本實(shí)用新型屬于激光脈沖產(chǎn)生及整形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置。

背景技術(shù)：

在激光加工、切割等生產(chǎn)過程以及相關(guān)的科研中，不同形狀的光脈沖可能表現(xiàn)出不同的特性。為了獲得更好的效果，往往需要獲得具有一定形狀的激光脈沖。

目前，光脈沖整形方法主要有三種，即基于半導(dǎo)體激光器的脈沖整形方法、基于脈沖堆積的脈沖整形方法和基于電光調(diào)制器的脈沖整形方法。

1、基于半導(dǎo)體激光器的脈沖整形方法利用任意形狀的整形電脈沖直接驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)生與電脈沖形狀一致的激光脈沖。此方法所用裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但其激光束質(zhì)量受半導(dǎo)體激光器影響，脈沖整形精度有限，最新的研究結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)脈寬10ns(納秒)、時(shí)域調(diào)節(jié)精度330ps(皮秒)任意形狀整形激光脈沖。

2、基于脈沖堆積的脈沖整形方法是采用多個(gè)短脈沖在時(shí)域上首尾相連，組合成一個(gè)長(zhǎng)脈沖。此方法可以產(chǎn)生亞ps到ns脈沖，堆積結(jié)果依賴于堆積的脈沖基元及延時(shí)大小。其產(chǎn)生的脈沖具有掃頻特性、上升沿陡峭、受環(huán)境和光程變化小等優(yōu)點(diǎn)，但該方法涉及超短脈沖的產(chǎn)生、放大、控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)難度大。

3、基于電光調(diào)制器的脈沖整形方法通過將整形電脈沖加載到電光調(diào)制器，對(duì)連續(xù)光進(jìn)行幅度調(diào)制，從而產(chǎn)生整形脈沖。此方法需要足夠快的調(diào)制信號(hào)源和電光調(diào)制器，一般用于百ps以上到ns或更長(zhǎng)時(shí)間的脈沖整形。主要受限于電光調(diào)制的響應(yīng)速率。電光調(diào)制器的脈沖整形技術(shù)比較成熟，整形能力強(qiáng)。其核心器件是電光調(diào)制器，所加的電調(diào)制信號(hào)使其輸出光強(qiáng)度發(fā)生 變化，即裝置輸出的光脈沖峰值改變。通過精確控制高消光比電光調(diào)制器的直流電壓偏置點(diǎn)，即可產(chǎn)生高對(duì)比度的任意整形脈沖。但是隨著器件內(nèi)的靜電荷積累以及溫度的變化，直流偏置點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，導(dǎo)致輸出光脈沖相位變化，消光比下降。為了解決該問題，一般需要輸入穩(wěn)定的連續(xù)光，然后對(duì)輸出光進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反饋控制電光調(diào)制器，保證輸出穩(wěn)定。但是當(dāng)輸入信號(hào)光為脈沖光，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)反饋方法失效，基于電光調(diào)制器的脈沖整形無法有效完成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有的基于電光調(diào)制器的光脈沖整形技術(shù)的不足，提出一種引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器脈沖整形裝置，引入?yún)⒖脊馀c信號(hào)光一起經(jīng)過波分復(fù)用器、電光調(diào)制器，再經(jīng)解波分復(fù)用器分出的參考光送入光電探測(cè)器，反映參考光光強(qiáng)度的電信號(hào)送入微處理器，微處理器據(jù)此經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、射頻驅(qū)動(dòng)器，控制電光調(diào)制器。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置包括電光調(diào)制器，還包括波分復(fù)用器、解波分復(fù)用器、光電探測(cè)器、微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、射頻驅(qū)動(dòng)器。

