一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测装置及方法 (Attosecond precision timing detection device and method based on linear optical effect ) 是由 辛明 弗朗茨·卡特纳 凯末尔·沙法克 王童 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测装置及方法,方法如下：为输入光的光脉冲信号引入射频偏移频率,并对引入射频偏移频率的光脉冲信号引入待测量的定时误差；将原光脉冲信号与引入定时误差的光脉冲信号相互耦合；经耦合后输出的光脉冲信号被转换为电信号,在时域表现为电脉冲序列,电脉冲序列中包含了射频偏移频率信号,通过带通滤波器提取该射频偏移频率信号；提取射频偏移频率信号的包络信号,该包络信号包含了待测量的定时信息；实时记录不同延时下的包络信号电压值即能够得到待测量定时装置引入的定时信息与本发明探测装置的最终输出电压的关系曲线,从而完成定时标定的过程。(The invention discloses an attosecond precision timing detection device and method based on linear optical effect, the method comprises the following steps: introducing a radio frequency offset frequency into an optical pulse signal of input light, and introducing a timing error to be measured into the optical pulse signal introduced with the radio frequency offset frequency; mutually coupling the original optical pulse signal and the optical pulse signal which introduces timing error; the coupled output optical pulse signals are converted into electric signals, the electric signals are represented as an electric pulse sequence in a time domain, the electric pulse sequence comprises radio frequency offset frequency signals, and the radio frequency offset frequency signals are extracted through a band-pass filter; extracting an envelope signal of the radio frequency offset frequency signal, wherein the envelope signal contains timing information to be measured; the relation curve between the timing information introduced by the timing device to be measured and the final output voltage of the detection device can be obtained by recording the envelope signal voltage values under different delays in real time, so that the process of timing calibration is completed.)
技术领域
本发明涉及超快光学技术领域，特别涉及一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测方法及平衡装置。
背景技术
