CN101986485A - 保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置 - Google Patents
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Abstract
一种保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，包括连续光纤激光器、光脉冲发生器、偏振控制单元、检偏器、光纤分束器、反馈单元、数字控制器和信号同步器，所述的偏振控制单元由偏振控制模块及其驱动电路构成，驱动电路为偏振控制模块提供驱动电压，所述的反馈单元依次由光电探测器、积分电路、高速电放大器和高速采集卡构成。本发明装置能保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出能量的稳定。本发明具有结构简单、控制精确、易于系统集成等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光脉冲信号的偏振态和输出能量，特别是一种保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，利用电流积分将电信号脉宽展宽的方法实现对低重复频率短脉冲光信号能量的采集，并结合反馈控制技术进而使低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出能量保持稳定。
背景技术
在低重复频率短脉冲高功率光纤激光系统中，由于物理实验的需要，要求系统最终输出的光脉冲信号的偏振方向保持稳定并且输出能量保持在最大值。通过在所述的高功率光纤系统的输出端使用检偏器可以使系统最终输出的光脉冲信号的偏振方向保持在检偏器的检偏方向上。然而，由于所述的高功率光纤系统中采用了大量的单模光纤，光纤具有双折射特性，系统长时间工作后，环境温度和应力的变化会改变光纤中光信号的偏振态，使得输入到检偏器之前的光脉冲信号的偏振态发生变化。根据马吕定律，入射到检偏器之前的光信号的偏振方向不同，那么，由检偏器输出的光信号的能量大小就不同。因此，输入到检偏器之前的光脉冲信号的偏振态的变化会影响到所述高功率光纤系统输出光信号能量的稳定性。因此，有必要实时补偿由环境温度和应力引起的光纤中光信号偏振态的慢漂移。
根据马吕定律，当输入到检偏器的光信号是线偏振光并且偏振方向与检偏器的检偏方向保持一致时，由检偏器输出的光信号的能量保持在最大值。因此，通过监测检偏器输出的光脉冲能量的大小并利用反馈控制技术来控制检偏器之前的光信号的偏振态和偏振方向，即可将系统最终输出光的能量保持在最大值，同时输出光的偏振方向与检偏器的检偏方向保持一致。然而，由于低重复频率短脉冲高功率光纤激光系统中传输的光信号是低重复频率的光脉冲信号，其特点是脉宽窄、重复频率低，能量采集较为困难，很难实时补偿输入到检偏器之前的光脉冲信号偏振态的慢漂移，因此很难使检偏器输出的光脉冲能量保持稳定。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，实现对低重复频率光脉冲信号偏振方向和能量的控制，补偿由环境温度和应力引起的光纤中的光信号偏振态的慢漂移，确保低重复频率短脉冲高功率光纤激光系统输出的光脉冲信号的偏振方向和输出能量的稳定。
本发明的技术解决方案如下：
一种保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，特点在于其构成包括连续光纤激光器、光脉冲发生器、偏振控制单元、检偏器、光纤分束器、反馈单元、数字控制器和信号同步器，所述的偏振控制单元由偏振控制模块及其驱动电路构成，驱动电路为偏振控制模块提供驱动电压，所述的反馈单元依次由光电探测器、积分电路、高速电放大器和高速采集卡构成，上述元部件的连接关系是：沿主光路依次是连续光纤激光器、光脉冲发生器、偏振控制模块、检偏器和光纤分束器，所述的光纤分束器的第一输出端口作为主光路连接至后续的激光装置，第二输出端口接监测回路，该监测端回路由光纤分束器第二输出端口、反馈单元和数字控制器依次连接构成，所述的数字控制器与所述的驱动电路的输入端口连接，信号同步器的第一信号输出端接所述的光脉冲发生器的触发端，信号同步器的第二信号输出端接所述的反馈单元中的高速采集卡的触发输入端。
