本发明属于超快光学，更具体地，涉及一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置。
背景技术：
1、超短激光脉冲作为超快科学发展不可或缺的工具，在高能物理、化学观测、生物成像等基础研究领域发挥着独一无二的作用。近年来，时空锁模技术突破了传统锁模技术一维锁定的局限，实现了空间与时间同步锁定，获得了包含多个高阶空间模式的超短脉冲。多模光纤非线性效应使得时空锁模激光器中必然存在丰富且复杂的高维非线性动力学，然而，由于高精度区分时空锁模脉冲的空间模式存在困难，实时获取多维信息的技术处于发展阶段，使得对于时空锁模的动力学研究仍处于起步阶段。因此，设计高精度多维参量测量方法，实时获取时空锁模脉冲的空间-时间-光谱信息，揭示多维超短脉冲瞬态演化的动力学特性，一方面有利于拓展超短脉冲在非线性科学中的维度；另一方面为获取高功率、窄脉宽激光脉冲提供理论基础。
2、时空锁模技术自2017年被提出后，迅速成为超快激光的研究热点之一，其表现出大量与传统锁模激光器类似的锁模状态，包括多脉冲、束缚态脉冲、自相似子、波长可调谐等现象。受限于空间采样分辨率，不同空间模式区分尚不明显，全面分析时空锁模脉冲中不同模式的动力学特性仍有难度。因此，基于高精度模式分辨技术的多维参量实时测量方法，对于获取时空锁模脉冲的多维信息，厘清多维脉冲的动力学过程是非常有必要的。
3、时空锁模脉冲中多维参量决定了脉冲的特性，通过色散傅里叶变换可以获得频率在时间上的映射结果。然而，空间模式与频率和时间之间的映射关系仍未明晰，是探索高精度模式分辨方法的关键，是研究多维脉冲实时动力学特性过程中亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置，旨在对时空锁模脉冲的多维参量实时探测、解析与重构。
2、本发明基于广义多模非线性薛定谔方程(gmmnlse)的时空锁模激光器模型，首先描述时空锁模脉冲的模场ap(z,t)在无源多模光纤中的传输过程，其表达式如下：
3、
4、其中βm为m阶色散项，n2为光纤折射率，ω0为中心角频率，fr为拉曼分量，hr(τ)为介质的拉曼响应，对于不同的模式p，通过耦合一系列方程对多模脉冲的传输进行模拟。首先通过数值计算每个模式对应于多模光纤中的色散参数，并将少模增益光纤简化为单模光纤中的传输过程，此时从增益光纤进入多模光纤时激发多模，从多模光纤进入增益光纤时存在空间滤波过程。本发明采用了单模场中的可饱和吸收体代替时空锁模，这一重要的简化在获取时空锁模过程中大大减少模型运算量，为研究时空锁模脉冲的共通特性提供理论工具。针对不同空间模式在多模光纤中传输色散参数的不同，通过耦合方程解决模式间相互作用的结果，获取稳定时空锁模脉冲。为了进一步研究更多参量对时空锁模的影响，本发明将构建多维广义非线性薛定谔方程，更加直接地描述多维脉冲a(x,y,z,t)在全多模光纤激光腔中的演化，其表达式如下：
5、
6、其中γ表示非线性系数，最后一项表示增益光纤中的放大，此时增益光纤并没有简化为单模场。同时，完整时空场可饱和吸收体对于增益饱和与稳定解是至关重要的。根据全场时空模拟，本发明深入探索多维脉冲在渐变多模波导中的稳定传输过程，全面分析时间、频率、模式等参量的在演化过程中的变化趋势，厘清参量耦合机制和映射规律，为后期实现高精度空间模式分辨提供理论基础。
7、本发明提出的一种多维脉冲实时演化分析技术，搭建了一个全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置，实现了对时空锁模脉冲的多维参量实时探测、解析与重构，有利于拓展对脉冲多维动力学的研究。
8、本发明基于广义多模非线性薛定谔方程，构建时空锁模激光器的理论模型，探索时空锁模过程中多维参量耦合机理，厘清模式与频率的映射关系，为高精度模式区分与多维实时信息提取提供理论基础。采用全光纤结构，依据空间模式与频率的映射关系，通过采用分离频率的方法间接区分时空锁模脉冲中的不同空间模式，解决了直接空间采样空间模式难以分辨的难题。通过调节光纤光栅的特征参数实现不同中心波长和不同带宽反射光的区分，改变空间模式采样区间，提升系统的可调谐性能，突破了时空锁模脉冲空间采样分辨率的局限，为研究不同空间模式的动力学过程提供技术支撑。