信號(hào)光和參考光輸入波分復(fù)用器合為一路，接入電光調(diào)制器對(duì)信號(hào)光和參考光進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生整形脈沖，電光調(diào)制器的輸出端連接解波分復(fù)用器，將調(diào)制后的信號(hào)光和參考光分開，解波分復(fù)用器輸出的信號(hào)光為本裝置的輸出，解波分復(fù)用器輸出的參考光接入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元接入微處理器，微處理器由光電探測(cè)器獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)，微處理器的控制信號(hào)接射頻驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，電調(diào)制信號(hào)接入射頻驅(qū)動(dòng)器；射頻驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出接入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動(dòng)器根據(jù)微處理器的控制信號(hào)對(duì)電調(diào)制信號(hào)放大后加載到電光調(diào)制器，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將微處理器的數(shù)字電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送入電光調(diào)制器、控制其偏置電壓，最終微處理器根據(jù)參考光的反饋，調(diào)整電光調(diào)制器工作于最佳偏置電壓。

所述波分復(fù)用器、電光調(diào)制器、解波分復(fù)用器適用于參考光和信號(hào)光波長(zhǎng)，經(jīng)光纖連接。

所述輸入的信號(hào)光為線偏振連續(xù)激光或脈沖激光(ms或μs級(jí))。本裝置輸出信號(hào)光為脈沖寬度ns級(jí)、頻率1～1kHz的低頻窄脈沖光。

所述輸入的參考光是高穩(wěn)定線偏振激光器提供的連續(xù)光，其波長(zhǎng)與信號(hào)光波長(zhǎng)的差為0.4nm～600nm。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣周期大于電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光的脈沖寬度，采樣頻率大于電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光的脈沖頻率5～15倍，從而本模數(shù)轉(zhuǎn)換器可在兩個(gè)脈沖間連續(xù)采樣5～15次，所得的5～15個(gè)采樣值中最大只會(huì)包含光脈沖的一個(gè)最大值，將其剔除，其余值即反映當(dāng)前偏置電壓下的透過光強(qiáng)。

所述電光調(diào)制器為波導(dǎo)型鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。

所述電調(diào)制信號(hào)由波形發(fā)生器產(chǎn)生，電調(diào)制信號(hào)與脈沖型信號(hào)光的調(diào)制頻率相同。為保證兩者脈沖同時(shí)到達(dá)電光調(diào)制器，引入一個(gè)與脈沖型信號(hào)光相關(guān)聯(lián)的同步信號(hào)，作為波形發(fā)生器的觸發(fā)信號(hào)以產(chǎn)生同步電調(diào)制信號(hào)。

所述的光電探測(cè)器為PIN型光電二極管。

為了讓接入光電探測(cè)器的參考光光強(qiáng)度與光電探測(cè)器的輸入強(qiáng)度配合，避免光電探測(cè)器飽和，解波分復(fù)用器分出的參考光接入衰減器，再接入光電探測(cè)器；和/或，為了讓光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)便于微處理器識(shí)別，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)接入放大器再接入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。

本實(shí)用新型的引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器脈沖整形裝置使用時(shí)先確認(rèn)最佳偏置電壓。

系統(tǒng)通電啟動(dòng)進(jìn)行初始化，取連續(xù)激光信號(hào)光和參考光一起輸入波分復(fù)用器，本步驟中所用的連續(xù)激光信號(hào)光的波長(zhǎng)與將要進(jìn)行脈沖整形的信號(hào)光波長(zhǎng)相同，射頻驅(qū)動(dòng)器正常工作。電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光接入光功率計(jì)。

微處理器遍歷電光調(diào)制器的各偏置電壓點(diǎn)，即從最高偏置電壓遍歷到最低偏置電壓，微處理器的電壓控制指令經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后送入電光調(diào)制器，在各電壓偏置點(diǎn)，記錄信號(hào)光輸出功率值；同時(shí)透過電光調(diào)制器的參考光在光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣送入微處理器，即微處理器接收對(duì)應(yīng)電光調(diào)制器輸出的參考光脈沖強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)采樣值，稱之為參考光的光強(qiáng)度采樣值。

