖动之后恢复出的干涉信号，此时干涉信号恢复了完全的周期性，只残余激光相对强度噪声、探测器噪声、采样噪声等类型的幅值噪声干扰，可通过相干平均进行信噪比的提高。通过把连续的干涉信号i2(t)按照双光频梳的重频差作为重复周期进行分割，每一帧的信号可表示成采用如下公式计算m次相干平均后的干涉信号
[0040][0041]
由于n阶马赫曾德干涉仪的倍频作用，相干平均后的基础帧内包含的干涉峰数量为2
n
，因此基础帧可再次分割为2
n
个子帧。由于光纤马赫曾德干涉仪产生的实际延时和理论延时之间的差异，不同的干涉信号子帧之间存在静态时间偏移。此外，干涉仪不同臂引入的光纤色散不同，产生不同的啁啾。为此，将分割出的2
n
个子帧进行傅里叶变换，得到它们的相频谱p
i
(f)，选取其中任意一帧的相频谱p
k
(f)作为参考，得到其它帧的相对相频谱δp
i
(f)＝p
i
(f)
‑
p
k
(f)，对δp
i
(f)进行多项式拟合得到啁啾和静态时间偏移引入的相频传递函数采用如下公式进行数字的误差校正
[0042][0043]
再次相干平均后，可得到最终的干涉信号帧
[0044][0045]
傅里叶变换后将频率轴从射频域变换到光频域，即可得到双光频梳光源承载的光谱信息。通过比较测量臂和参考臂获得的光谱，即可得到物质的透射光谱和吸光度，实现宽光谱范围内物质组分、浓度、压强、温度等信息的测量。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0047]
本发明提供一种实现双光频梳光谱系统重频倍频方法及系统，在两台光频梳的输出端接入级联的马赫曾德干涉仪，双光频梳外差干涉之后获得多脉冲干涉信号，实现干涉信号帧数的指数倍增；信号采集与数据处理过程中，先对干涉信号进行实时采集，获得各个干涉峰的出现时间和色散啁啾信息，并将其与参考值进行比较，通过信号后处理算法消除级联马赫曾德干涉仪引入的误差，恢复干涉信号的周期性，实现相位稳定的重频倍频双光
频梳光谱系统。本发明仅使用被动的级联马赫曾德干涉仪和信号后处理算法，无需任何主动闭环或调谐环路即可实现双光频梳系统的有效倍频，能够进行长期相干平均，提高双光频梳系统的灵敏度和测量速度，该方法可用于提高双光频梳光谱和测距应用的性能。
[0048]
本发明只需使用成熟的光纤通信器件组成级联的马赫曾德干涉仪，结合信号后处理算法能够实现高紧凑度、高鲁棒性、低系统复杂度、高相位稳定性的重频倍频双光频梳光谱系统。相比于基于法布里
‑
珀罗谐振腔的重频倍频方法具有更高的能量利用率，无需闭环反馈控制，易于实现宽光谱范围。随着马赫曾德干涉仪级联阶数的增加，双光频梳干涉信号的获取速度和灵敏度可以以指数倍得到提升，实现更快速的时间分辨光谱测量。对需要高灵敏度的静态光谱测量，能够加速相干平均过程，在相同时间下获得更高的信噪比。为提高光频梳绝对距离测量、光谱分析和精密传感系统的性能提供了一种简单有效的方案。由于马赫曾德干涉仪已经成为了成熟的集成光学组件，本方法能够应用于芯片级集成光频梳的重频倍频，为提升片上光频梳光谱系统性能奠定了基础。
附图说明
[0049]
图1是本发明一种实施例的双光频梳光谱系统的结构示意图。
[0050]
图2是本发明一种实施例的信号采集与数据处理的流程图。
[0051]
图3是采用连续激光器作为媒介消除双光频梳光源噪声的原理示意图。
[0052]
图4是基于马赫曾德干涉仪的双光频梳异步光采样原理示意图。
具体实施方式
[0053]
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0054]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
[0055]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0056]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0057]
参阅图1和图2，本发明实施例提供一种灵活的重频倍频双光频梳光谱测量方法，包括光频梳光源模块、重频倍频与外差干涉模块以及信号采集与数据处理模块。所述光频梳光源模块包括重复频率不同且拥有重叠的光谱范围的两台光频梳光源。两台光频梳分别通过锁相环将重复频率锁定到频率基准，保证光频梳光源重频f
r1
和f
r2
的长期稳定性和可调谐性。双光频梳的重叠光谱范围δv和重频差δf
r
需满足带通采样定理要求。
[0058][0059]
由于重频锁定只能保证光频梳的长期稳定性，在短的时间尺度上两台光频梳依然处于自由运行状态，优选实施例对双光频梳的相对频率噪声引起的干涉信号的时间抖动和载波包络相位抖动进行实时的提取和补偿。为此，优选实施例中采用两台波长不同但都位于双光频梳重叠光谱范围内的连续激光器。如图3所示，连续激光器分别和两台光频梳与自己邻近的纵模做拍，再对拍信号进行混频，即可获得两台光频梳独立纵模之间的拍频。由于连续激光器只是起到一个中间媒介的作用，其频率噪声不会影响到抖动提取，因此采用自由运行的连续激光器即可满足要求。两台连续激光器能够分别提取出双光频梳干涉信号中两根纵模作为误差信号e1(t)和e2(t)。
[0060]
为了实现鲁棒、高效、高能量利用率的双光频梳重频倍频，提高干涉信号峰的刷新频率δf
r