所述的光脉冲发生器是强度调制器或声光斩波器，作用是在信号同步器的第一信号输出端输出的触发脉冲信号输入到光脉冲发生器的触发端的时刻，产生并输出光脉冲信号，在没有触发脉冲信号输入到所述的光脉冲发生器触发端的时刻，不输出光信号，光脉冲信号的脉冲宽度由所述的触发脉冲信号的脉冲宽度决定，光脉冲信号的脉冲宽度的变化范围在1ns至10μs内。
所述的积分电路是电流积分电路，可以将光电探测器接收的光脉冲转换成电脉冲信号的脉宽展宽。
所述的高速采集卡是同步信号触发的高速采集卡。
所述的控制器是一个高性能的微控制器，或由计算机和微控制器组合构成，或由上位机和下位机组合构成的控制模块。
所述的偏振控制模块是电控偏振控制模块，不同的驱动电压使偏振控制模块工作在不同的状态，使从偏振控制模块输出的光信号的偏振态和偏振方向维持不变。
本发明的工作原理是：
根据马吕定律，当入射到起偏器上的光信号是线偏振光，并且光信号的偏振方向与检偏器的检偏方向一致时，由检偏器输出的光信号的能量保持在最大值。因此，通过监测检偏器输出的光脉冲能量的大小并利用反馈控制技术来控制检偏器之前的光信号的偏振态和偏振方向，即可将系统最终输出光的能量保持在最大值，同时输出光的偏振方向与检偏器的检偏方向保持一致。
本发明一种保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出能量稳定的装置，连续光纤激光器产生的连续激光信号输入到光脉冲发生器中，当信号同步器的第一信号输出端输出的触发脉冲信号输入到光脉冲发生器的触发端时，光脉冲发生器输出一个光脉冲信号，该光脉冲信号的脉冲宽度由所述的触发脉冲信号的脉宽决定，脉宽范围在1ns至10μs。所述的光脉冲信号依次通过偏振控制模块、检偏器，然后被光纤分束器分为两路，一路作为主光路与后续激光装置连接，另一路为监测光，进入监测回路。观察监测光脉冲能量，根据所述监测光能量的大小来控制所述的偏振控制模块。所述的偏振控制模块是光纤挤压型偏振控制器(Noe R.et al.Journal of Lightwave Technology，1989，(7)：1033，陈硕等，高技术通讯2004，14(8)：1)或电光晶体偏振控制器(F.Heismann，M.S.Whalen，Electron.Lett，vol.16(20)：778)，通过改变驱动电路的输出电压，来改变由偏振控制模块输出的光脉冲的偏振态和偏振方向，使得输入到检偏器的光脉冲是线偏振光并且偏振方向始终保持在检偏器的检偏方向上，这时，监测光脉冲能量保持在最大值附近，这样使得主光路输出光脉冲的能量保持在最大值并且偏振方向与检偏器的检偏方向保持一致。所述的监测光脉冲首先被光电探测器接收并转换为脉冲宽度与所述光脉冲的脉冲宽度相同的电脉冲信号，该电脉冲能量与所述的光脉冲能量成正比。所述的电脉冲信号脉冲宽度在1ns至10μs的范围内。很难对脉冲宽度这么短的低重复频率电脉冲信号的能量直接进行采集，本发明利用积分电路实现了对所述电脉冲信号能量的采集。所述电脉冲信号输入到积分电路中，积分电路将所述的电脉冲信号的脉宽展宽，展宽后的电脉冲信号的脉冲宽度在10μs的量级。由于展宽后的电脉冲的信号幅度有所下降，所以使用高速电放大器对展宽后的电脉冲进行幅值放大，再将经放大展宽的电脉冲信号输入到高速采集卡。信号同步器的第二输出端向高速采集卡的触发输入端输入一个与短脉冲光信号的重复频率相同的触发信号，所述的触发信号比所述的经放大展宽的电脉冲信号提前进入高速采集卡。由于提供给高速采集卡的触发信号和提供给光脉冲发生器的触发信号来自同一台信号同步器，而所述的经放大展宽的电脉冲信号是由监测光脉冲经光电转换得到的，因此提供给高速采集卡的触发信号与经放大展宽的电脉冲信号进入高速采集卡的时间差可以通过所述的信号同步器来调节。高速采集卡接收到触发信号后，开始准备采集所述的经放大展宽的电脉冲信号。当所述的经放大展宽的电脉冲信号进入高速采集卡后，高速采集卡以一定的时间间隔在经放大展宽后的电脉冲信号的能量时间波形的特定时间区间内采集一定数量的数据点。然后将这些数据点输入到数字控制器中，在数字控制器中将接收到的数据点累加并将累加后得到的数值作为监测光脉冲的能量。然后，该数字控制器再将得到的监测光脉冲的能量与前一次得到的监测光脉冲的能量做比较后，做出相应的逻辑判断，然后向驱动电路发出控制信号，驱动电路根据接收到的控制信号向所述偏振控制模块提供合适的工作电压，使输入到检偏器的低重复频率短脉冲光信号的偏振方向始终保持在所述的检偏器的检偏方向上，这样，使得输出光脉冲的能量稳定在最大值并且偏振方向保持在检偏器的检偏方向上。
