本發(fā)明涉及超短啁啾光脈沖領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超短啁啾脈沖時域相位與頻域相位測量方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

超短激光脈沖，一般指亞納秒到飛秒量級脈寬的光脈沖，以其超快和高峰值功率的特點而廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、生物、國防、工業(yè)加工等各個領(lǐng)域。超短脈沖一般通過鎖模激光器的方式產(chǎn)生，脈沖由相位鎖定的縱模相干疊加而形成，在實際的鎖模激光器搭建和脈沖放大過程中受各種器件的影響，超短脈沖的各個縱模相位不可能完全鎖定為一致，實際的超快脈沖必然存在相位的色散，即啁啾。特別在一些超快光學(xué)技術(shù)中，如啁啾脈沖放大(chirpedpulseamplification，cpa)技術(shù)，脈沖的啁啾情況必須得到很好地控制以實現(xiàn)脈沖展寬、放大和壓縮。

在現(xiàn)有的能夠測量超短脈沖相位信息的技術(shù)中，具有代表性的有兩種：第一，頻率分辨光快門技術(shù)(frequencyresolvedopticalgating，frog)，該技術(shù)需要搭建光學(xué)延遲光路，將待測脈沖打入光學(xué)延遲光路得到不同延遲下的輸出干涉信號的瞬時光譜，然后用一套復(fù)雜的二維相位還原算法反解出原脈沖的相位信息；第二，光譜剪切干涉電場重構(gòu)(spectralphaseinterferometryfordirectelectric-fieldreconstruction，spider)技術(shù)，與frog相比，spider的測量只需在頻域進(jìn)行不需要延遲調(diào)節(jié)，但是干涉光路的結(jié)構(gòu)由于需要加入展寬器而顯得更復(fù)雜。

基于這兩種主要技術(shù)，現(xiàn)在也有很多改進(jìn)的方法，如申請公布號為cn104697647a的中國發(fā)明專利“超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量裝置及測量方法”(申請?zhí)枺?01510079310.1)，以及申請公布號為cn1936523a的中國發(fā)明專利“基于spider技術(shù)的超短光脈沖測量裝置”(申請?zhí)枺?00610116811.3)等。這些技術(shù)方法都可以成功測量出啁啾脈沖的頻域相位信息，而沒能直接測出時域相位信息。另外，現(xiàn)有的這些方法都需要搭建干涉光路和利用還原算法進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，這些復(fù)雜性不僅帶來了成本還限制了工作效率和診斷能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的超短啁啾脈沖時域相位與頻域相位測量方法和系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中測量方法復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣導(dǎo)致的工作效率低及測量能力不足的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種超短啁啾脈沖時域相位與頻域相位測量方法，包括：

s1、測出待測脈沖實際時域信號和頻域信號的幅值函數(shù)；

s2、通過二分法預(yù)確定時域和頻域的一階線性啁啾系數(shù)和高階的非線性啁啾系數(shù)；

s3、通過迭代法確定各階啁啾系數(shù)，得到脈沖的時域相位與頻域相位。

作為優(yōu)選的，所述步驟s2具體包括：

s21、預(yù)確定時域與頻域的一階線性啁啾系數(shù)；

s22、預(yù)確定時域與頻域的n階非線性啁啾系數(shù)；

s23、保持n階非線性啁啾系數(shù)不動，重復(fù)確定小于n階次的非線性啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s1中具體包括：

測出脈沖的時域強度信息信號和光譜強度頻域強度信息信號；

將測量信號規(guī)范化得到實際時域信號和光譜頻域信號的幅值函數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s21中，頻域的一階線性啁啾系數(shù)預(yù)確定方法具體包括：

將高階啁啾系數(shù)設(shè)為零，分別預(yù)估出大于和小于實際啁啾的兩個線性啁啾系數(shù)值作為頻域或時域線性啁啾系數(shù)取值范圍邊界值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)的頻域信號逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與時域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定頻域的一階啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s21中，時域的一階線性啁啾系數(shù)預(yù)確定方法具體包括：

將高階啁啾系數(shù)設(shè)為零，取一個偏大和偏小的值作為頻域時域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)的時域信號逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與頻域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定時域的一階啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s22中，預(yù)確定頻域的n階非線性啁啾系數(shù)具體包括：

保持已確定的各階啁啾系數(shù)不變，分別預(yù)估出大于和小于實際啁啾的兩個線性啁啾系數(shù)值作為n階頻域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)的頻域信號的逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與時域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定頻域的n階啁啾系數(shù)；

保持n階啁啾系數(shù)不變，重復(fù)確定小于n階次的啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s22中，預(yù)確定時域的n階非線性啁啾系數(shù)具體包括：

保持已確定的各階啁啾系數(shù)不變分別預(yù)估出大于和小于實際啁啾的兩個線性啁啾系數(shù)值作為n階時域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)頻域信號的逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與頻域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定時域的n階啁啾系數(shù)；

