一种用于超快脉冲时域波形测量的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，包括微波信号源、飞秒脉冲激光器、光导探针、同轴到共面转换器、共面波导和锁相放大器；所述微波信号源为超快脉冲产生器和飞秒脉冲激光器提供微波信号源，使超快脉冲产生器产生超快脉冲；所述同轴到共面转换器将接收到的超快脉冲传递到共面波导上产生超快脉冲电场；所述延时激光激励光导探针在超快脉冲电场作用下产生光敏电流，并通过锁相放大器采样。本发明优点在于可以测量脉冲宽度为亚10ps的超快脉冲，不仅可以测量同轴传输的超快脉冲，而且可以测量平面传输的超快脉冲，实现了超快脉冲时域波形测量的新突破，提高了对能够产生超快脉冲的仪器设备和器件的测量水平。
【专利说明】一种用于超快脉冲时域波形测量的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明及一种时域波形测量的装置，特别是一种用于超快脉冲时域波形测量的装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，测量超快脉冲时域波形的传统测量装置是数字示波器。这种测量装置的限制在于数字示波器的带宽和上升时间，以及仅仅对同轴系统传输的信号具有较高测量能力。目前商业可得的示波器的最高带宽是IOOGHz的取样示波器和65GHz的实时示波器，其上升时间的理论值大约为4ps和6ps，无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的超快脉冲时域波形的测量需求。
[0003]随着超快脉冲产生技术的发展，利用光电技术能够产生脉宽更窄、幅度更高的超快脉冲。这样的脉冲信号在平面结构的器件中传输时，才能更好的保证其信号特性。这样共面传输的超快脉冲信号时域波形若使用示波器测量，无法得到时域波形的实际测量结果，由此，需要研究新的方法进行平面传输的超快脉冲时域波形的测量。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种用于超快脉冲时域波形测量的装置及方法，解决传统使用示波器对超快脉冲时域波形进行测量，由于目前示波器带宽和上升时间的限制，使得示波器测量超快脉冲时域波形时会给测量结果引入较大误差的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案:
[0006]一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，该测量装置包括:用于产生共时基的第一微波信号和第二微波信号的微波信号源；基于所述第一微波信号产生飞秒脉冲激光的飞秒脉冲激光器，沿该飞秒脉冲激光的传输路径依次设置的延时单元和光导探针；用于输出所述第二微波信号的参考信号输出端；用于输入与所述飞秒脉冲激光同步的超快脉冲信号的超快脉冲信号输入端；沿该超快脉冲信号的传输路径依次设置的同轴到共面转换器和共面波导，所述光导探针相对于所述共面波导的位置被设置为使得所述经延时单元延时的飞秒脉冲激光激励所述光导探针在所述共面波导产生的超快脉冲电场作用下产生光敏电流；和锁相放大器，用于与所述延时单元的延时相应地对所述光敏电流进行采样得到采样信号。
[0007]优选的，该测量装置还包括函数发生器、功分器和超快脉冲调制器；所述功分器将来自函数发生器的调制信号分为频率相同的第一路信号和第二路信号；所述超快脉冲调制器接基于所述第一路信号对来自所述输入端的超快脉冲信号进行调制，并将经调制的超快脉冲信号输出到所述同轴到共面转换器；所述锁相放大器接收所述第二路信号作为其参考信号。
[0008]优选的，该测量装置还包括控制和计算单元，所述控制和计算单元分别控制光学延时线和锁相放大器，以使所述飞秒脉冲激光的延时和锁相放大器的采样相对应，并基于等效取样原理对所述采样信号进行处理得到所述超快脉冲信号的时域波形。
[0009]优选的，所述同轴到共面转换器采用同轴到共面适配器。
[0010]优选的，所述同轴到共面转换器与共面波导压接。
[0011]优选的，所述光导探针的光敏缝隙平面与共面波导的平面平行，且光导探针的光敏缝隙与共面波导表面之间的距离为5 μ m?10 μ m。
