本實用新型屬于激光脈沖產(chǎn)生及整形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置。

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)動半導體激光器，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)簡單，控制方便，但其激光束質(zhì)量受半導體激光器影響，脈沖整形精度有限，最新的研究結(jié)果可以實現(xiàn)脈寬10ns(納秒)、時域調(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短脈沖在時域上首尾相連，組合成一個長脈沖。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，但該方法涉及超短脈沖的產(chǎn)生、放大、控制等技術(shù)，實現(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，對連續(xù)光進行幅度調(diào)制，從而產(chǎn)生整形脈沖。此方法需要足夠快的調(diào)制信號源和電光調(diào)制器，一般用于百ps以上到ns或更長時間的脈沖整形。主要受限于電光調(diào)制的響應速率。電光調(diào)制器的脈沖整形技術(shù)比較成熟，整形能力強。其核心器件是電光調(diào)制器，所加的電調(diào)制信號使其輸出光強度發(fā)生 變化，即裝置輸出的光脈沖峰值改變，為了獲得高對比度的任意整形脈沖，需要精確控制高消光比電光調(diào)制器工作于最小的直流偏置電壓點上。但是隨著器件內(nèi)的靜電荷積累以及溫度的變化，直流偏置電壓點會發(fā)生漂移，導致輸出光脈沖相位變化，消光比下降。為了解決該問題，需要監(jiān)測控制電光調(diào)制器的偏置電壓。目前，監(jiān)測電光調(diào)制器直流偏置電壓點的方法主要有：擾頻法和功率探測法。

2011年電子科技大學楊志高的碩士論文“集成光學調(diào)制器工作點穩(wěn)定性研究”中介紹：擾頻法將一個低頻擾動信號施加在直流偏置信號中，以調(diào)制后的信號中的基波信號和二次諧波信號幅度的比值作為反饋參量、控制穩(wěn)定電光調(diào)制器的偏置電壓。該方法引入擾動，因此要求應用系統(tǒng)對該擾動不敏感。

《光通信技術(shù)》2011年第7期的文章介紹了功率探測法通過使用低響應速率的光電探測器，監(jiān)測基底累積能量，進而獲取偏置點的信息。該方法能有效判斷偏置點漂移信息，但響應速度稍慢，靈敏度低，只能應用于產(chǎn)生低頻低占寬比的脈沖，輸出脈沖對比度不夠高。

總之目前尚未見到在進行脈沖整形同時，快速有效地精確監(jiān)控電光調(diào)制器直流偏置電壓，使電光調(diào)制器能輸出高對比度任意整形光脈沖的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是針對現(xiàn)有的基于電光調(diào)制器的脈沖整形技術(shù)的不足，提出一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置，信號光接入電光調(diào)制器，其輸出經(jīng)分束器分為兩束，占比較大的光束作為本裝置的輸出，占比較小的光束作為監(jiān)測光送入光電探測器，反映輸出光光強的電信號送入微處理器，微處理器據(jù)此經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換單元和射頻驅(qū)動器，控制電光調(diào)制器。

本實用新型設(shè)計的一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置包括電光調(diào)制器和射頻驅(qū)動器，還包括分束器、光電探測器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。

信號光接入電光調(diào)制器，對信號光進行幅度調(diào)制，產(chǎn)生整形脈沖，電光調(diào)制器再連接分束器，分束器將調(diào)制后的信號光分為2束，其中占比較大的光束為本裝置的輸出，另一占比較小的光束作為監(jiān)測光接入光電探測器，光 電探測器的輸出經(jīng)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元接入微處理器，微處理器由光電探測器獲取監(jiān)測信號，微處理器的控制信號接射頻驅(qū)動器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，電調(diào)制信號接入射頻驅(qū)動器；射頻驅(qū)動器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出接入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動器根據(jù)微處理器的控制信號對電調(diào)制信號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偏置電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬信號送入到電光調(diào)制器，使電光調(diào)制器工作于適當?shù)钠秒妷骸?/p>

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

所述電光調(diào)制器、分束器和光電探測器適用于信號光波長，經(jīng)光纖連接。

所述的分束器分出的占比較大的輸出光束占90～99％，其余的作為監(jiān)測光輸出到光探測器。

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

所述電光調(diào)制器為波導型鈮酸鋰電光強度調(diào)制器。

所述電調(diào)制信號由波形發(fā)生器產(chǎn)生。

所述的光電探測器為PIN型光電二極管。

本實用新型的基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置使用時先確認最佳偏置電壓。

系統(tǒng)通電、啟動進行初始化，取將要進行脈沖整形的某波長信號光輸入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動器正常工作。

在不同的偏置電壓下，透過電光調(diào)制器輸出的信號光強弱不同。選擇信號光透過的強度最小時對應的偏置電壓為最佳偏置電壓。

本實用新型微處理器通過光電探測器得到監(jiān)測光強度變化，確定電光調(diào)制器輸出的信號光強度。

微處理器搜索掃描該波長信號光最佳偏置電壓點，遍歷電光調(diào)制器的各偏置電壓點，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，在各偏置電壓點監(jiān)測光在光電探測器轉(zhuǎn)換為相應的電信號，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣送入微處理器，即微處理器接收對應電光調(diào)制器輸出的監(jiān)測光光強度對應的電信號采樣值。

微處理器依次獲得各偏置電壓下的監(jiān)測光光強度采樣值，比較各監(jiān)測光光強度采樣值，以監(jiān)測光光強度采樣值最小的所對應的偏置電壓為最佳偏置電壓值。

微處理器存儲針對該波長信號光所得最佳偏置電壓值和該最佳偏置電壓對應的、由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元所得的監(jiān)測光光強度采樣值。