保持n階啁啾系數(shù)不變，重復(fù)確定小于n階次的啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s3具體包括：循環(huán)步驟s21至s23，直至理論的時域和頻域強度信號與實際測量的時域與頻域信號的偏差達(dá)到設(shè)定閾值范圍，最終確定各階次啁啾系數(shù)。

一種超短啁啾時域脈沖相位與頻域相位測量系統(tǒng)，包括：

實際幅值函數(shù)獲取模塊，用于獲取實際時域信號和頻域信號的幅值函數(shù)；

啁啾系數(shù)確定模塊，用于通過二分法和迭代法確定時域和頻域的線性啁啾系數(shù)和高階的非線性啁啾系數(shù)。

本申請?zhí)岢龀踢睍r域脈沖相位與頻域相位測量方法和系統(tǒng)，通過測出脈沖的時域強度波形信息和光譜強度信息，然后利用迭代算法逐步確定各階次的啁啾系數(shù)，不需要搭建復(fù)雜的干涉光路，不需要直接測量相位的儀器，只需要測出脈沖的時域強度波形信息和光譜強度信息。在確定某階啁啾系數(shù)時，首先粗略估計啁啾系數(shù)的取值范圍，在范圍邊界處的傅里葉變換譜與測得的時域波形和光譜作對比，通過比較兩邊界處的吻合度可以進(jìn)一步縮小啁啾系數(shù)的取值范圍，同時各階系數(shù)相互迭代，將理論的傅里葉變換譜與實際的時域波形和光譜的吻合度收斂到容忍誤差范圍內(nèi)，最終完成各階啁啾系數(shù)的確定，即相位的測定，與現(xiàn)有技術(shù)中的還原算法相比，提高了工作效率和測量能力。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的超短啁啾脈沖時域相位與頻域相位測量方法流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例3的啁啾系數(shù)迭代求解算法程序框圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例3的測量信號時域強度與算法解出波形強度與時域相位示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例3的測量信號光譜強度與算法解出光譜強度與光譜相位示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

如圖1所示，圖中示出了一種超短啁啾脈沖時域相位與頻域相位測量方法，包括：

s1、測出待測脈沖實際時域信號和頻域信號的幅值函數(shù)；

s2、通過二分法預(yù)確定時域和頻域的一階線性啁啾系數(shù)和高階的非線性啁啾系數(shù)；

s3、通過迭代法確定各階啁啾系數(shù)，得到脈沖的時域相位與頻域相位。

作為優(yōu)選的，所述步驟s2具體包括：

s21、預(yù)確定時域與頻域的一階線性啁啾系數(shù)；

s22、預(yù)確定時域與頻域的n階非線性啁啾系數(shù)；

s23、保持n階非線性啁啾系數(shù)不動，重復(fù)確定小于n階次的非線性啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s1中具體包括：

測出脈沖的時域強度信息信號和光譜強度頻域強度信息信號，具體的，通過示波器測出待測脈沖波形信息，通過光譜儀測出待測脈沖的光譜信息；

將測量信號規(guī)范化得到實際時域信號和光譜頻域信號的幅值函數(shù)。

在本實施例中，確定某階啁啾系數(shù)時，首先粗略估計啁啾系數(shù)的取值范圍，在范圍邊界處的傅里葉變換譜與測得的時域波形和光譜作對比，通過比較兩邊界處的吻合度可以進(jìn)一步縮小啁啾系數(shù)的取值范圍，同時各階系數(shù)相互迭代，將理論的傅里葉變換譜與實際的時域波形和光譜的吻合度收斂到容忍誤差范圍內(nèi)，最終完成各階啁啾系數(shù)的確定，即相位的測定。

具體的，在所述步驟s21中，頻域的一階線性啁啾系數(shù)預(yù)確定方法具體包括：

將高階啁啾系數(shù)設(shè)為零，取一個明顯偏大和明顯偏小的值作為頻域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)的頻域信號逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與時域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定頻域的一階啁啾系數(shù)。

在本實施例中，采用相同的方法，所述步驟s21中，時域的一階線性啁啾系數(shù)預(yù)確定方法具體包括：

將高階啁啾系數(shù)設(shè)為零，取一個明顯偏大和明顯偏小的值作為頻域時域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)的時域信號逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與頻域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定時域的一階啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s22中，預(yù)確定頻域的n階非線性啁啾系數(shù)具體包括：

保持已確定的各階啁啾系數(shù)不變，取一個明顯偏大和明顯偏小的值作為n階頻域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)的頻域信號的逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與時域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定頻域的n階啁啾系數(shù)；

保持n階啁啾系數(shù)不變，重復(fù)確定小于n階次的啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s22中，預(yù)確定時域的n階非線性啁啾系數(shù)具體包括：

保持已確定的各階啁啾系數(shù)不變，取一個明顯偏大和明顯偏小的值作為n階時域啁啾系數(shù)取值范圍的邊值；

分別作兩個邊值啁啾系數(shù)頻域信號的逆傅里葉變換，得到對應(yīng)的逆傅里葉變換譜；

將得到的逆傅里葉變換譜與頻域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，通過二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍，最終確定時域的n階啁啾系數(shù)；

