本實(shí)用新型涉及光聲轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，具體涉及一種全光纖脈沖激光聲源裝置和通過(guò)全光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光聲源的方案。

背景技術(shù)：

早在1880年，A.G.Bell向美國(guó)科學(xué)進(jìn)展協(xié)會(huì)遞交的報(bào)告里簡(jiǎn)單敘述了偶然發(fā)現(xiàn)了固體中的光聲效應(yīng)的情況，這是關(guān)于光聲學(xué)的首次報(bào)道。激光光束照射到固體表面或氣體和液體中，會(huì)與被照射物質(zhì)相互作用產(chǎn)生一定強(qiáng)度和頻率的聲波，這種光聲轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。20世紀(jì)70年代以后，隨著大功率激光器技術(shù)的不斷成熟，光聲效應(yīng)的研究得到了新的發(fā)展，光聲效應(yīng)已在物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、海洋、環(huán)境和材料等研究領(lǐng)域得到越來(lái)越多的研究，具有廣闊的發(fā)展前景。

激光聲源與傳統(tǒng)聲源相比，具有以下特點(diǎn)：

(a)激光在液體中激發(fā)聲波，形成的光聲源與液體周圍的傳聲介質(zhì)完全耦合；

(b)通過(guò)移動(dòng)激光束，可以使光聲源在液體中快速移動(dòng)，因此，激光聲源能夠覆蓋廣闊的水域，且具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)；

(c)激光是從液體外部射向液體，聲波激發(fā)方式是非接觸式的，因此，能夠使得設(shè)備與水隔絕，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸；

(d)可將其應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境，例如高溫、高壓、有毒和放射性等惡劣環(huán)境下；

(e)聲脈沖窄，分辨精度高，頻帶寬；

(f)由于激光能在液體媒質(zhì)中激發(fā)具有一定指向性的光聲源，而且其指向性可通過(guò)調(diào)整激光器來(lái)控制，因此利用激光聲源能夠?qū)崿F(xiàn)具有方向性的水聲傳播和水聲通信；

(g)可用于艦載或機(jī)載，機(jī)載時(shí)搜索速度比吊放聲納或艦載旁視聲納水底測(cè)繪系統(tǒng)的搜索速度至少快十倍，而且可以達(dá)到船只不能到達(dá)或?qū)ζ溆形ｋU(xiǎn)的水域；

(h)把激光器放在飛行裝置上，向海面發(fā)射激光束并且在海洋中激發(fā)向深水傳播的聲波，在空氣-水的界面將光能量轉(zhuǎn)化為聲能量，這就有可能實(shí)現(xiàn)信息從空氣中向深水中的傳遞。

早期的激光聲技術(shù)研究是建立在將空間光束聚焦的技術(shù)路線之上，實(shí)驗(yàn)上這些裝置復(fù)雜，光束聚焦和控制困難，很難獲得高的光功率密度。光纖技術(shù)的發(fā)展為改變這種狀態(tài)提供了理想的技術(shù)途徑。近年來(lái)，光纖激光技術(shù)，特別是大功率光纖激光技術(shù)的發(fā)展十分迅速，單纖連續(xù)激光功率可達(dá)萬(wàn)瓦量級(jí)，在這些系統(tǒng)，光能量密度更高，光纖傳輸更加方便，系統(tǒng)裝置更簡(jiǎn)單和接近實(shí)用化。目前大功率光纖激光技術(shù)的研究為激光光聲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，光聲技術(shù)的研究將上一個(gè)新的層次。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的利用光纖實(shí)現(xiàn)脈沖激光聲源的方案主要有以下幾種：采用光纖束傳輸脈沖激光，這種方案中的光纖束能傳輸較高能量的激光，但是制作過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)工藝的要求非常嚴(yán)格；直接采用光纖激光器實(shí)現(xiàn)全光纖激光聲源，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng)，而且系統(tǒng)中是將激光分為幾束，再與樣品作用激發(fā)聲波，需要采用功率很高的激光器；采用光纖激光器組成的激光器陣列，將輸出光纖共同作用于液體媒質(zhì)中的同一點(diǎn)，搭建激光與液體媒質(zhì)作用激發(fā)聲波的全光纖系統(tǒng)，但這種方案需要多個(gè)光纖激光器共同作用，造價(jià)很高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種全光纖脈沖激光聲源，采用的技術(shù)方案如下：

