Способ измерения пространственно-временной эволюции излучения
METHOD OF MEASURING SPATIAL-TEMPORAL RADIATION EVOLUTION

Изобретение относится к методам спектроскопии высокого разрешения и пространственно-временного анализа оптического излучения со сложной структурой и относительно быстрой эволюцией. Оно может быть использовано при проведении научных и прикладных исследований лазерных систем, в том числе распределенных лазерных систем передачи информации, а также частично когерентных и нестабильных лазерных источников, в особенности, с длинными резонаторами и синхронизацией мод.
Спектроскопические методы применяются в различных областях науки и техники, среди прочих, включая лазерную физику, где такими методами осуществляются точные частотные измерения. Наряду с высоким спектральным разрешением, однако, изучаемые явления и процессы требуют также и хорошего разрешения по времени, в силу их динамического характера. Во многих подобных случаях требуемое временное разрешение может составлять от нескольких микросекунд до единиц наносекунд. Большая часть доступных в настоящее время приборов оптической спектроскопии высокого разрешения, однако, основана либо на механических принципах, либо на использовании матричных фотосенсоров, которые не позволяют характеризовать быструю спектральную динамику многих важных процессов, таких как передача информации по оптическим каналам или поведение волоконных лазерных систем.
Уровень техники
Одним из относительно новых известных способов анализа быстроизменяющихся оптических сигналов является дисперсионное преобразование Фурье [US Pat. 8,870,060 не относится к измерительной спектроскопии] [1], основанное на дисперсии групповой скорости оптических импульсов в среде, позволяющей отобразить спектральное распределение интенсивности сигнала во временное. Этот метод с успехом применяется для анализа многих импульсных источников света, но поскольку он основан на временном растяжении сигнала, его применимость ограничена сигналами с относительно большой скважностью и небольшой длительностью импульса. Кроме этого, практическое спектральное разрешение этого метода не превышает 0,03 нм и он сам по себе не дает картины пространственно-временной эволюции исследуемого излучения.
Значительное расширение возможностей измерительного процесса может быть достигнуто заменой преобразования анализируемого сигнала в физических средах численными методами спектрального анализа, для чего требуется высокоскоростная оцифровка оптического сигнала. В практике спектроскопии хорошо известен принцип оптического гетеродинирования [см., например, Read1965] [2], который позволяет прямо измерять интенсивность оптического сигнала в пределах полосы пропускания фотодетектора и аналого-цифрового преобразователя. Современные полупроводниковые приборы и цифровые осциллографы позволяют исследовать сигналы с полосой, превышающей 100 ГГц.
В практике обработки сигналов известно использование различных модификаций спектрально-временных методов, которые в состоянии выделять отдельные узкополосные или одночастотные составляющие многокомпонентных оптических сигналов и исследовать их быструю эволюцию.
Вышеописанные подходы и методы до сих пор не были использованы вместе в составе спектрометрической системы для изучения переходных и быстропротекающих процессов в источниках когерентного и частично-когерентного излучения.
Однако они (и реализованные к настоящему времени эксперименты в этом направлении, см. Churkin2016) [3] не позволяют уверенно идентифицировать устойчивые структуры излучения сложных, и особенно, частично-когерентных систем, в которых несколько таких структур может сосуществовать одновременно и двигаться относительно друг друга с разными групповыми скоростями, а также делать это в присутствии шума.
Известны методы пространственно-временного анализа и идентификации структур в излучении резонаторных систем (например, см. Turitsyna2013 [4] или Runge2015) [5], основанные на рассмотрении последовательности обходов оптического резонатора излучением, как эволюции пространственного распределения интенсивности во времени и использующие визуальный анализ полученных пространственно-временных распределений для выделения структур на фоне остального излучения с целью их дальнейшего анализа.
Недостатком такого подхода является необходимое участие оператора и субъективный характер идентификации анализируемых структур в их эволюционном развитии, а также его применимость лишь к резонаторным оптическим системам.
Как раскрыто в Churkin2015 [6], возможна частичная автоматизация анализа пространственно-временных распределений излучения лазерных систем при помощи точной оценки периода обхода излучением резонатора по автокорреляционной функции интенсивности. Там же объясняется, как можно использовать автокорреляцию высоких порядков, чтобы обнаружить существование структур в излучении, групповые скорости которых (и период обхода резонатора) отличаются.
Однако подобный подход не различает структуры излучения, имеющие одинаковую групповую скорость. Он также ограничен случаем постоянной групповой скорости при определении системы координат изучаемой структуры.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа высокоразрешающей пространственно-временной спектроскопии сложного многокомпонентного излучения, позволяющего разделять компоненты сигнала, имеющие одинаковую групповую скорость, идентифицировать устойчивые структуры излучения сложных, и особенно, частично-когерентных систем, в которых несколько таких структур может сосуществовать одновременно и двигаться относительно друг друга с разными групповыми скоростями а также делать это в присутствии шума с возможностью введения обратной связи на исследуемую систему для коррекции ее параметров.