保持n階啁啾系數(shù)不變，重復(fù)確定小于n階次的啁啾系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述步驟s3具體包括：循環(huán)步驟s21至s23，直至理論的時域和頻域強度信號與實際測量的時域與頻域信號的偏差達(dá)到設(shè)定閾值范圍，最終確定各階次啁啾系數(shù)。

實施例2

本實施例中提供了一種超短啁啾時域脈沖相位與頻域相位測量系統(tǒng)，采用實施例1中所述的方法，包括：

實際幅值函數(shù)獲取模塊，用于獲取實際時域信號和頻域信號的幅值函數(shù)；

啁啾系數(shù)確定模塊，用于通過二分法和迭代法確定時域和頻域的線性啁啾系數(shù)和高階的非線性啁啾系數(shù)。

實施例3

本實施例中待測的是一個的百皮秒級的準(zhǔn)單色啁啾脈沖，如圖2所述，具體實施步驟如下：

首先分別用示波器和光譜儀測出脈沖的時域強度信息和光譜強度信息，將測量信號規(guī)范化得到實際時域信號和光譜信號的幅值函數(shù)。

假設(shè)測到的時域強度波形頻域光譜強度經(jīng)規(guī)范化后分別表示為i0t，i0ω，如圖3和圖4中所示；假設(shè)時域各階啁啾系數(shù)ct1，ct2，ct3…；光譜各階啁啾系數(shù)cω1，cω2，cω3…；設(shè)中心頻率為ω0；記則實際的時域信號和頻域信號應(yīng)為：

二者應(yīng)滿足傅里葉變換對的關(guān)系：

時域相位和頻域相位就是：

預(yù)確定時域與頻域的一階(線性)啁啾系數(shù)：先將高階啁啾系數(shù)設(shè)為零，估計出一個明顯偏小和明顯偏大的頻域啁啾系數(shù)分別代入實際頻域信號公式，并作逆傅里葉變換，將得到的逆傅里葉變換譜ft1，ft2,將這兩個傅里葉變換譜的幅值函數(shù)與時域幅值函數(shù)作比較并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差d1(|fω1|²,i0ω)，d2(|fω2|²,i0ω)，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小說明理論譜與實測譜吻合度較高，那么就可以運用二分法的思想不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍而最終確定一階啁啾系數(shù)。同理確定一階時域啁啾系數(shù)。

接著預(yù)確定時域與頻域的n(n>1)階(非線性)啁啾系數(shù)：保持已經(jīng)預(yù)確定的各階啁啾系數(shù)不動，估計出一個明顯偏小和明顯偏大的n階頻域啁啾系數(shù)當(dāng)作啁啾系數(shù)取值范圍的邊值，分別作取這兩個啁啾系數(shù)的實際頻域信號的逆傅里葉變換，將得到的逆傅里葉變換譜與時域幅值函數(shù)作比較并計算偏差，用二分法不斷向偏差較小的方向縮小取值范圍而最終確定n階啁啾系數(shù)。同理確定n階時域啁啾系數(shù)。作為一個實施例，這里認(rèn)為確定到三階啁啾系數(shù)即可以準(zhǔn)確描述脈沖的相位信息，當(dāng)然可以確定更高階的啁啾系數(shù)達(dá)到更高精度的估計。

預(yù)確定完各階次啁啾系數(shù)之后可以發(fā)現(xiàn)，上述算法在確定低階啁啾系數(shù)時沒有考慮高階啁啾系數(shù)對它的影響，為了考慮各階啁啾系數(shù)之間的相互影響是計算更精確，需要再加一層外迭代算法，即當(dāng)n階啁啾系數(shù)預(yù)確定后，保持n階啁啾系數(shù)不動，其余條件不變，重復(fù)確定小于n階次啁啾系數(shù)。不斷循環(huán)進(jìn)行上述過程，直到理論的時域和頻域強度信號與實測的時域與頻域信號的偏差隨迭代過程收斂到容忍誤差范圍之內(nèi)，最終確定各階啁啾系數(shù)，即脈沖時域與光譜相位信息的測定，本次實施例測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

本申請?zhí)岢龀踢睍r域脈沖相位與頻域相位測量方法和系統(tǒng)，通過測出脈沖的時域強度波形信息和光譜強度信息，然后利用迭代算法逐步確定各階次的啁啾系數(shù)，不需要搭建復(fù)雜的干涉光路，不需要直接測量相位的儀器，只需要測出脈沖的時域強度波形信息和光譜強度信息。在確定某階啁啾系數(shù)時，首先粗略估計啁啾系數(shù)的取值范圍，在范圍邊界處的傅里葉變換譜與測得的時域波形和光譜作對比，通過比較兩邊界處的吻合度可以進(jìn)一步縮小啁啾系數(shù)的取值范圍，同時各階系數(shù)相互迭代，將理論的傅里葉變換譜與實際的時域波形和光譜的吻合度收斂到容忍誤差范圍內(nèi)，最終完成各階啁啾系數(shù)的確定，即相位的測定，與現(xiàn)有技術(shù)中的還原算法相比，提高了工作效率和測量能力。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。