全光纖脈沖激光聲源裝置，包括激光器控制電路、激光器、電光調(diào)制器、直流偏置電源、信號(hào)發(fā)生裝置、光纖激光放大系統(tǒng)；

所述激光器控制電路與激光器連接，用以控制激光器的工作狀態(tài)；

所述電光調(diào)制器分別與激光器、直流偏置電源和光纖激光放大系統(tǒng)連接，用于將激光器輸出的連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光并傳輸至光纖激光放大系統(tǒng)，所述光纖激光放大系統(tǒng)將所述脈沖激光放大，獲得高峰峰值功率的脈沖激光，使得在微米量級(jí)的纖芯內(nèi)聚集極高的激光能量，所述光纖激光放大系統(tǒng)的輸出光纖端面與液體媒質(zhì)的接觸點(diǎn)即為全光纖脈沖激光聲源點(diǎn)，所述直流偏置電源為電光調(diào)制器提供直流偏置。

作為優(yōu)選，所述電光調(diào)制器還連接了信號(hào)發(fā)生裝置，所述信號(hào)發(fā)生裝置為電光調(diào)制器提供脈沖調(diào)制信號(hào)，利用脈沖調(diào)制控制電光調(diào)制器的工作點(diǎn)和調(diào)制深度，可提高獲得的脈沖激光的峰峰值功率。

作為優(yōu)選，所述光纖激光放大系統(tǒng)包括一級(jí)以上光纖激光放大器，每一級(jí)光纖激光放大器之間通過(guò)光纖連接，在抽運(yùn)光一定的條件下，當(dāng)脈沖激光入射至光纖放大器時(shí)，可以引起反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，脈沖激光得到放大，并消耗大量的反轉(zhuǎn)粒子。

使用兩級(jí)以上光纖激光放大器級(jí)聯(lián)以降低單級(jí)放大器的增益，避免單級(jí)光纖激光放大器因高增益產(chǎn)生寄生振蕩。

作為優(yōu)選，每個(gè)光纖激光放大器前置光纖隔離器，其通過(guò)光纖與光纖激光放大器連接，光纖隔離器不僅能夠保護(hù)前面的光學(xué)系統(tǒng)，避免放大器產(chǎn)生的放大的后向自發(fā)輻射光進(jìn)入電光調(diào)制器和激光器，而且能夠防止端面反射和瑞利散射與輸入脈沖產(chǎn)生干涉，破壞脈沖波形的時(shí)間穩(wěn)定性。

作為優(yōu)選，激光器采用光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，激光器輸出連續(xù)激光，其波長(zhǎng)可根據(jù)液體媒質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的吸收系數(shù)確定。

作為優(yōu)選，本實(shí)用新型還包括用于計(jì)量激發(fā)的光聲波強(qiáng)度的水聲計(jì)量系統(tǒng)。作為優(yōu)選，所述水聲計(jì)量系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、采集卡、濾波器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和置于液體媒質(zhì)中的水聽(tīng)器，所述信號(hào)發(fā)生器與采集卡連接，所述采集卡分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和濾波器連接，所述濾波器與水聽(tīng)器連接，所述信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生水聲計(jì)量測(cè)試所需的電信號(hào)波形，所述采集卡用于采集模擬電壓信號(hào)，使之變成數(shù)字信號(hào)，所述濾波器用于濾除干擾噪聲，無(wú)畸變地通過(guò)有用信號(hào)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；所述水聽(tīng)器用于把聲信號(hào)變換成電信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：本實(shí)用新型利用電光調(diào)制器對(duì)連續(xù)光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光，再利用由多級(jí)光纖激光放大器組成的光纖激光放大系統(tǒng)對(duì)調(diào)制得到的脈沖激光進(jìn)行放大，從而得到高峰峰值功率的脈沖激光，脈沖激光與液體媒質(zhì)作用，激發(fā)光聲源，用本實(shí)用新型的方案搭建的全光纖脈沖激光聲源與現(xiàn)有的采用光纖實(shí)現(xiàn)脈沖激光聲源的各方案相比，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化，制作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)工藝的要求較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，只需要一個(gè)激光器，系統(tǒng)造價(jià)較低，容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1的測(cè)量裝置示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1：

