1 故宫博物院文物保护标准化研究所，北京 100009
2 首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048
3 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室，北京 100048
珐琅在宫廷艺术品中享有重要地位，其制作工艺复杂，为了更好地分析珐琅的制作工艺，各种无损的科技手段都被用于珐琅的研究。太赫兹作为最后一个未被完全开发的波段，近年来被广泛应用于无损检测领域，例如通信、安检和航天等。将太赫兹技术应用于珐琅的保护和修复具有重要意义。本文搭建了基于异步光学采样（ASOPS）的高速扫描太赫兹系统，将此系统用于珐琅的反射成像研究。实验结果表明，胎体和掐丝结构的反射率较高，但边缘图案的反射率没有中间金属反射率高。掐丝结构的金属丝较细，太赫兹图像仍可以清晰地显示出它的形态，但并没有观察到不同珐琅釉料颜色的差别。珐琅片的内部至少有两层结构，分别为胎体层和掐丝釉料层。掐丝珐琅釉料层的表面并不平整而是呈现包络状，可能是在制作珐琅的最后一步磨光的过程中磨得不完全，底层的胎体平整而规则。
太赫兹 异步光学采样 珐琅 光学学报
2023, 43(20): 2011001
1 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心，北京 100190
2 中国科学院大学物理科学学院，北京 100049
3 松山湖材料实验室，广东 东莞 523808
4 上海交通大学IFSA协同创新中心，上海 200240
基于超快超强激光的强场太赫兹辐射源通常具有较低的重复频率，此类辐射源的表征和应用对太赫兹时域波形和频谱测量技术提出了新要求。介绍了中国科学院物理研究所光物理重点实验室发展的几种针对太赫兹脉冲时域波形和频谱的单发测量系统，重点讨论了每种方案的设计原理和特点。这些单发探测方案适用于低重复频率的强场太赫兹脉冲源，有助于准确表征太赫兹辐射性质、深入理解太赫兹产生机制、拓展强场太赫兹应用范围。
测量 太赫兹辐射 电光采样 自相关测量 中国激光
2023, 50(17): 1714001
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai, China
2 The 41st Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Qingdao, China
We report a compact, tunable, self-starting, all-fiber laser-based asynchronous optical sampling (ASOPS) system. Two Er-doped fiber oscillators were used as the pulsed-laser source, whose repetition rate could be set at 100 MHz with a tuning range of 1.25 MHz through a fiber delay line. By employing phase-locked and temperature control loops, the repetition rate offset of the two lasers was stabilized with 7.13 × 10-11 fractional instability at an average time of 1 s. Its capabilities in the terahertz regime were demonstrated by terahertz time-domain spectroscopy, achieving a spectral bandwidth of 3 THz with a dynamic range of 30 dB. The large range of repetition rate adjustment in our ASOPS system has the potential to be a powerful tool in the terahertz regime.
asynchronous optical sampling mode-locked fiber laser terahertz time-domain spectroscopy High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(2): 02000e29
天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072
基于电控光学采样原理开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量的实验研究。电控光学采样技术使用两台重复频率锁相的飞秒激光器，分别作为信号激光器和本地振荡器。在本地振荡器的谐振腔内插入电光调制器并施加方波调制，实现了可控、高效的等效时间采样，采样速度由电光调制器的调制频率决定。基于这一采样原理开展脉冲飞行时间绝对距离测量实验。选用一对重复频率约为158 MHz的被动锁模光纤激光器作为光源，对固定目标进行单次测量的最大更新速率可达到200 kHz，经过4100次单次测量平均后，测距精度可达到16.7 nm。在此基础上，测量了硅基微机械器件中深度约为67.6 μm的微槽。
测量 飞秒脉冲 电控光学采样 飞行时间 绝对距离测量
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
矢量网络分析仪是射频微波领域的重要测量仪器，设计实现了一套基于光采样的微波光子矢量网络分析仪。该系统使用锁模激光器的超稳光脉冲序列通过马赫-曾德尔调制器直接采样单音信号，再采用数字信号处理技术获取待测器件的散射参数。实验测试表明：采用20 GHz电光调制器实现的系统带宽可达20 GHz，更大的系统带宽可以通过采用更大带宽的电光调制器达到。系统的动态范围约为60 dB，最小频率分辨率为11.92 Hz。对中心频率为10 GHz的带通滤波器的散射参数（S参数）进行了测试，在通带范围内，与商用矢量网络分析仪的测试结果相比，S21的幅度平均偏差为0.1241 dB，S21的相位平均偏差为3.6356°，具有很好的一致性。
仪器，测量与计量 微波测量 矢量网络分析 散射参数 光采样 光学学报
2022, 42(13): 1312002
1 中北大学 信息与通信工程学院，山西太原03005
2 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原030051
3 中北大学 前沿交叉科学研究院，山西太原00051
为在欠采样率条件下实现高频信号的测量与恢复，本文使用自研国产皮秒级等效时间采样光取样示波器对频率10~100 GHz的简谐波信号进行采集和恢复。该示波器中，分别采用粗、细两级延迟进位产生延迟分辨率5 ps、动态范围10 μs的触发序列，驱动高带宽取样器对信号进行取样，取样信号通过50 kHz 模数转换器输出得到测量值，即每间隔20 μs增加5 ps延迟的方式对高频信号进行一次取样，压缩比约为106，实际采样率远低于奈奎斯特定理限制。根据压缩感知原理，通过傅里叶变换及等效时间采样构成测量矩阵，构成该信号测量过程的稀疏化表示，并求解Ll范数最小化问题，恢复得到被测信号波形。结果表明，最高可实现100 GHz的高频信号均方根误差小于5×10-5的欠采样恢复，拓展了该类型示波器测量的动态范围。
光取样示波器 压缩感知 信号重建 optical sampling oscilloscope compressive sensing signal reconstruction 光学 精密工程
2022, 30(10): 1240
1 中国电子科技集团公司 第二十四研究所, 重庆 400060
2 中国电子科技集团公司 第二十六研究所, 重庆 400060