本发明的优点在于：
1、对于在光纤中传输的低重复频率短脉冲光信号，可以实时补偿由温度和应力引起的光信号偏振态的慢漂。由于使用积分电路将由短脉冲光信号转换得到的短脉冲电信号的脉冲宽度展宽，使得展宽后的电脉冲的能量时间波形可以实时地被高速采集卡所采集，根据采集到的监测端光脉冲的能量大小，控制偏振控制模块的工作电压，使输入到检偏器的低重复频率短脉冲光信号的偏振方向始终保持在所述的检偏器的检偏方向上，从而使所述的光信号的偏振方向和能量保持稳定。
2、对于在光纤中传输的低重复频率短脉冲光信号，由于本发明可以实时采集监测光信号的能量，因此，当检偏器之前的光信号偏振态发生突变时，通过控制偏振控制模块，可以在短时间内使本装置输出的光脉冲信号的能量恢复先前观察到的最大值附近。
3、控制精度高。高速采集卡对光脉冲转换得到的电脉冲的能量时间波形进行多个数据点的采集，并将采集到的数据点累加得到的数值作为监测端的光信号的能量，这种数据处理方式由于采用多点采集平均的方法，减小了测量误差，从而更精确地实现低重复频率短脉冲光信号的稳偏控制。
4、本发明具有结构简单、控制精确、易于系统集成等特点。
附图说明
图1是本发明保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置的结构示意图。
图2是本发明偏振控制单元的结构示意图。
图3是本发明反馈单元的结构示意图。
图4是本发明实施例的积分电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1、图2和图3，图1是本发明保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置的结构示意图，图2是本发明反馈单元的结构示意图，图3是本发明控制单元的结构示意图。由图可见，本发明保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置由连续光纤激光器1、光脉冲发生器2、偏振控制单元3、检偏器4、光纤分束器5、反馈单元6、数字控制器7和信号同步器8组成，所述的偏振控制单元3依次由偏振控制模块3-1和驱动电路3-2构成，驱动电路3-2为偏振控制模块3-1提供工作电压，所述的反馈单元6依次由光电探测器6-1、积分电路6-2、高速电放大器6-3、高速采集卡6-4构成，其连接关系是：沿主光路依次是连续光纤激光器1、光脉冲发生器2、偏振控制单元3、检偏器4和光纤分束器5，所述光纤分束器5将输入光分为两束：第一光束501为主光束，连接至后续激光装置，第二束光为监测光束502，监测端回路由所述的光纤分束器5的监测光束502、反馈单元6和数字控制器7依次连接构成，数字控制器7与所述的驱动电路的输入端口3-201连接。信号同步器8的第一路信号输出端801连接光脉冲发生器的触发端201，信号同步器8的第二路信号输出端802连接反馈单元6中高速采集卡6-4的触发端6-401。
所述的连续光纤激光器1产生的连续的激光信号输入到光脉冲发生器2中，当信号同步器8的第一信号输出端801输出的触发脉冲信号输入到光脉冲发生器的触发端201时，所述的光脉冲发生器2输出一个光脉冲信号，该光脉冲信号的脉冲宽度由所述的触发脉冲信号的脉宽决定，在1ns至10μs的范围内。所述的光脉冲信号依次通过偏振控制模块3-1和检偏器4，然后被光纤分束器5分为两路，一路501作为主光路与后续激光装置连接，另一路502作为监测光输入监控光路。观察监控光路502输出光的脉冲能量，根据所述监测端502能量的大小来对偏振控制模块3-1实施控制，使输入到检偏器4之前的光脉冲信号为线偏振光并且偏振方向与检偏器的检偏方向保持一致，使得监测端502输出的光脉冲能量保持在最大值附近，这样，检偏器4的输出光脉冲的能量稳定在最大值，并且偏振方向始终保持在检偏器4的检偏方向上。