Техническим результатом также является возможность изучать и характеризовать лазерные системы со сложным относительно широкополосным излучением на коротких временных интервалах (с шагом в один обход резонатора), с большой точностью по времени и частоте следить за быстропротекающими процессами в оптических системах и управлять ими (например, контролировать лазер с самосканированием длины волны генерации); выявлять в излучении повторяющиеся (когерентные) структуры, которые невозможно обнаружить с помощью известных стандартных методов, и наблюдать их развитие во времени, измерять спектральный состав излучения со спектральным разрешением, значительно превышающим предел общеизвестных спектральных методов, и использовать эти данные в цепи обратной связи для достижения, например, генерации на нескольких частотах сразу.
Поставленная задача достигается созданием способа, опирающегося на записи измерений интенсивности входного сигнала в реальном времени и на применении специальных спектральных преобразований с использованием частотно-спектрального анализа полученных спектральных и пространственно-временных данных для визуального или автоматического выявления в излучении повторяющихся структур и их развития во времени, который состоит в следующем:
из входного излучения получают сигнал оптического гетеродина, смешивая его на фотодетекторе с излучением локального осциллятора с частотой, подобранной так, чтобы весь спектр входного излучения попадал в полосу фотодетектора и последующих компонент. Если спектр входного излучения превышает доступную полосу, выбирают интересующую его часть.
В случае регистрации только пространственно-временной эволюции исследуемого сигнала, может быть достаточной прямая запись его интенсивности без использования гетеродинирования.
Запускают непрерывную запись измерений интенсивности входного сигнала (например, при помощи широкополосного цифрового запоминающего осциллографа).
Регистрируемый сигнал интенсивности s(t) подвергается преобразованию Гильберта для вычисления его аналитического дополнения h(t)=s(t)+iH{s(t)}, и в дальнейшей обработке используют полученный аналитический сигнал.
-1
2
Вычисляют для некоторого начального фрагмента записи зарегистрированного сигнала автокорреляционную функцию C(t)=∫h(t)h*(t-τ)dτ, пользуясь методом быстрого преобразования Фурье F, так как по теореме о свертке (например, см. Katznelson1976 [7] и программную реализацию в Kapinchev2015) [8] C(t)=F{|F{h(t)}|}.
По основному периоду полученной автокорреляционной функции вычисляют периодичность основной структуры во входном излучении, т.н. длительность «быстрого времени», эквивалентного пространственному распределению интенсивности вдоль исследуемой оптической системы.
При этом для улучшения точности определения (например, подавления шума), применяют частотное фильтрование сигнала, тривиально (умножением на фильтрующую функцию) реализуемое в Фурье-представлении.
При работе с оптическими системами без явно выраженной периодичности, устанавливают величину «быстрого времени» вручную, исходя из конфигурации исследуемой системы (например, длины волоконной линии) и интересующей спектральной полосы сигнала.
Записываемый сигнал разбивают на последовательные интервалы с длиной, равной "быстрому времени", так чтобы целевая структура располагалась в них на одном и том же значении "быстрого времени".
Дальнейшая регистрация может быть синхронизована с основным периодом структуры излучения и осуществляться кусочно по мере обработки записанных данных (поскольку скорость обработки, вывода, и реакции систем обратной связи обычно значительно ниже скорости записи).
Выделяют отдельный интересующий фрагмент в пределах промежутка "быстрого времени" или выбирают шаблон такого фрагмента из библиотеки характерных структур, и вычисляют кросс-корреляцию этого фрагмента с остальным сигналом, которая выполняется методами быстрого анализа Фурье и может использовать Фурье-образ сигнала, полученный при вычислении автокорреляционной функции (см. выше).
Используют полученную кросс-корреляционную функцию для маскирования (при помощи операции умножения) записанного сигнала и выделения, таким образом, интересующего фрагмента, затем выводят (возможно, маскированный) сигнал в виде диаграммы, где последовательные одномерные распределения по «быстрому времени» отражают двумерную пространственно-временную эволюцию сигнала.
Предлагаемый способ поясняется фиг. 1, где показана последовательность проводимых операций.
При использовании предлагаемого метода для контроля или стабилизации параметров измеряемой оптической системы, по положению выбранной структуры в пределах остального входного излучения генерируют сигнал ошибки, который используют, например, для стабилизации положения импульсов в многоимпульсной синхронизации мод друг относительно друга.
Если для построения пространственно-временной эволюции исходного сигнала используют оптическое гетеродинирование, то она сохраняет информацию об оптической фазе и таким образом может быть либо использована для вычисления спектрально-временной эволюции сигнала, либо в цепи обратной связи, например, для стабилизации частоты измеряемой оптической системы.