微處理器依次獲得各偏置電壓下的光電探測(cè)器輸出的信號(hào)光功率和參考光光強(qiáng)度采樣值。

此波長(zhǎng)信號(hào)光輸出功率為最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的偏置電壓為該波長(zhǎng)信號(hào)光的最佳偏置電壓，記錄此最佳偏置電壓值V₀；信號(hào)光輸出功率為最小時(shí)對(duì)應(yīng)的參考光光強(qiáng)度采樣值為參考光光強(qiáng)度參照值A(chǔ)D₀，并得到所述最佳偏置電壓值V₀與參考光最小光強(qiáng)度采樣值對(duì)應(yīng)的偏置電壓值V’的關(guān)系，將針對(duì)該波長(zhǎng)信號(hào)光所得的最佳偏置電壓值V₀、參考光光強(qiáng)度參照值A(chǔ)D₀以及V₀和V’的大小關(guān)系存儲(chǔ)于微處理器當(dāng)中。

本裝置工作自動(dòng)跟蹤調(diào)整偏置點(diǎn)，對(duì)信號(hào)光脈沖整形。

信號(hào)光和參考光輸入波分復(fù)用器，射頻驅(qū)動(dòng)器放大電調(diào)制信號(hào)并送入電光調(diào)制器。微處理器向電光調(diào)制器送出所得的最佳偏置電壓V₀。

由于電調(diào)制信號(hào)和輸出脈沖之間的變換不是線性的，為了獲得指定波形的輸出脈沖，需針對(duì)電調(diào)制信號(hào)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)正常工作時(shí)，電調(diào)制信號(hào)與輸出脈沖間有以下變換關(guān)系：

$I=I_{\max }{\cos }^2(\frac{1}{2}\·(\frac{kM}{V_{\mathrm{\π}}}\·\mathrm{\π}+\mathrm{\π}\left)\right)$

其中，I為輸出脈沖的光強(qiáng)，I_max為電光調(diào)制器透過的最大光強(qiáng)，k為射頻驅(qū)動(dòng)器的放大倍數(shù)，M為電調(diào)制信號(hào)，V_π為電光調(diào)制器的半波電壓，即透過光最大時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置電壓與透過光最小時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置電壓之差。對(duì)于指定的脈沖波形，可逆向求取對(duì)應(yīng)的電調(diào)制信號(hào)。

微處理器設(shè)置閾值。微處理器實(shí)時(shí)比較當(dāng)前參考光光強(qiáng)度采樣值與步驟1所得的參考光光強(qiáng)度參照值A(chǔ)D₀，當(dāng)二者差的絕對(duì)值達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)，對(duì)偏置電壓進(jìn)行小步長(zhǎng)修正，以達(dá)到二者差小于設(shè)置閾值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置的有益效果是：1、突破現(xiàn)有技術(shù)的局限，設(shè)計(jì)參考光光路，由參考光路搜索獲得最佳偏置點(diǎn)電壓，并通過監(jiān)測(cè)參考光的當(dāng)前光強(qiáng)度狀態(tài)、間接掌握電光調(diào)制器的當(dāng)前工作狀態(tài)，適用于連續(xù)激光或脈沖光的信號(hào)光，實(shí)時(shí)調(diào)整電光調(diào)制器的偏置電壓，有效克服靜電荷積累及溫度變化引起的偏置電壓漂 移影響，以保證輸出高對(duì)比度任意整形光脈沖；2、引入高穩(wěn)定的參考光路，獲得穩(wěn)定的反饋值，并可根據(jù)參考光路的反饋方便地搜索獲得適用于信號(hào)光的最佳偏置點(diǎn)電壓；3、微處理器根據(jù)參考光獲取了反映偏置點(diǎn)漂移的準(zhǔn)確光強(qiáng)信息，有利于微處理器的正確調(diào)整；4、本實(shí)用新型工作穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)，能夠適用于線偏振連續(xù)激光或多種ms或μs級(jí)的脈沖激光的信號(hào)光，偏置電壓控制精度達(dá)0.002V，實(shí)現(xiàn)任意波形脈沖整形，時(shí)域整形精度小于100ps，輸出脈沖對(duì)比度大于200:1。

附圖說明

圖1為本引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例1的信號(hào)光輸出波形；

圖3為本引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例2的信號(hào)光輸出波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例1