高精度定时探测装置被视为众多前沿应用中的关键组件。例如，在X射线自由电子激光器(XFEL)等下一代光子大科学工程中，为实现亚原子级时空分辨率的科学目标，光纤链路的定时稳定与分配、远程激光/微波同步以及泵浦探测实验都需要高精度的定时探测。此外，最近高精度定时检测在大型天文望远镜阵列、应变传感、可移动光学时钟、飞行时间检测、高功率脉冲相干合成、超短光脉冲合成、孤子表征等领域均发挥了关键作用。一般来说，被动锁模固体激光器在高频分量(比如>100kHz)处表现出极低的定时抖动，这使得它成为定时探测的理想信号源。在过去的20年里，多种基于锁模激光器的定时检测技术被相继提出。最初，通过将激光输出发送到光电探测器来直接检测定时信息，这种方法严重受限于幅度-相位转化噪声(由光生载流子、载流子散射、能量依赖的空间电荷效应等导致)。为了克服这个问题，人们提出了平衡光学互相关(Balanced optical cross-correlator，BOC)方案。由于该技术的简单性、长期稳定性和对幅度相位转化噪声的免疫性，它被广泛用于目前相当多的高精度定时测量和应用中。然而，由于BOC方案是基于非线性光学效应，当输入平均光功率低于1mW时，它通常不能提供足够的定时分辨率。最近，基于外差技术的线性定时探测方案已经被报道，它有可能在较低的光功率水平下工作，但与BOC方案相比，其代价是更加昂贵的成本与复杂的实验装置。因此，到目前为止，还没有一个能够在低输入光功率下工作的简单、可靠的定时探测器。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测装置，包括依次设置的激光源与调制单元、光耦合单元、光电转换单元、滤波单元、检波单元与差分运算单元，所述激光源与调制单元包括激光源和光调制器件，所述光耦合单元包括第一耦合预处理装置、第二耦合预处理装置和第三耦合预处理装置、第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器；所述光电转换单元包括第一光电探测器和第二光电探测器；滤波单元包括第一带通滤波器和第二带通滤波器，所述检波单元包括第一检波装置和第二检波装置；
所述激光源与调制单元输出零阶衍射光与一阶衍射光；其中，一阶衍射光的载波频率获得射频信号的频率偏移，零阶衍射光维持原脉冲状态不变；一阶衍射光通过待测量定时装置后依次传输至第二耦合预处理装置和第二耦合器，零阶衍射光通过分光处理装置后等分为两路零阶衍射光，其中一路零阶衍射光依次传输至第一耦合预处理装置和第一耦合器；另一路零阶衍射光依次传输至第三耦合预处理装置和第三耦合器；
一阶衍射光通过第二耦合器后等分为两路一阶衍射光，第二耦合器输出的其中一路一阶衍射光与第一耦合预处理装置输出的零阶衍射光通过第一耦合器耦合后依次传输至第一光电探测器、第一带通滤波器、第一检波装置和差分运算单元；第二耦合器输出的另一路一阶衍射光与第三耦合预处理装置输出的零阶衍射光通过第三耦合器耦合后依次传输至第二光电探测器、第二带通滤波器、第二检波装置和差分运算单元；最终通过差分运算单元输出探测结果。
进一步的，所述分光处理装置由半波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、银镜、手动平移台组成，所述半波片、偏振分光棱镜依次设置，所述四分之一波片、银镜依次设置于偏振分光棱镜的一侧，所述银镜设置于所述手动平移台。
进一步的，半波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、和银镜用于将零阶衍射光分成两束，手动平移台用于调节两束零阶衍射光的光程以获得所需的延迟差。
进一步的，所述待测量定时装置为延迟线、压电器件、平移台、受物理效应扰动的透光介质其中的一种。
进一步的，第一耦合预处理装置、第二耦合预处理装置和第三耦合预处理装置均用于调整光信号偏振方向，并将光信号导入到相应耦合器的输入端口，且均由依次设置的半波片与光学准直器组成。
进一步的，所述第一检波装置和第二检波装置均由依次设置的低噪声射频放大器和零偏压肖特基二极管组成。
进一步的，所述光调制器件为声光调制器、电光调制器、磁光调制器、集成光电子调制器其中的一种，用于对入射光源进行调制。
本发明还提供一种基于线性光学效应的阿秒精度定时探测方法，包括以下步骤：
步骤1、为输入光的光脉冲信号引入射频偏移频率，并对引入射频偏移频率的光脉冲信号引入待测量的定时误差；
步骤2、将原光脉冲信号与引入定时误差的光脉冲信号相互耦合；