现代宽带数字接收机对高性能模数转换器(ADC)的需求逐渐增大，而电子学ADC因载流子迁移速率限制无法实现超宽带直接数字采样。基于光子技术超宽带、超高速的特性，文章提出了一种光电混合结构的ADC技术。通过采用基于超短光脉冲的光学采样代替基于电子学半导体技术的采样/保持(S/H)电路来大幅提高采样带宽。采用时分复用及多通道电学ADC量化技术实现信号数字编码。最后通过数字域均衡与线性化处理提高系统性能，实现了对频率大于24 GHz的微波信号的直接采样，采样信噪比大于40 dB，为超宽带微波信号高精度直接数字化提供了有效途径。
光电混合结构ADC 光学采样 低时钟抖动 电学量化 photoelectric hybrid ADC optical sampling low clock jitter electrical quantization
1 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南省光电信息技术重点实验室, 云南 昆明 650500
2 北京信息科技大学, 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
光频梳因频率等间隔、 波长稳定、 谱线线宽窄以及谱宽大等特性, 在高精度测量和计量中具有广泛的应用。 其中, 双光梳快速测量包括光谱测量、 绝对测距、 三维成像和超快异步光学采样等已成为研究热点之一。 近年来, 基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学系统由于具有结构简单、 测量范围大和精度高等优点而备受关注。 首先从时域和频域介绍了光频梳的特性和应用, 尤其介绍了双光梳测量的优势, 相较目前主流的稳频稳相锁模激光器、 电光调制等双光梳光源实现方案, 单腔双光梳激光器方案有望避免采用复杂的电子控制系统, 简化双光梳光源的结构、 体积和成本。 因此, 重点介绍了波长复用、 偏振复用、 空间复用和脉冲波形复用的单腔双光梳光纤激光器实现技术, 并对其基本原理、 性能参数和当前研究的进展以及目前发展中仍然存在的问题进行了分析; 同时对保偏光纤双光梳激光器的研究现状及其性能进行了总结。 接着, 重点介绍了双梳光谱学的测量原理, 回顾了现有光谱扩展技术, 并详细介绍了基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学应用案例, 包括掺铒光纤激光器所在的近红外波段以及其扩展到中红外和太赫兹波段的光谱探测。 最后, 总结了目前的单腔双光梳激光器的主要发展趋势, 包括进一步提高单腔型双光梳激光腔的重频稳定性、 降低共模噪声、 探索单腔双光梳系统在中红外以及太赫兹波段的应用, 推动单腔双光梳锁模光纤激光器的实用化。
光频梳 双梳光谱学 锁模激光器 异步光学采样 Optical frequency comb Dual-comb spectroscopy Mode-locked laser Asynchronous optical sampling 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3321
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
作为一种高精度测量工具, 飞秒激光具有优于传统激光技术的特性, 已被广泛应用于工业生产、 航空航天、 科学研究等领域。 扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、 扫描速度过慢等问题, 对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。 基于扫频采样原理, 提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法, 并对该技术的测量原理、 干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。 首先, 根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应, 介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。 在此基础上, 结合传统的光学采样法原理, 解释了扫频采样法的测距原理, 推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。 然后, 搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统, 在线性导轨上进行了远距离的测量实验, 同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。 根据实验环境修正了空气群折射率, 分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响, 测量了不同目标位置处的激光扫描距离。 在504 m的测量范围内, 扫描距离从056 mm增加到112 mm, 充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。 周期性的频率扫描可产生互相关条纹, 通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理, 解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数, 从而获取被测的距离信息。 此外, 为了减小系统的时间延迟误差, 提高测量的准确性, 采用差分原理对算法进行了改进。 在希尔伯特算法基础上, 分别对频率和距离进行差分处理, 解算距离信息。 实验结果表明, 经过对比, 采用基于距离差分的改进算法处理数据, 性能结果较好。 算法改进后, 系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm, 相对精度从22×10-9提高到8×10-8, 测距准确性明显提高。 通过分析重复性测量数据, 并与增量式激光干涉仪结果比对, 测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm, 最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8, 测距稳定性明显提高。 因此, 该方法有较为优秀的大尺寸测距能力, 具有同时实现高精度、 大尺寸、 快速绝对测距的潜力, 在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。
飞秒激光 光学采样 大尺寸测距 干涉光谱 Femtosecond laser Optical sampling Large-scale distance measurement Interference spectrum 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2708
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院光电工程研究所, 山西 太原 030024
3 保密通信重点实验室, 四川 成都 610041
4 中国电子科技集团公司第三十研究所, 四川 成都 610041
实验从时域上研究了切割超连续谱实现实时、高速全光量化的方案。利用光滤波器件对不同强度的光采样脉冲产生的超连续谱进行光谱分割, 从而实现对光采样脉冲的实时量化。具体来讲, 重复频率为10 GHz的光采样脉冲经功率放大后耦合到400 m的高非线性光纤中产生超连续谱, 采用3个可调谐的光滤波器对其进行不同波长的光谱切割, 实现采样率为10 GSa/s、量化精度为2 bit的实时全光量化, 量化后脉冲时序的消光比可达10 dB以上。
信号处理 全光模数转换 光采样 光量化 超连续谱 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100701
