物理学论文_基于超快光学技术的实时测量系统研

文章目录

致谢

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 超快光学技术简介

    1.2.1 色散傅里叶变换在实时测量中的优势

    1.2.2 光学时间拉伸技术在测量高速信号中的优势

1.3 基于超快光学技术的实时测量系统及研究进展

    1.3.1 超快实时成像系统

    1.3.2 实时光谱测量系统

    1.3.3 实时传感系统

1.4 本论文的结构安排

2 超快光学技术理论与涉及的关键器件

2.1 色散傅里叶变换原理

    2.1.1 色散傅里叶变换的实现条件

    2.1.2 色散傅里叶变换的数学表达

2.2 光学时间拉伸技术原理

    2.2.1 光学时间拉伸系统中的映射关系

    2.2.2 光学时间拉伸过程的数学表达

    2.2.3 光学时间拉伸系统中的非线性效应

2.3 超快光学技术中涉及的关键器件

    2.3.1 用于产生超快激光的脉冲光源

    2.3.2 马赫-曾德尔调制器

    2.3.3 模数转换器以及光子时间拉伸模数转换器

2.4 本章小结

3 基于光学时间拉伸技术的实时器件表征

3.1 引言

3.2 基于相位分集的实时器件表征原理

    3.2.1 脉冲响应和频率响应

    3.2.2 单电极双输出马赫-曾德尔调制器

3.3 基于光学时间拉伸原理的待测器件实时表征系统实验方案

    3.3.1 系统结构

    3.3.2 相位分集仿真

3.4 待测器件响应的数字信号处理

    3.4.1 时间序列分割和帧对齐

    3.4.2 包络修正与脉冲响应定位

    3.4.3 Tikhonov正则化

3.5 实验结果与讨论

    3.5.1 相位分集测试

    3.5.2 电放大器频率响应测试

    3.5.3 讨论

3.6 本章小结

4 基于差分光学时间拉伸技术的瞬时频率测量

4.1 引言

4.2 差分光学时间拉伸技术实现原理

    4.2.1 双输出推挽式马赫-曾德尔调制器

    4.2.2 差分光电探测

4.3 瞬时频率测量系统结构

4.4 实验结果与讨论

    4.4.1 单音信号测量

    4.4.2 双音信号测量

    4.4.3 讨论

4.5 本章小结

5 基于频谱整形和频时映射原理的实时应力传感系统

5.1 引言

5.2 频谱整形和频时映射原理

5.3 基于由PM-PCF构成的Sagnac干涉仪和频时映射原理的实时应力解调系统

    5.3.1 保偏光子晶体光纤

    5.3.2 光纤Sagnac干涉仪原理

    5.3.3 基于PM-PCF的 Sagnac干涉仪原理与制作

    5.3.4 基于PM-PCF的 Sagnanc干涉仪用于实时应力解调的系统结构

    5.3.5 实验结果与分析

5.4 基于单模-两模-单模光纤滤波器和频时映射原理的实时应力解调系统

    5.4.1 少模光纤

    5.4.2 光纤M-Z干涉仪原理

    5.4.3 单模-两模-单模光纤滤波器原理与制作

    5.4.4 基于自制单模-两模-单模光纤滤波器的实时应力解调系统结构

    5.4.5 实验结果与分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 本论文的研究内容与成果

6.2 下一步拟进行的工作

参考文献

附录 A 缩略语

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

文章摘要:实时测量仪器是奠定工业、科学和医疗等一系列应用的基础平台。当今社会对数据带宽不断增长的需求正推动着通信行业提高组件和系统的工作频率,因此,对于能够在短时间内执行快速检测或诊断的实时测量仪器的需求也在快速增长。尽管短光散射（频闪）可以作为一种有效方法来提供瞬态事件的宝贵信息,但自然界中存在的大量瞬态信息和罕见事件都具有瞬时和不确定性,因此仍需要借助具有足够高分辨率和足够大存储长度的真正的实时测量仪器才能将其捕获。基于色散傅里叶变换原理的光学时间拉伸技术是一种新兴的数据采集方法,它克服了传统电子模数转换器的速度限制,能够以每秒数十亿帧的刷新率完成连续超快的单次光谱、成像以及太赫兹等测量,且不间断地记录上万亿个连续帧。该技术开辟了测量科学的新前沿,揭示了非线性动力学,如光流氓波、孤子分子以及相对论电子束等瞬态现象。此外,通过与人工智能相结合,它还创造出多种用于传感和生物医学诊断等应用的新型实时测量仪器。本论文结合所参与的国家自然科学基金等项目,针对基于超快光学技术的实时测量需求,开展了一系列深入的理论以及实验研究,扩展了超快光学技术在实时器件表征、瞬时频率测量以及传感方面的应用,取得的主要创新及成果如下:1.提出并验证了一种基于光学时间拉伸技术的实时器件表征系统,该系统使用相位分集技术和时间拉伸数据采集方法,消除了仪器中存在的色散惩罚问题,并扩展了测量系统的有效带宽。系统具有2.5 Ts/s的等效采样率、27 ns的超快器件响应测量时间以及5.4 fs的超低等效时钟抖动。结合所提出的数字信号处理算法,该系统对两个商用宽带电放大器的频率响应特性进行了测量,测得的频响曲线与器件指标高度一致。相比于传统网络分析仪,所提出的器件表征系统的测量速度至少提高了三个数量级。2.提出并验证了一种基于差分探测和光学时间拉伸技术的瞬时频率测量系统,可以对多频信号进行实时测量。仪器通过差分探测消除了由于脉冲光源光谱不均匀引起的待测信号失真,同时有效提高了系统的测量精度和动态范围。通过使用数字信号处理算法,该系统以100 MHz的采集速度,实现了3～20 GHz范围内单/多频信号测量,其频率分辨率为82.5 MHz,且测量误差不超过70 MHz。3.提出并验证了一种基于保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪和波长-时间映射原理的实时应力解调系统,可以实现超快、对温度不敏感的应变测量。该系统的原理是将经过干涉仪频谱整形后的脉冲光源光谱映射到时域,将应变引起的波长偏移测量转换为时移测量,相比于使用光谱仪进行频域解调的传统方案,大大提高了系统的解调速度,实现了100 MHz的超快解调速率以及-0.17 ps/με的应变灵敏度。4.提出并验证了一种基于单模-两模-单模光纤梳状滤波器和波长-时间映射原理的实时应力解调系统。该自制滤波器通过将两模光纤与单模光纤进行偏芯熔接而制成,具有制作简单、波长间隔可调等优点,且滤波器在系统中被同时用作光谱整形器和传感元件。波长-时间线性映射通过使用色散元件实现,经滤波器整形后的光谱被映射到时域,从而可以通过测量时移大小在时域解调应变。系统在100 MHz的超快解调速率下,实现了0.3 ps/με的应变灵敏度以及167με的应力分辨率,并且该自制传感器在实验中表现出较低的热敏性,为1.35 pm/℃,使该系统可作为实现超快、稳定应力解调的理想选择。

文章来源：《光学技术》 网址: http://www.gxjszz.cn/qikandaodu/2022/0214/902.html