步骤3、经耦合后输出的光脉冲信号被转换为电信号，在时域表现为电脉冲序列，电脉冲序列中包含了射频偏移频率信号，通过带通滤波器提取该射频偏移频率信号；
步骤4、提取射频偏移频率信号的包络信号，该包络信号包含了待测量的定时信息；实时记录不同延时下的包络信号电压值V检波即能够得到定时误差与V检波的关系曲线，从而完成定时标定的过程。
其中，步骤1中输入光的光脉冲信号的电场时域表达式E(t)为
其中t是时间，k是光脉冲序号，j是虚数单位，A(t)是输入光脉冲包络，ω0是光载波的角频率，T是光脉冲序列的重复周期；则步骤4的V检波满足以下关系：
其中，α是与检波装置的非线性特性有关的参数，n是傅里叶级数的序号，An为原光脉冲序列的傅里叶级数，Bn为引入射频偏移频率后的光脉冲序列的傅里叶级数，为Bn的共轭；Δt为定时误差。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)当下最流行的平衡光学互相关定时探测器是基于非线性光学效应，光学非线性效应需要较高的输入光功率，而本发明提出的定时探测方法基于线性光学效应，仅需以毫瓦量级的输入光功率即可达到阿秒量级的定时精度。
(2)随着输入功率的降低，非线性光学效应的衰减速度要远远快于线性光学效应，所以输入功率越低，本发明提出的定时探测方法相对于平衡光学互相关定时探测器的优势就越明显。输入光功率同为1毫瓦时，本发明提出的定时探测方法的探测噪声基底比平衡光学互相关定时探测器低5个数量级；输入光功率同为1微瓦时，本发明提出的定时探测方法的探测噪声基底比平衡光学互相关定时探测器低12个数量级。
(3)与同样基于线性光学效应的超外差式定时探测器相比，本发明提供的定时方法具有仪器简单、易于安装、成本较低等优点，仅需一个光调制器件以及几个耦合器便可完成阿秒精度的定时探测功能，更便于集成化。
(4)本发明最终的输出电压已不携带光相位因子分量，传输过程中光脉冲积累的色散效应在An与的相乘运算中被抵消，因此本发明提出的平衡探测器对输入脉冲的脉宽(峰值功率)要求并不严格，只要两路输入光脉冲具有相同的色散，该探测器的定时精度即可保持不变。
(5)本发明采用平衡探测的架构：光调制器件输出的零阶和一阶衍射光分别被分成两路，其中零阶衍射光的两路分束光的相对延时是TD，分束后的零阶和一阶衍射光在两个耦合器内耦合，然后经过相同的光电探测装置得到两路检波电压，最后经过差分运算单元得到平衡定时探测器的最终输出。通过选择合适的TD，可以使平衡定时探测器获得最大的定时检测灵敏度。将平衡架构与本发明提出的方法相结合，经实验证实能够有效地抑制环境噪声、激光器强度噪声等干扰，最大抑制比达60dB，从而获得更低的测量噪声基底。
附图说明
图1为本发明提出的基于线性光学效应的定时探测方法的原理图。
图2为本发明阿秒精度定时探测装置的结构示意图。
图3为本发明具体实施例中阿秒精度定时探测装置的结构示意图。
图4为实验测量得到的定时特性曲线，横坐标是定时误差Δt，纵坐标是最终的差分输出电压V，V＝G(V检波1-V检波2)，G是差分运算单元的放大倍数。
图5为实验测量得到的定时抖动功率谱密度以及定时抖动积分曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
基于线性光学效应的定时探测方法的原理图如图1所示，定时探测系统由光调制器件、待测量定时装置、耦合预处理装置、光纤耦合器、光电探测器、带通滤波器、检波装置组成。光调制器件为声光调制器。光调制器件以入射光信号为被调信号，在射频信号的驱动下，输出光信号获得射频调制信号的频率偏移。耦合预处理装置用于调整光信号的偏振方向，并将自由空间中的光信号导入到指定耦合器的输入端口。光纤耦合器为50:50 2×2耦合器，用于将2根光纤中的光信号耦合，在输出端输出两路光功率相同的两束光信号。待测量定时装置为能够引入微小定时抖动的延迟线、压电器件或者平移台，也可以是受到某种物理效应扰动的透光介质。待测量定时装置引入探测器需要测量的光程上的误差，即定时误差。检波装置为零偏压肖特基二极管(必要时需要加前置放大器)，起到检测包络的作用。
如图2所示，本实施例提供的基于线性光学效应的阿秒精度定时探测装置包括依次设置的激光源与调制单元、光耦合单元、光电探测装置与差分运算单元，激光源与调制单元包括激光源和光调制器件1，光耦合单元包括第一耦合预处理装置3、第二耦合预处理装置4和第三耦合预处理装置5、第一耦合器7、第二耦合器6和第三耦合器8；光电探测装置包括光电转换单元、滤波单元、检波单元；光电转换单元包括第一光电探测器9和第二光电探测器10；滤波单元包括第一带通滤波器11和第二带通滤波器12，检波单元包括第一检波装置13和第二检波装置14；