由监测端502输出的光脉冲首先被光电探测器6-1接收并转换为脉冲宽度与所述光脉冲的脉冲宽度相同的电脉冲信号，该电脉冲能量与光脉冲能量成正比，脉冲宽度在1ns至10μs的范围内。所述电脉冲信号输入到积分电路6-2中，该积分电路6-2将所述的电脉冲信号的脉宽展宽，展宽后的电脉冲信号的脉冲宽度在10μs的量级。由于展宽后的电脉冲的信号幅度有所下降，所以使用高速电放大器6-3对展宽后的电脉冲进行幅值放大，再将经放大展宽的电脉冲信号输入到高速采集卡6-4采集。所述的信号同步器8的第二路输出端802向高速采集卡6-4的触发输入端6-401输入一个与短脉冲光信号的重复频率相同的触发信号，该触发信号比所述的经放大展宽的电脉冲信号提前进入高速采集卡6-4。高速采集卡6-4接收到所述的触发信号后，开始准备采集所述的经放大展宽的电脉冲信号。当所述的经放大展宽的电脉冲信号进入高速采集卡6-4后，高速采集卡6-4以一定的时间间隔在展宽后的电脉冲信号的能量时间波形的特定时间区间内采集一定数量的数据点。然后将这些数据点输入到数字控制器7中，在数字控制器7中再将接收到的数据点的数据累加并将累加后得到的数值作为监测光脉冲的能量。所述的数字控制器7将得到的监测光脉冲的能量与前一次得到的监测光脉冲的能量进行比较后，做出相应的逻辑判断，然后向驱动电路3-2发出控制信号，驱动电路3-2根据接收到的控制信号向所述的偏振控制模块3-1提供合适的工作电压，使输入到检偏器4的低重复频率短脉冲光信号的偏振方向保持在所述的检偏器4的检偏方向上，从而使得检偏器输出的光脉冲信号的能量稳定在最大值，并且偏振方向与检偏器的检偏方向保持一致。
所述的光电探测器6-1采用的是高速光电探测器，将3ns的短脉冲光信号转换成同样脉冲宽度的电脉冲信号。所述的积分电路6-2采用的是电流积分电路，具体结构如图4所示。光电探测器6-1的负极通过50欧姆电阻6-2-2接直流电源正极6-2-1上，光电探测器6-1将光脉冲信号转换为电脉冲信号，转换得到的电流信号直接对电容6-2-3进行充电，同时，与同电容并联的电阻6-2-4一起构成了一个放电回路，使得电脉冲信号经过积分电路后脉冲宽度被展宽至10μs量级。放电时间常数为τ＝RC，其中R是电阻6-2-4的阻值，C是电容6-2-3的电容值。放电时间常数τ反映了电容6-2-4放电时间的长短，决定了展宽后电脉冲的脉宽。放电时间越长，展宽后的电脉冲的脉宽越长，但由于电脉冲的能量是一定的，所以放电时间越长，展宽后的电脉冲的信号幅度越小。所以通过改变电容6-2-3和电阻6-2-4，可以改变展宽后电脉冲的脉宽。所述的高速电放大器6-3是高带宽低漂移高速放大器，对展宽后的信号进行放大，使信号可以被高速采集卡6-4所采集。
所述的驱动电路3-2由D/A转换器和放大器构成，D/A转换器用来将数字控制器7输出的数字信号转换为模拟信号，放大器用来将模拟信号放大，为所述的偏振控制模块3-1提供合适的工作电压。
举例：图1保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，光脉冲发生器2采用强度调制器，由该强度调制器输出的光脉冲信号的脉宽为3ns，重复频率为1Hz，中心波长为1053nm，偏振控制模块3-1采用0Z公司的EPC-300电控偏振控制器，实验中采用100M的高速采集卡，所述的数字控制器7由计算机和微处理器组合构成，其中，微处理器是单片机，光纤分束器5的分束比为90％∶10％，其中90％为主光，相连通向后续装置，10％为监测光。
为了说明本发明的作用，进行了如下实验：