，可将n阶级联的光纤马赫曾德干涉仪分别插入两台光频梳的输出端。为了避免不同偏振态导致干涉对比度下降，马赫曾德干涉仪全部采用保偏光纤。当光频梳光源的输出采用单模光纤传输时，为了提高的耦合效率，优选实施例在进入干涉仪之前使用偏振控制器调节入射光的偏振态，使其与保偏光纤光轴方向一致。单个马赫曾德干涉仪由两个光纤耦合器组成，光频梳通过1
×
2光纤耦合器之后分成两束，经过不同的传播距离后再次通过耦合器合束。连续通过2
×
2的耦合器之后即可实现马赫曾德干涉仪的级联。如图4所示，在光频梳1的输出光经过延时为δτ1的一阶马赫曾德干涉仪后，与光频梳2合光后，根据异步光采样过程，干涉信号产生的延时δt为
[0061][0062]
为了实现干涉信号重频的二倍频，满足δτ1＝1/2f
r1
。同理，如果向光频梳2的输出光引入δτ2的延迟，当δτ2＝1/2f
r2
时，也能产生相同的重频倍频效果。因此，为了实现2
n
倍的重频倍频，将马赫曾德干涉仪进行级联，第n阶马赫曾德干涉仪引入的延迟需大约设定为：
[0063][0064]
各阶马赫曾德干涉仪可以同时插入两台光频梳的输出端，也可以只插入任意光频梳的输出端，各阶之间的次序可任意调节。当插入光频梳1的输出端时，式中的f
r
取f
r1
，反之f
r
取f
r2
。各阶马赫曾德干涉仪中均加入光开关，可灵活控制干涉仪的阶数和延迟数目，实现重频倍频系数的灵活调节，使得光谱测量系统能够适应不同应用的需要。
[0065]
除了使用光纤耦合器，同样也可使用光纤环形器、空间光路、片上光波导等形式实现级联的马赫曾德干涉仪。耦合器的输入输出数目也可以灵活调节，使单阶马赫曾德干涉仪的干涉臂数目为任意整数。此时，级联马赫曾德干涉仪的总体重频倍频系数为各阶干涉臂数目相乘，从而能够实现任意整数倍的重频倍频。
[0066]
在经过级联的马赫曾德干涉仪之后，两台光频梳的输出脉冲产生了相应的时间延迟，利用2
×
2耦合器或空间光路合束之后分别经过待测样品和无样品的参考光路，最后入射到探测器，发生异步光采样之后获得多脉冲的干涉信号。其中，测量干涉信号包含了被测
样品产生的光谱调制，参考干涉信号既可以通过单独的参考光路获得，也可以通过对测量光谱进行多项式拟合、非线性函数拟合等方式获得双光频梳背景光谱，从而获得样品的光学响应函数。利用低通滤波器滤除干涉信号中高于f
r
/2的频率成分，进入信号采集与数据处理模块。
[0067]
图2示出了数据采集、处理与偏频控制的算法流程图，首先，可使用信号采集卡、示波器或fpga对双光频梳干涉信号i0(t)和误差信号e1(t)和 e2(t)进行adc采样。在信号调理阶段，对误差信号进行滤波，提取出需要的双光频梳纵模信号，并将其复数化为解析信号，方便后续的校正运算。对干涉信号寻找干涉峰，每2
n
个截取为一个基础帧，时间长度为双光频梳重频差的倒数1/δf
r
。在误差校正与相干平均阶段，首先对双光频梳光源相对频率噪声产生的干涉信号畸变进行误差计算和补偿，对采样到的两个通道误差信号进行希尔伯特变换获得射频纵模频率f
p1
、f
p2
和相位抖动δf
p2
(t)，采用如下公式可提取出时间抖动δτ0(t)和载波包络相位抖动
[0068][0069][0070]
对双光频梳干涉信号i0(t)，首先消除载波包络相位抖动
[0071][0072]
再利用时域重采样或插值消除时间抖动
[0073]
i2(t)＝i1(t
‑
δτ0(t))
[0074]
i2(t)即为完全校正双光频梳相对频率抖动之后恢复出的干涉信号，此时干涉信号恢复了完全的周期性，只残余激光相对强度噪声、探测器噪声、采样噪声等类型的幅值噪声干扰，可通过对时间长度为1/δf
r
的基础帧进行相干平均进行信噪比的提高。采用如下公式计算m次相干平均后的干涉信号
[0075][0076]
n阶级联的马赫曾德干涉仪会在基础帧内产生2
n
个子帧，但由于光纤马赫曾德干涉仪不同光程的延迟臂引入的啁啾不同，以及实际长度与理论长度之间的偏差导致不同子帧之间的静态时间偏移。
[0077]
为此，将分割出的2
n
个子帧进行傅里叶变换，得到它们的相频谱p
i
(f)，选取其中任意一帧的相频谱p
k
(f)作为参考，得到其它帧的相对相频谱δp
i
(f)＝p
i
(f)
‑
p
k
(f)，对δp
i
(f)进行多项式拟合得到啁啾和静态时间偏移引入的相频传递函数采用如下公式进行数字的误差校正
[0078][0079]
再次相干平均后，可得到最终的干涉信号帧
[0080][0081]
对进行傅里叶变换，可得到干涉信号频谱s
f
(f)，除以参考臂干涉信号计算得到的频谱s
ref
(f)后，消除双光频梳光源背景光谱，使用多项式拟合消除残余基线，获得被测样品的透射光谱t(f)，采用如下公式将频率轴从射频域变换到光频域
[0082][0083]
从而获得物质的吸收光谱t(υ)。根据朗伯比尔定律
[0084]
t(υ)＝e
‑
α(v)l
[0085]
可计算出被测样品的宽带吸光度信息α(v)，通过非线性voigt线型拟合等分析方法，可获得物质组分、浓度、压强、温度等信息。
[0086]
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
[0087]
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。