激光源与调制单元输出零阶衍射光与一阶衍射光；其中，一阶衍射光的载波频率获得射频信号的频率偏移，零阶衍射光维持原脉冲状态不变；一阶衍射光通过待测量定时装置2后依次传输至第二耦合预处理装置4和第二耦合器6，零阶衍射光通过分光处理装置16后等分为两路零阶衍射光，其中一路零阶衍射光依次传输至第一耦合预处理装置3和第一耦合器7；另一路零阶衍射光依次传输至第三耦合预处理装置5和第三耦合器8；
一阶衍射光通过第二耦合器6后等分为两路一阶衍射光，第二耦合器6输出的其中一路一阶衍射光与第一耦合预处理装置输出的零阶衍射光通过第一耦合器7耦合后依次传输至第一光电探测器9、第一带通滤波器11、第一检波装置13和差分运算单元15；第二耦合器6输出的另一路一阶衍射光与第三耦合预处理装置5输出的零阶衍射光通过第三耦合器8耦合后依次传输至第二光电探测器10、第二带通滤波器12、第二检波装置14和差分运算单元15；最终通过差分运算单元15输出探测结果。第一耦合器7、第三耦合器8输出的光信号被光电探测器检测，转换为电信号。电信号通过带通滤波器后仅留下射频偏移频率分量，检波装置用于检测射频偏移信号的包络。利用数据采集装置实时采集不同延时下输出的电压信号，电压信号包含了待测量的全部定时信息。
激光源用于产生激光信号，作为整个装置的入射光源；光调制器件1用于对光信号引入射频偏移频率，可以通过声光调制器、电光调制器、磁光调制器、集成光电子调制器等调制器件的调制作用实现。
差分运算单元，体现了平衡架构的主要特征，在实验中将对称设置两路定时链路，由于两路信号在传输过程中受到的环境噪声、激光器的强度噪声等相同，理论上经过差分运算后这些噪声可以被大大抑制，部分噪声分量甚至可以被完全抑制。
其中，激光源输出的光信号入射到光调制单元中，已调光信号通过待测量定时单元后进入分束器中分为两束，已调光信号分出的两束光分别与原光信号分出的两束光耦合。为实现平衡架构，耦合输出的每一束光信号都采用对称的处理方式，依次经过光电转换单元、滤波单元、检波单元，最终获得的两路电压信号作为差分运算单元的两个输入。
基于上述定时探测装置进行的阿秒精度定时探测方法，包括以下步骤：
步骤1、为输入光的光脉冲信号引入射频偏移频率，并对引入射频偏移频率的光脉冲信号引入待测量的定时误差；
步骤2、将原光脉冲信号与引入定时误差的光脉冲信号相互耦合；
步骤3、经耦合后输出的光脉冲信号被转换为电信号，在时域表现为电脉冲序列，电脉冲序列中包含了射频偏移频率信号，通过带通滤波器提取该射频偏移频率信号；
步骤4、提取射频偏移频率信号的包络信号，该包络信号包含了待测量的定时信息；实时记录不同延时下的包络信号电压值即能够得到待测量定时装置引入的定时信息与本发明探测装置的最终输出电压的关系曲线，从而完成定时标定的过程。
其中输入光的光脉冲信号的电场时域表达式E(t)为
其中t是时间，k是光脉冲序号，j是虚数单位，A(t)是输入光脉冲包络，ω0是光载波的角频率，T是光脉冲序列的重复周期。
经光调制器件调制后输出的零阶衍射光E0与一阶衍射光E1的电场时域表达式分别为
其中frep＝1/T是脉冲序列的重复频率，Δt是由待测量定时装置引入的定时误差，n是傅里叶级数序号，An和Bn分别是零阶衍射光和一阶衍射光脉冲序列包络的傅里叶级数，且满足ωRF是射频驱动信号的角频率。
耦合器的输出光场强度I(t,Δt)满足以下关系
其中，为零阶衍射光信号的电场强度E0的共轭，为一阶衍射光信号光脉冲信号的电场强度E1的共轭。
滤波器的输出电压VBPF满足以下关系:
VBPF∝Xcos[θ+ωRFt-(ω0+ωRF)Δt]
其中，
经过检波装置的检测作用后输出的电压信号V检波满足以下关系：
其中α是与检波装置的非线性特性有关的参数。
为了消除环境噪声、激光器的强度噪声等对实验测量结果的影响，本实施例采用了图2所示的平衡探测的架构。光调制器件输出的零阶和一阶衍射光分别被分成两路，其中零阶衍射光的两路分束光的相对延时是TD，分束后的零阶和一阶衍射光在两个光纤耦合器内耦合，然后经过相同的光电探测装置(光电探测器、带通滤波器、检波装置)得到两路检波电压，最后经过差分运算单元得到平衡定时探测器的最终输出。通过选择合适的TD，可以使平衡定时探测器获得最大的定时检测灵敏度。