在所述的光脉冲发生器2和电控偏振控制器3-1之间接入一个手调偏振控制器。通过调节所述的手动偏振控制器来改变输入光脉冲信号的偏振态，观察光纤分束器90％端口输出的光脉冲能量的大小。当所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出能量稳定的装置未起作用时，由于输入到检偏器之前的光信号的偏振态和偏振方向随着手动偏振控制器的调节而改变，因此主光路输出的光脉冲能量也随着手调偏振控制器的调节而改变。可以通过手调偏振控制器将主光路输出光脉冲的能量调节到最大，说明输入到检偏器4的光脉冲偏振态与检偏器4的检偏方向基本一致，记录此时90％端口输出的光脉冲的能量值。然后让所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出能量稳定的装置对光脉冲信号的偏振态实施控制。观察发现，当保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出能量稳定的装置工作时，采用手调偏振控制器使主光路中的光脉冲信号的偏振态发生突变后，主光路输出光脉冲的能量能够短时间内自动调节恢复到主光路先前所观察到的光脉冲能量的最大值附近，并且保持在所述的光脉冲能量的最大值，说明本装置起到了保持输出光偏振方向和输出能量的作用。共进行了13组37次实验，实验表明：在主光路光脉冲信号的偏振方向发生突变后，本发明装置能保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和输出的能量的稳定。
由此可见，本发明装置可以补偿由环境温度和应力引起的光纤中的光信号偏振态的慢漂移，确保低重复频率短脉冲高功率光纤激光系统输出的光脉冲信号的偏振方向和输出能量的稳定。
Claims (6)
1.一种保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，特征在于其构成包括连续光纤激光器(1)、光脉冲发生器(2)、偏振控制单元(3)、检偏器(4)、光纤分束器(5)、反馈单元(6)、数字控制器(7)和信号同步器(8)，所述的偏振控制单元(3)由偏振控制模块(3-1)及其驱动电路(3-2)构成，该驱动电路(3-2)为偏振控制模块(3-1)提供驱动电压，上述部件的连接关系是：沿主光路依次是所述的连续光纤激光器(1)、光脉冲发生器(2)、偏振控制模块(3-1)、检偏器(4)和光纤分束器(5)，所述光纤分束器(5)将输入光分为两束：第一光束(501)为主光束，连接至后续激光装置，第二束光为监测光束(502)，监控回路由监测光束(502)、反馈单元(6)和数字控制器(7)依次连接构成，所述的反馈单元(6)依次由光电探测器(6-1)、积分电路(6-2)、高速电放大器(6-3)和高速采集卡(6-4)构成，所述的数字控制器(7)的输出端与所述的驱动电路(3-2)的输入端(3-201)连接，所述的信号同步器(8)的第一信号输出端(801)接所述的光脉冲发生器(2)的触发端(201)，所述的信号同步器(8)的第二信号输出端(802)接所述的反馈单元(6)中高速采集卡(6-4)的触发端(6-401)。
2.根据权利要求1所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，其特征在于，所述的光脉冲发生器(2)是强度调制器或声光斩波器，所述的光脉冲发生器(2)输出的光脉冲信号的脉冲宽度由所述的信号同步器(8)的第一信号输出端(801)输出的触发脉冲信号的脉冲宽度决定，所述的光脉冲信号的脉冲宽度的变化范围为1ns至10μs。
3.根据权利要求1所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，其特征在于所述的积分电路(6-2)是电流积分电路，将所述的光电探测器(6-1)接收的光脉冲转换的电脉冲信号的脉宽展宽。
4.根据权利要求1所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，其特征在于所述的高速采集卡(6-4)是一种同步信号触发的高速采集卡。
5.根据权利要求1所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，其特征在于所述的数字控制器(7)是一个高性能的微控制器，或由计算机和微控制器组合构成。
6.根据权利要求1所述的保持低重复频率短脉冲光信号偏振方向和能量稳定的装置，其特征在于所述的偏振控制模块(3-1)是电控偏振控制模块，可以控制光信号的偏振态和偏振方向。
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