[0012]一种用于超快脉冲时域波形测量的方法，该方法包括
[0013]微波信号源输出共时基的第一路微波信号和第二路微波信号；
[0014]利用飞秒脉冲激光器基于所述第一微波信号产生飞秒脉冲激光，
[0015]以所述第二微波信号作为参考信号得到与所述飞秒脉冲激光同步的超快脉冲信号;
[0016]将该超快脉冲信号进行同轴到共面转换并传输至共面波导；
[0017]将该飞秒脉冲激光经延时后射入光导探针的光敏缝隙中，使得所述经延时单元延时的飞秒脉冲激光激励所述光导探针在所述共面波导产生的超快脉冲电场作用下产生光敏电流；
[0018]与所述延时单元的延时相应地对所述光敏电流进行采样得到采样信号。
[0019]优选的，该方法进一步包括：利用函数发生器产生调制信号，并将该调制信号分为频率相同的第一路信号和第二路信号，基于所述第一路信号调制所述超快脉冲信号，以及将所述第二路信号作为参考信号解调所述采样信号。
[0020]优选的，基于等效取样原理对所述采样信号进行处理得到所述超快脉冲信号的时域波形
[0021]优选的，该方法进一步包括利用光学延时线对所述飞秒脉冲激光进行延时，并对延时后的飞秒脉冲激光进行聚焦。
[0022]本发明优点在于基于光电技术能够测得示波器很难测得的超快脉冲的真实时域波形，光导取样的等效带宽可达300GHz，可以测量脉冲宽度亚IOps的超快脉冲，不仅可以提高测量同轴传输的超快脉冲的精度，而且可以测量实际情况中遇到的平面传输的超快脉冲，实现了超快脉冲时域波形测量的新突破，提高了对能够产生超快脉冲的仪器设备和器件的测量水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图I示为一种用于超快脉冲时域波形测量的装置的示意图。
[0024]图中Al、参考信号输出端，A2、超快脉冲信号输入端；
[0025]I、微波信号源，2、飞秒脉冲激光器，3、光学延时线，4、光导探针，5、超快脉冲产生器，6、超快脉冲调制器，7、同轴到共面适配器，8、共面波导，9、函数发生器，10、功分器，11、锁相放大器，12、计算机。
【具体实施方式】
[0026]下面根据附图对本发明做进一步描述。
[0027]图I示为根据本发明优选实施例的一种用于超快脉冲时域波形测量的装置的示意图。该测量装置包括参考信号输出端Al和超快脉冲信号输入端A2。该装置进一步包括微波信号源I，秒脉冲激光器2，延时单元，光导探针4，超快脉冲调制器6，同轴到共面转换器，共面波导8，函数发生器9，功分器10，锁相放大器11，以及控制和计算装置。微波信号源I用于产生共时基的第一微波信号和第二微波信号，其第一输出端和飞秒脉冲激光器2的稳频参考输入端连接，第二输出端作为测量装置的参考信号输出端用于和超快脉冲产生器5的外参考输入端连接,输出参考频率例如为IOMHz的第二微波信号。飞秒脉冲激光器2基于所述第一微波信号产生飞秒脉冲激光。超快脉冲产生器5以该第二微波信号作为参考信号产生与飞秒脉冲激光同步的超快脉冲信号。该测量装置的输入端A2用于与超快脉冲产生器5的信号输出端连接接收所述超快脉冲信号。函数发生器9的信号输出端和功分器10的信号输入端连接，功分器10的第一输出端和第二输出端分别与超快脉冲调制器6的调制信号输入端和锁相放大器11的参考信号输入端连接。超快脉冲调制器6基于来自功分器的调制信号对超快脉冲信号进行调制，其信号输出端和同轴到共面适配器7的同轴到共面转换器的信号输入端连接。同轴到共面适配器7的信号输出端和共面波导8连接。飞秒脉冲激光器2的光输出端的空间传输飞秒脉冲激光通过例如光学延时线3的延时单元，通过光学延时线3的飞秒脉冲激光激励放置于距离共面波导8表面5 μ m?10 μ m位置的光导探针4缝隙。光导探针4的信号输出端和锁相放大器11的信号输入端连接，计算机12通过GPIB控制线与锁相放大器和光学延时线3的控制端连接。