Полученная кросс-корреляционная функция может быть после этого использована в качестве маски для выделения целевой структуры в общем сигнале, облегчая, таким образом, ее визуальную идентификацию и применение автоматических методов создания сигнала обратной связи.
Это позволяет, во-первых, значительно сократить объем вычислений по сравнению с полной корреляционной функцией, а во-вторых, не нуждается в обращении к высоким порядкам корреляции для изоляции отдельных структур в сигнале. Предлагаемый метод также позволяет разделять компоненты сигнала, имеющие одинаковую групповую скорость.
Пример использования способа
В качестве источника оптического сигнала для примера использования предлагаемого метода измерений была использована лазерная система, приведенная на фиг. 2, где:
1. Лазер накачки
2. Волоконный объединитель пучка
3. Активное волокно, легированное эрбием
4. Волоконный делитель пучка по длине волны
5. Оптический диод
6. 10 км одномодового волокна
7. Выходной волоконный ответвитель
8. Выходное излучение
9. Контроллер поляризации
10. Насыщающий поглотитель из углеродных трубок
11. Измерительный блок.
Система состояла из эрбиевого волоконного лазера с кольцевым резонатором, в состав которого входили 1.3 м волокна, легированного эрбием и накачиваемого комбинационным лазером на длине волны 1480 нм, и 10 км одномодового оптического волокна Corning SMF-28. Насыщаемый поглотитель с использованием углеродных нанотрубок был включен в резонатор для достижения режима синхронизации мод, а контроллер поляризации использовался для стабилизации параметров генерации.
Динамика интенсивности наблюдалась при помощи комбинации осциллографа реального времени с полосой 6 ГГц и фотодетектора с полосой 50 ГГц. Порог генерации этого лазера был около 90 мВт, и при мощности накачки около 120 мВт и должной настройке контроллера поляризации достигался режим генерации солитонного дождя на длине волны 1550 нм.
Эта волоконная лазерная система была выбрана для эксперимента, поскольку предлагаемый способ нацелен на идентификацию и выделение заданных структур в излучении оптических систем, а солитонный дождь представляет собой излучение, состоящее из связанных между собой и взаимодействующих за счет рассеяния Бриллюэна структур определенной стабильной формы.
На Фиг. 3а изображен исходный оптический сигнал, отображенный для удобства сравнения, с учетом величины быстрого времени, вычисленного при помощи автокорреляционной техники.
На Фиг. 3б приведен результат применения алгоритма идентификации структур в излучении с использованием в качестве шаблона целевой структуры формы солитонного импульса.
На Фиг. 3в представлен результат маскирования и фильтрования исходного сигнала с учетом идентифицированных структур, который, в случае применения предлагаемого метода в режиме реального времени может быть напрямую интерпретирован, как координаты положения искомых структур на длине резонатора системы, и использован, например, для стабилизации их положения при помощи заведения обратной связи на контроллер поляризации.
Как можно видеть из сравнения Фиг. 3а и 3б с Фиг. 3в, применение предлагаемого метода позволяет в значительной степени очистить целевые структуры от другого излучения, присутствующего в сигнале, а также использовать полученные данные непосредственно в качестве сигнала обратной связи.
Источники информации
1. Патент US 8,870,060
2. Read1965 W.S. Read and R.G. Turner, «Tracking Heterodyne Detection», Appl. Opt. 4, 1570 (1965).
3. Churkin2016 S. Sugavanam, S. Fabbri, S. Tai Le, I. Lobach, S. Kablukov, S. Khorev, & D. Churkin, "Real-time high-resolution heterodyne-based measurements of spectral dynamics in fibre lasers," Scientific Reports 6:23152 (2016), doi: 10.1038/srep23152.
4. Turitsyna2013 Turitsyna, E.G. et al. The laminar-turbulent transition in a fibre laser. Nat. Photonics 7, 783-786 (2013).
5. Runge2015 Runge, A.F.J., Broderick, N.G.R. & Erkintalo, M. Observation of soliton  in a passively mode-locked fiber laser. Optica 2, 36-39 (2015)
6. Churkin2015 D.V. Churkin, S. Sugavanam, N. Tarasov, S. Khorev, S.V. Smirnov, S.M. Kobtsev, & S.K. Turitsyn, "Stochasticity, periodicity and localized light structures in partially mode-locked fibre lasers," Nat. Comm. 6:7004 (2015), doi: 10.1038/ncomms8004.
7. Katznelson1976 Katznelson, Yitzhak (1976), An introduction to Harmonic Analysis, Dover, ISBN 0-486-63331-4.
8. Kapinchev 2015 K.I. Kapinchev, Adrian Bradu, Frederick Barnes, Adrian Podoleanu, "GPU Implementation of Cross-Correlation for Image Generation in Real Time," in Proc. of 9th International Conference on Signal Processing and Communication Systems, 2015, doi: 10.1109/ICSPCS.2015.7391783.