本引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例1如圖1所示，圖中虛線連線表示光纖連接，實(shí)線連線表示導(dǎo)線連接。信號(hào)光λ₁IN和參考光λ₂IN輸入波分復(fù)用器合為一路，接入電光調(diào)制器對(duì)信號(hào)光和參考光進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生整形脈沖，再接入解波分復(fù)用器，將調(diào)制后的信號(hào)光和參考光分開，解波分復(fù)用器輸出的信號(hào)光λ₁OUT為本裝置的輸出，解波分復(fù)用器輸出的參考光λ₂OUT經(jīng)衰減器接入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器經(jīng)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元接入微處理器，微處理器由光電探測(cè)器獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)，微處理器的控制信號(hào)接RF驅(qū)動(dòng)器(即射頻驅(qū)動(dòng)器)和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，電調(diào)制信號(hào)接入RF驅(qū)動(dòng)器；RF驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出接入電光調(diào)制器，RF驅(qū)動(dòng)器根據(jù)微處理器的控制信號(hào)對(duì)電調(diào)制信號(hào)放大后加載到電光調(diào)制器，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元根據(jù)微處理器 的控制信號(hào)控制電光調(diào)制器的偏置電壓。

本例輸入的信號(hào)光λ₁IN為線偏振連續(xù)激光或脈沖光，波長(zhǎng)1053nm。本例裝置輸出信號(hào)光脈沖寬度為3.09ns級(jí)、頻率為1kHz的低頻窄脈沖光。

本例輸入的參考光λ₂IN是高穩(wěn)定線偏振激光器提供的連續(xù)光，波長(zhǎng)980nm。

本例波分復(fù)用器、電光調(diào)制器、解波分復(fù)用器和光電探測(cè)器適用于參考光和信號(hào)光波長(zhǎng)，經(jīng)光纖連接。

本例電光調(diào)制器件為波導(dǎo)型鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。本例電調(diào)制信號(hào)M由波形發(fā)生器產(chǎn)生。

本例光電探測(cè)器為PIN型光電二極管。具體為GCPD-1P系列光電探測(cè)器，飽和功率大于或等于2mW，響應(yīng)時(shí)間為1ns，響應(yīng)度大于或等于0.8A/W。

本例輸入的信號(hào)光λ₁IN為重復(fù)頻率1kHz，脈沖寬度1μs線偏振脈沖光，波長(zhǎng)1053nm。

本例輸入的參考光λ₂IN是高穩(wěn)定線偏振激光器提供的連續(xù)光，波長(zhǎng)980nm，平均功率10mW。

本例電調(diào)制信號(hào)M由波形發(fā)生器產(chǎn)生，為3ns方波，調(diào)制頻率1kHz。

本例裝置正常工作狀態(tài)下，得到3ns信號(hào)光輸出，信號(hào)光輸出3ns方波，脈沖波形見圖2，圖2的橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為ns/div，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的電壓值，單位為30mV/div，其脈沖上升沿為68.6ps，脈沖高度為195.9mV，脈沖寬度3.09ns，連續(xù)工作1小時(shí)，輸出穩(wěn)定性為均方根(RMS)值為1.16％。

引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例2

本例與上述引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相同，本例信號(hào)光為脈寬1μs的線偏振脈沖光，頻率1kHz，波長(zhǎng)1053nm，平均功率10mW。

本例參考光是高穩(wěn)定線偏振激光器提供的線偏振連續(xù)光，波長(zhǎng)980nm，平均功率10mW。

本例電調(diào)制信號(hào)由波形發(fā)生器產(chǎn)生，為3ns三臺(tái)階波，頻率1kHz。

本例裝置正常工作狀態(tài)下，得到3ns三臺(tái)階形態(tài)的信號(hào)光脈沖輸出，信 號(hào)光輸出脈沖波形見圖3。

上述實(shí)施例表明，本實(shí)用新型的一種引入?yún)⒖脊獾碾姽庹{(diào)制器光脈沖整形裝置適用于信號(hào)光為連續(xù)激光或脈沖光，具備優(yōu)秀的光脈沖整形能力，能夠保證長(zhǎng)時(shí)高穩(wěn)定工作狀態(tài)。

上述實(shí)施例，僅為對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個(gè)例，本實(shí)用新型并非限定于此。凡在本實(shí)用新型的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。