[0028]图1所述测量装置的工作过程为:微波信号源I分别为飞秒脉冲激光器2和超快脉冲产生器5提供共时基的第一微波信号和第二微波，保证产生的飞秒脉冲激光与输入测量装置的超快脉冲同步。函数发生器9产生调制信号并通过功分器10后分为同步的第一路信号和第二路信号。第一路信号被输出至超快脉冲调制器6，超快脉冲调制器6基于该第一路信号对输入的超快脉冲进行脉冲调制。第二路信号被输出至锁相放大器，用作锁相放大器11的参考信号。通过3维高精度平移台将同轴到共面适配器7和共面波导8压接，通过5维高精度平移台调整光导探针4与共面波导8表面的距离和角度，使得光导探针4缝隙与共面波导8电极平行并且处在距离共面波导8表面5 μ m?10 μ m的空间上。把飞秒脉冲激光器2空间输出的飞秒脉冲激光通过光学延时线3传输，调节光学延时线3使得在整个延时范围内光能够准直传输。将通过光学延时线3传输的飞秒脉冲激光进行聚焦，激励光导探针4的光敏缝隙。共面波导8中传输的超快电脉冲的辐射电场会对光敏缝隙两端施加电压，使得经过激励后的光敏缝隙处产生的光生载流子发生定向运动产生光敏电流。因为产生的光敏电流非常微弱，使用锁相放大器对光生电流进行采样测量得到采样信号。将光敏电流的大小通过电光效应推算出施加到光导探针4光敏缝隙两端的电场强度。通过例如计算机12的控制和计算单元控制光学延时线3和锁相放大器11实现对超快脉冲时域波形的采样测量。
[0029]本发明具体实施步骤为:
[0030](1)、将微波信号源I的第一输出连接到飞秒脉冲激光器2的稳频参考信号输入端，确保飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光的重复频率稳定的锁定到微波信号源I的参考频率上。
[0031]⑵、将微波信号源I的例如IOMHz时基信号的第二输出连接到超快脉冲产生器5的参考信号输入端，确保超快脉冲产生器5的输出信号与飞秒脉冲激光器2输出飞秒脉冲激光同步。[0032]⑶、将超快脉冲产生器5的输出端口直接连接到测量装置的输入端输入超快脉冲调制器6产生的超快脉冲信号。
[0033](4)、将超快脉冲调制器6的信号输出端口直接连接到同轴到共面适配器7的信号输入端口。
[0034](5)、通过3维高精度平移台调节同轴到共面适配器7，将同轴到共面适配器7的信号输出端压接到共面波导上。
[0035](6)、将函数发生器9的信号输出端连接到功分器10的信号输入端，设置函数发生优选为方波信号的输出信号，频率控制在例如IKHz?20KHz，幅度控制在例如4V?5V。
[0036](7)、将功分器10的第一路信号输出连接到超快脉冲调制器6的调制信号输入端。超快脉冲调制器6基于该调制信号调制所接收的超快脉冲信号。
[0037](8)、将功分器10的第二路信号输出连接到锁相放大器11的参考信号输入端。锁相放大器基于该参考信号对采样信号进行解调。
[0038](9)、将飞秒脉冲激光器2输出的空间传输的飞秒脉冲激光入射到光学延时线3的光输入反射镜上。
[0039](K))、调节光学延时线3的入射反射镜和出射反射镜，使得经过光学延时线3传输的飞秒脉冲激光在延时线移动范围内保证准直。
[0040](11)、将光学延时线3出射反射镜的光进行聚焦。
[0041](12)、将聚焦后的飞秒脉冲激光入射到光导探针4的光敏缝隙处。
[0042](13)、通过5维高精度平移台调节光导探针4，使得光导探针4的光敏缝隙平面与共面波导8的平面平行，同时调节光导探针4的光敏缝隙与共面波导8表面之间的距离，使得该距离例如在5 μ m?10 μ m，以使经延时单元延时的飞秒脉冲激光激励所述光导探针在所述共面波导产生的超快脉冲电场作用下产生光敏电流。
[0043](14)、将光导探针4的信号输出端口连接到锁相放大器11的信号输入端。
[0044](15)、通过计算机12控制光学延时线3实现光学延时。
[0045](16)、通过计算机12控制锁相放大器11对光导探针4的光敏缝隙处的光生电流进行测量并采集测量结果。
[0046](17)、通过计算机12控制光学延时线3每步进一次，对应的控制锁相放大器11进行一次数据采集，使得光学延时线3扫描一个周期，将基于电光效应原理对整个周期内采集到的测量数据进行计算和画图处理，就可以得到超快脉冲的时域波形。
[0047]根据以上所述本发明基于光电技术能够测得示波器很难测得的超快脉冲的真实时域波形。根据本发明测量装置的光导取样的等效带宽可达300GHz，可以测量脉冲宽度为亚IOps的超快脉冲，不仅可以提高测量同轴传输的超快脉冲的精度，而且可以测量实际情况中遇到的平面传输的超快脉冲，实现了超快脉冲时域波形测量的新突破，提高了对能够产生超快脉冲的仪器设备和器件的测量水平。