更具体的，本实施例还提供了实验中基于线性光学效应的阿秒精度的平衡定时探测装置图，如图3所示，该实验装置包括以下仪器与器件：声光调制器，由电动平移台21和回射镜22组成的待测量定时装置2，由半波片23与光学准直器24组成的第一耦合预处理装置3，由半波片25与光学准直器26组成的第二耦合预处理装置4，由半波片27与光学准直器28组成的第三耦合预处理装置5，3dB的第二耦合器6、第一耦合器7、第三耦合器8，第一光电探测器9、第二光电探测器10，第一带通滤波器11、第二带通滤波器12；由低噪声射频放大器17和零偏压肖特基二极管18组成的第一检波装置13，由低噪声射频放大器19和零偏压肖特基二极管20组成的第二检波装置14，极低噪声差分放大器15；由半波片29、偏振分光棱镜30、四分之一波片31、银镜32、手动平移台33组成的零阶衍射光分光处理装置16，锁模激光器34、微波源35、射频放大器36、半波片37、银镜38、39、40，信号源分析仪41，数据采集卡42，计算机43。半波片29、偏振分光棱镜30、四分之一波片31、和银镜32用于将零阶衍射光分成两束，手动平移台33用于调节两束零阶衍射光的光程以获得所需的延迟差TD。
其中锁模激光器34的输出是中心波长为1555nm，重复频率为216.667MHz，脉冲宽度为170fs的激光脉冲序列。
微波源35输出频率为80MHz，电压有效值为200mV的正弦信号。
本实施例中的光电探测器均采用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)，雪崩光电二极管具有以下参数：等效噪声功率为2pW/√Hz，响应度为0.9A/W，跨导增益为50V/A，3dB带宽为100MHz。带通滤波器的中心频率为80MHz。
具体的定时标定过程如下：微波源输出的射频信号经放大器放大至3W后用于驱动声光调制器，锁模激光器输出的激光脉冲作为入射光进入到光调制器件中，经声光调制器的调制作用后输出零阶衍射光与一阶衍射光。声光调制器所输出的零阶光与入射光信号相同，所输出的一阶光经射频信号调制，光载波频率获得了射频信号的频率偏移。通过调节声光调制器入射光的角度或者偏振状态，使得输出的零阶光与一阶光具有相同的光功率。回射镜被固定在电动平移台上，一阶衍射光经回射镜反射后通过一个半波片进入准直器中，准直器将自由空间中的光脉冲耦合到光纤中继续传输，而后光纤中的一阶衍射光进入3dB耦合器中被分为功率相同的两部分，并记为一阶衍射光A和B。零阶衍射光通过偏振分光棱镜后被分为两束偏振正交的光，并记为零阶衍射光C和D，其中一束零阶衍射光C经准直器的准直作用后与一阶衍射光A一同进入3dB耦合器中，另一束零阶衍射光D通过四分之一波片，并经固定在手动平移台上的银镜反射后返回到偏振分光棱镜中，通过偏振分光棱镜后再经一个半波片后入射到准直器中，再与一阶衍射光B一同进入3dB耦合器中。为实现平衡架构，两个耦合器输出的光信号经过完全对称的处理。首先光信号进入雪崩光电二极管中，此时的光信号被转换为电信号，通过带通滤波器、低噪放大器后进入零偏压肖特基二极管中，经零偏压肖特基二极管检波后的两路信号作为差分放大器的两个输入。实验中选用雪崩光电二极管的入射光功率为1毫瓦。
在定时标定时，利用计算机控制电动平移台进行微小的位移，采集卡实时采集差分放大器输出的电压信号，并储存在计算机中进行后续的数据处理。利用信号源分析仪测量差分放大器的输出电压即可得到此次测量的噪声基底。
最终绘制出的定时特性曲线呈s型，如图4所示。其中横坐标是定时误差Δt，纵坐标是最终的差分输出电压V，V＝G(V检波1-V检波2)，G是差分运算单元的放大倍数。该曲线表明本实施例设计的定时探测器最大灵敏度为43.537mV/fs，在此位置测量噪声基底，绘制出定时抖动功率谱密度以及定时抖动积分曲线，如图5所示。由图5可知，测量得到的最小定时抖动基底约为1×10-10fs2/Hz，已逼近散粒噪声极限，比理论计算得出的量子极限也仅仅高出约10dB。探测装置采用的平衡探测架构使得外界环境噪声以及激光器的强度噪声得到了很好的抑制，从1Hz到1MHz积分后的定时抖动只有26.57as，定时特性曲线中的定时测量范围约为500fs，这相当于85dB的检测动态范围。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
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