如圖1所示，全光纖脈沖激光聲源裝置，包括激光器控制電路、激光器、電光調(diào)制器、直流偏置電源、信號(hào)發(fā)生裝置和光纖激光放大系統(tǒng)，所述激光器控制電路與激光器連接，用以控制激光器的工作狀態(tài)；所述電光調(diào)制器分別與激光器、直流偏置電源和光纖激光放大系統(tǒng)連接，用于將激光器輸出的連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光并傳輸至光纖激光放大系統(tǒng)，所述光纖激光放大系統(tǒng)將所述脈沖激光放大，獲得高峰峰值功率的脈沖激光，使得在微米量級(jí)的纖芯內(nèi)聚集極高的激光能量，所述光纖激光放大系統(tǒng)的輸出光纖端面與液體媒質(zhì)的接觸點(diǎn)即為全光纖脈沖激光聲源點(diǎn)，所述直流偏置電源為電光調(diào)制器提供直流偏置。

所述電光調(diào)制器還連接了信號(hào)發(fā)生裝置，所述信號(hào)發(fā)生裝置為電光調(diào)制器提供脈沖調(diào)制信號(hào)，利用脈沖調(diào)制控制電光調(diào)制器的工作點(diǎn)和調(diào)制深度，可提高獲得的脈沖激光的峰峰值功率。

所述光纖激光放大系統(tǒng)包括一級(jí)以上光纖激光放大器，每一級(jí)光纖激光放大器之間通過(guò)光纖連接，在抽運(yùn)光一定的條件下，當(dāng)脈沖激光入射至光纖放大器時(shí)，可以引起反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，脈沖激光得到放大，并消耗大量的反轉(zhuǎn)粒子。

每個(gè)光纖激光放大器前置光纖隔離器，其通過(guò)光纖與光纖激光放大器連接，光纖隔離器不僅能夠保護(hù)前面的光學(xué)系統(tǒng)，避免放大器產(chǎn)生的放大的后向自發(fā)輻射光進(jìn)入電光調(diào)制器和激光器，而且能夠防止端面反射和瑞利散射與輸入脈沖產(chǎn)生干涉，破壞脈沖波形的時(shí)間穩(wěn)定性。

激光器采用光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，激光器輸出連續(xù)激光，其波長(zhǎng)可根據(jù)液體媒質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的吸收系數(shù)確定。

本實(shí)施例還包括用于計(jì)量激發(fā)的光聲波強(qiáng)度的水聲計(jì)量系統(tǒng)。

所述水聲計(jì)量系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、采集卡、濾波器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和置于液體媒質(zhì)中的水聽(tīng)器，所述信號(hào)發(fā)生器與采集卡連接，所述采集卡分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和濾波器連接，所述濾波器與水聽(tīng)器連接，所述信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生水聲計(jì)量測(cè)試所需的電信號(hào)波形，所述采集卡用于采集模擬電壓信號(hào)，使之變成數(shù)字信號(hào)，所述濾波器用于濾除干擾噪聲，無(wú)畸變地通過(guò)有用信號(hào)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；所述水聽(tīng)器用于把聲信號(hào)變換成電信號(hào)。

本實(shí)施例所用水聽(tīng)器的聲壓靈敏度為，濾波器的通帶可設(shè)置為到，這樣既能夠?yàn)V掉的電噪聲，同時(shí)又能夠采集到較高頻率的聲信號(hào)，設(shè)置濾波器的增益為，采集卡的采樣率為，采樣長(zhǎng)度為。脈沖調(diào)制信號(hào)與同步觸發(fā)信號(hào)的時(shí)延為，也就是采集卡開(kāi)始工作后的時(shí)刻光脈沖與液體媒質(zhì)作用激發(fā)聲脈沖，這樣能夠準(zhǔn)確地判斷出光聲信號(hào)，并且能夠確保采集卡能夠完整地采集到激發(fā)的聲信號(hào)。