[0048]可以理解为，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，其特征在于:该测量装置包括: 用于产生共时基的第一微波信号和第二微波信号的微波信号源； 基于所述第一微波信号产生飞秒脉冲激光的飞秒脉冲激光器， 沿该飞秒脉冲激光的传输路径依次设置的延时单元和光导探针； 用于输出所述第二微波信号的参考信号输出端； 用于输入与所述飞秒脉冲激光同步的超快脉冲信号的超快脉冲信号输入端； 沿该超快脉冲信号的传输路径依次设置的同轴到共面转换器和共面波导，相对于所述共面波导的位置设置有一光导探针，为使得所述经延时单元延时的飞秒脉冲激光激励所述光导探针在所述共面波导产生的超快脉冲电场作用下产生光敏电流；和 锁相放大器，用于与所述延时单元的延时相应地对所述光敏电流进行采样得到采样信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，其特征在于:该测量装置还包括函数发生器、功分器和超快脉冲调制器； 所述功分器将来自函数发生器的调制信号分为频率相同的第一路信号和第二路信号; 所述超快脉冲调制器接基于所述第一路信号对来自所述输入端的超快脉冲信号进行调制，并将经调制的超快脉冲信号输出到所述同轴到共面转换器； 所述锁相放大器接收所述第二路信号作为其参考信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，其特征在于:该测量装置还包括控制和计算单元， 所述控制和计算单元分别控制延时单元和锁相放大器，以使所述飞秒脉冲激光的延时和锁相放大器的采样相对应，并基于等效取样原理对所述采样信号进行处理得到所述超快脉冲信号的时域波形。
4.根据权利要求1所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，其特征在于:所述同轴到共面转换器采用同轴到共面适配器。
5.根据权利要求4所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，其特征在于:所述同轴到共面适配器与共面波导压接。
6.根据权利要求1所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的装置，其特征在于:所述光导探针的光敏缝隙平面与共面波导的平面平行，且光导探针的光敏缝隙与共面波导表面之间的距离为5 μ m~10 μ m。
7.一种用于超快脉冲时域波形测量的方法，其特征在于:该方法包括 微波信号源输出共时基的第一路微波信号和第二路微波信号； 利用飞秒脉冲激光器基于所述第一微波信号产生飞秒脉冲激光， 以所述第二微波信号作为参考信号得到与所述飞秒脉冲激光同步的超快脉冲信号； 将该超快脉冲信号进行同轴到共面转换并传输至共面波导； 将该飞秒脉冲激光经延时后射入光导探针的光敏缝隙中，使得所述经延时单元延时的飞秒脉冲激光激励所述光导探针在所述共面波导产生的超快脉冲电场作用下产生光敏电流； 与所述延时单元的延时相应地对所述光敏电流进行采样得到采样信号。
8.根据权利要求7中所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的方法，其特征在于：该方法进一步包括： 利用函数发生器产生调制信号，并将该调制信号分为频率相同的第一路信号和第二路信号， 基于所述第一路信号调制所述超快脉冲信号，以及 将所述第二路信号作为参考信号解调所述采样信号。
9.根据权利要求7中所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的方法，其特征在于：基于等效取样原理对所述采样信号进行处理得到所述超快脉冲信号的时域波形
10.根据权利要求7中所述的一种用于超快脉冲时域波形测量的方法，其特征在于：该方法进一步包括利用光学延时线对所述飞秒脉冲激光进行延时，并对延时后的飞秒脉冲激光进行聚焦。
【文档编号】G01R13/02GK103529261SQ201310503608
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】龚鹏伟, 谢文, 马红梅, 杨春涛, 姜河, 谌贝 申请人:北京无线电计量测试研究所