9、为实现上述目的，本发明提供了一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置，包括全光纤时空锁模激光器平台、原始脉冲光束轮廓测量模块、光环行器、子脉冲光束轮廓测量模块、色散傅里叶变换与实时光谱信息检测模块，所述全光纤时空锁模激光器平台输出的时空锁模脉冲光束被所述原始脉冲光束轮廓测量模块接收，所述原始脉冲光束轮廓测量模块用于测量脉冲光束的原始脉冲轮廓，经过原始脉冲光束轮廓测量模块耦合输出的脉冲光束输入至所述光环行器第一端口，经过光环行器第二端口传输至所述子脉冲光束轮廓测量模块，所述子脉冲光束轮廓测量模块用于测量不同子脉冲的光束轮廓，获得时空锁模脉冲不同频率范围内空间模式分布，经过子脉冲光束轮廓测量模块的不同变迹啁啾光纤光栅反射后返回到光环行器第二端口，经过光环形器传输至光环行器第三端口，经过啁啾布拉格光纤光栅后返回到光环行器第三端口，经过光环行器传输至光环行器第四端口，经过光电探测器后传输至高速示波器，所述啁啾布拉格光纤光栅、光电探测器、高速示波器组成色散傅里叶变换与实时光谱信息检测模块，所述色散傅里叶变换与实时光谱信息检测模块用于将时空锁模脉冲进行色散傅里叶变换并测量脉冲的频谱信息；由原始光束测量模块测量的原始脉冲信息、子脉冲光束轮廓测量模块测量的子脉冲信息和色散傅里叶变换与实时光谱信息检测模块测量的脉冲频谱信息组合处理，实现实时脉冲信息解析。
10、进一步地，所述泵浦源为流驱动式激光二极管，通过波分复用器与环形激光器谐振腔光路相连接，为激光器注入泵浦光能量，工作时，可调节驱动电流的大小而同步调节输出泵浦光功率的大小；所述掺铒光纤与波分复用器相连，吸收从泵浦源注入的泵浦光能量，为脉冲激光器平台内部传输的激光脉冲持续地提供增益。所述偏振控制器用于改变激光器谐振腔内部光路的局部光偏振状态，工作时，偏振控制器置于激光器谐振腔中，用以调节激光脉冲的时空锁模状态。所述可饱和吸收体由第一单模光纤、渐变多模光纤、第二单模光纤构成，其具有非线性可饱和吸收性质，能够为激光器引入时空锁模机制，从而产生多横模锁模激光脉冲。所述光谱滤波器为少模光纤，利用少模光纤-渐变多模光纤-少模光纤结构的多模干涉效应实现光谱滤波，解决时空锁模过程中的关键问题。所述第一输出耦合器一共具有两个输出端口，其中第一输出端口与谐振腔光路连接，第二输出端口通向激光器外部用于输出脉冲激光，工作时，输入第一输出耦合器的激光将按照一定的功率比例被分为两束光，一束从第二输出端口输出，另一束从第一输出端口回到激光器谐振腔光路中沿着当前路径继续传输。
11、进一步地，所述原始脉冲光束轮廓测量模块由第二输出耦合器、第一ccd图像传感器构成。所述第二输出耦合器连接至全光纤时空锁模激光器平台，其一共具有两个输出端口，其中功率占比为99％的第一输出端口与光环行器的第一端口连接，功率占比为1％的第二输出端口通向外部用于输出脉冲激光，进入第一ccd图像传感器用于测量原始脉冲轮廓。
12、进一步地，所述光环行器包括四个端口：第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。
13、进一步地，所述子脉冲光束轮廓测量模块包括若干组级联的子脉冲光束轮廓测量结构组，每组子脉冲光束轮廓测量结构组依次包括第三输出耦合器、第二ccd图像传感器和第一变迹啁啾光纤光栅，第四输出耦合器、第三ccd图像传感器和第二变迹啁啾光纤光栅，第五输出耦合器、第四ccd图像传感器和第三变迹啁啾光纤光栅等结构组。。中心波长不同的变迹啁啾光纤光栅间隔一定距离串联排列，将反射脉冲中的不同波段部分，形成包含不同频率成分的子脉冲，每个子脉冲通过光纤光栅前的耦合器输出1％的端口连接至ccd，记录不同子脉冲的光束轮廓，获取时空锁模脉冲不同频率范围内空间模式分布，输出99％的端口连接至光环形器的第二端口。
14、进一步地，所述色散傅里叶变换与实时光谱信息检测模块，包括啁啾布拉格光纤光栅、光电探测器、高速示波器。啁啾布拉格光纤光栅连接至光环行器的第三端口，用于对每个子脉冲的展宽，将脉冲的频域映射到时域，实现色散傅里叶变换后反射回第三端口，经光环行器传输后从第四端口输出，第四端口连接至光电探测器和高速示波器，它们用于采集、记录每个子脉冲的时域信息，也即实时光谱信息。
15、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
16、有益效果：
17、1、本发明设计以多模光纤为基础的光谱滤波器和可饱和吸收体，搭建全光纤时空锁模系统，实现稳定时空锁模与各类时空锁模脉冲的输出，为研究多维动力学过程提供平台；依据多维脉冲模式-频率映射关系，设计高精度空间模式分辨方法，提升空间采样分辨率，有效提取包含不同横模的子脉冲，为进一步测量其实时信息提供基础；结合色散傅里叶变换技术，搭建高精度模式分辨的多维信息实时测量系统，探测不同模式子脉冲的实时光谱，获取时空锁模脉冲的多维实时信息。
18、2、本发明首次提出了基于光纤光栅的高分辨率模式区分方法，依据空间模式与频率的映射关系，采用分离频率的方法间接区分时空锁模脉冲中的不同空间模式。通过调节光纤光栅的特征参数可实现不同中心波长和不同带宽反射光的区分，改变空间模式采样区间，系统的可调谐性能极高，突破了时空锁模脉冲空间采样分辨率的局限，为研究不同空间模式的动力学过程提供技术支撑。
19、3、本发明采用全光纤结构，无需任何外部器件，具有光束质量好、抗电磁干扰、转化效率高、稳定性好、可实现性高、结构紧凑、成本低廉、易于散热和维护多种特点。
20、4、本发明能够实时探测，灵活多用，作为多模实时探测系统可应用于光纤通信和光纤传感等诸多领域，具有丰富的科学研究意义和工程应用价值。