本實(shí)用新型中，光電光調(diào)制器為鈮酸鋰電光電光調(diào)制器。

半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)為的連續(xù)激光，連續(xù)激光耦合進(jìn)單根輸出光纖，連續(xù)激光通過(guò)光纖輸入到鈮酸鋰電光電光調(diào)制器，直流偏置電源和信號(hào)發(fā)生器分別為鈮酸鋰電光電光調(diào)制器提供直流偏置和脈沖調(diào)制信號(hào)，鈮酸鋰電光電光調(diào)制器將輸入的連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光，利用脈沖調(diào)制控制電光調(diào)制器的工作點(diǎn)和調(diào)制深度，可獲得較高峰峰值功率的脈沖激光。調(diào)制得到的脈沖激光通過(guò)光纖輸入到光纖激光放大系統(tǒng)，光纖激光放大系統(tǒng)將脈沖激光放大，獲得高峰峰值功率的脈沖激光，在微米量級(jí)的纖芯內(nèi)聚集極高的激光能量。光纖激光放大系統(tǒng)由兩級(jí)摻鉺光纖激光放大器組成，每一級(jí)摻鉺光纖激光放大器前置一個(gè)光纖隔離器，不僅能夠保護(hù)前面的光學(xué)系統(tǒng)，避免光纖激光放大器產(chǎn)生的放大的后向自發(fā)輻射光進(jìn)入電光電光調(diào)制器和激光器，而且能夠防止端面反射和瑞利散射與輸入脈沖產(chǎn)生干涉，破壞脈沖波形的時(shí)間穩(wěn)定性。第一級(jí)摻鉺光纖激光放大器用來(lái)放大經(jīng)鈮酸鋰電光電光調(diào)制器調(diào)制得到的脈沖激光，第二級(jí)摻鉺光纖激光放大器用來(lái)放大經(jīng)第一級(jí)摻鉺光纖激光放大器得到的脈沖激光。當(dāng)放大脈沖激光序列時(shí)，在抽運(yùn)功率較高的情況下，摻鉺光纖激光放大器的增益能夠迅速恢復(fù)到接近初始狀態(tài)，因此光纖激光放大系統(tǒng)對(duì)每個(gè)脈沖的增益可近似為相同。經(jīng)光纖激光放大系統(tǒng)得到的放大后的高峰峰值功率的脈沖激光用來(lái)與液體媒質(zhì)作用，產(chǎn)生光聲源，與液體媒質(zhì)作用的脈沖激光能量都聚集于光纖端面，因此，激發(fā)的聲源為球面光聲源，激發(fā)的聲脈沖為球面光聲脈沖。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)即構(gòu)成了全光纖脈沖激光聲源系統(tǒng)。

產(chǎn)生的全光纖脈沖激光聲源強(qiáng)度可通過(guò)圖2所示的測(cè)量裝置測(cè)量，測(cè)量裝置中所用水聽(tīng)器的聲壓靈敏度為，濾波器的通帶可設(shè)置為到，這樣既能夠?yàn)V掉的電噪聲，同時(shí)又能夠采集到較高頻率的聲信號(hào)，設(shè)置濾波器的增益為。設(shè)置采集卡的采樣率為，采樣長(zhǎng)度為。脈沖調(diào)制信號(hào)與同步觸發(fā)信號(hào)的時(shí)延為，也就是采集卡開(kāi)始工作后的時(shí)刻光脈沖與液體媒質(zhì)作用激發(fā)聲脈沖，這樣能夠準(zhǔn)確地判斷出光聲信號(hào)，并且能夠確保采集卡能夠完整地采集到激發(fā)的聲信號(hào)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，光纖激光放大系統(tǒng)包括兩級(jí)摻鉺光纖激光放大器和一級(jí)鉺鐿共摻光纖激光放大器，每級(jí)放大器前面都前置了隔離器，如圖3所示，其它與實(shí)施例1相同。