本裝置對該波長的信號光進行脈沖整形，自動跟蹤調(diào)整偏置電壓。該波長信號光輸入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動器放大電調(diào)制信號并送入電光調(diào)制器。微處理器指令數(shù)模轉(zhuǎn)換單元向電光調(diào)制器送出步驟1所得的最佳偏置電壓。

由于電調(diào)制信號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，需針對電調(diào)制信號進行特殊設(shè)計。系統(tǒng)正常工作時，電調(diào)制信號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，I_max為電光調(diào)制器透過的最大光強，k為射頻驅(qū)動器的放大倍數(shù)，M為電調(diào)制信號，V_π為電光調(diào)制器的半波電壓，即透過光最大時對應的偏置電壓與透過光最小時對應的偏置電壓之差。對于指定的脈沖波形，可逆向求取對應的電調(diào)制信號。

微處理器設(shè)置閾值。微處理器實時比較由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元送入的當前監(jiān)測光光強度采樣值與步驟1所得的信號光最佳偏置電壓點對應的監(jiān)測光光強度采樣值，當二者差的絕對值大于或等于設(shè)置閾值時，對當前偏置電壓進行小步長修正，并根據(jù)監(jiān)測光采樣值的變動判斷修正效果，如果小步長增加偏置電壓后當前監(jiān)測光光強度采樣值與步驟1所得的信號光最佳偏置電壓點對應的監(jiān)測光光強度采樣值的差縮小，說明增加偏置電壓的修正正確，繼續(xù)增加偏置電壓，使當前監(jiān)測光采樣值與信號光最佳偏置電壓點對應的監(jiān)測光采樣值的差的絕對值小于設(shè)置閾值；反之，則小步長減小偏置電壓，以達到二者 差小于設(shè)置閾值。所述當前偏置電壓修正的小步長為0.001～0.003V。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型一種基于電光調(diào)制器的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，無需引入擾動，不影響輸出狀態(tài)；2、設(shè)計分束器得到監(jiān)測光束，由監(jiān)測光獲得最佳偏置電壓，并通過監(jiān)測光的當前光強度采樣值、掌握信號光經(jīng)電光調(diào)制后的當前狀態(tài)，實時調(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，以保證輸出高對比度任意整形光脈沖；3、微處理器采樣時采取多次采樣、剔除最大值后再進行平均的方法，準確獲取了反映偏置點漂移的信息，有利于微處理器的正確調(diào)整；4、本實用新型工作穩(wěn)定，可實現(xiàn)任意波形脈沖整形，時域整形精度小于100ps，輸出脈沖對比度大于200:1。

附圖說明

圖1為本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置1實施例1的信號光輸出波形。

圖3為本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例2的信號光輸出波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例1

本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例1如圖1所示，圖中虛線連線表示光纖連接，實線連線表示導線連接。信號光λ_IN接入電光調(diào)制器，對信號光進行幅度調(diào)制，產(chǎn)生整形脈沖，再接入分束器，將調(diào)制后的信號光分為2束，其中占比較大的光束為本裝置的輸出λ_OUT1，另一占比較小的光束作為監(jiān)測光λ_OUT2接入光電探測器，光電探測器的輸出經(jīng)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元接入微處理器，微處理器由光電探測器獲取監(jiān)測信號，微處理器的控制信號接射頻驅(qū)動器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，電調(diào)制信號M接入射頻驅(qū)動器；射頻驅(qū)動器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出接入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動器根據(jù)微處理器的控制信號對電調(diào)制信號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偏置電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬信號送入到電光調(diào)制器，使電光調(diào)制器工作于適當?shù)钠秒?壓。

本例輸入的信號光λ_IN為線偏振連續(xù)激光，波長1053nm，輸入平均功率為10mW。本例裝置輸出信號光脈沖寬度為3.09ns級、頻率為1kHz的低頻窄脈沖光。

本例的分束器分出的較大的輸出光束占99％，其余的1％作為監(jiān)測光輸出到光探測器。

本例電光調(diào)制器、分束器和光電探測器適用于信號光波長1053nm，經(jīng)光纖連接。

本例模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣周期為10μs大于電光調(diào)制器輸出的信號光的脈沖寬度，采樣頻率為100kHz，大于電光調(diào)制器輸出的信號光的脈沖頻率10倍。

本例電光調(diào)制器為波導型鈮酸鋰電光強度調(diào)制器。電調(diào)制信號M由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生，為重復頻率1kHz的3ns凹型脈沖。

本例的光電探測器為PIN型光電二極管。具體為GCPD-1P系列光電探測器，飽和功率≥2mW，響應時間為1ns，響應度≥0.8A/W。

本例正常工作狀態(tài)下，得到3ns信號光輸出，信號光輸出波形見圖2，與電調(diào)制信號的波形相同。圖2的橫坐標為時間，單位為ns/div，縱坐標為光強度轉(zhuǎn)換的電壓值，單位為50mV/div。

基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例2

本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例2與上述基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實施例1結(jié)構(gòu)相同，本例中，信號光為線偏振連續(xù)激光，波長1053nm，輸入平均功率為10mW。電調(diào)制信號由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生，具體為重復頻率1kHz的經(jīng)特殊設(shè)計可變換為3ns指數(shù)增長型脈沖的電調(diào)制脈沖。本例信號光輸出波形見圖3，與電調(diào)制信號的波形相同。圖3橫坐標為時間，單位為1ns/div，縱坐標為光強度轉(zhuǎn)換的電壓值，單位為50mV/div。

上述實施例表明，本實用新型的一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置具備優(yōu)秀的光脈沖整形能力，能夠保證長時高穩(wěn)定工作狀態(tài)，適應連續(xù)光的輸入。

上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本實用新型并非限定于此。凡在本實用新型的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。