CN103441425A - 中波红外激光功率稳定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中波红外激光功率稳定系统，主要解决现有系统稳定性不强和精度不高的问题。整个系统包括中波红外激光光源系统(1)、红外环境控制室(2)、声光调制器(3)、空间滤波器(4)、中波红外薄膜分束器(5)、光学斩波器(6)、光电前放模块(7)、反馈控制模块(8)、声光调制器驱动(9)和激光光功率检测器(10)；中波红外激光光源系统输出功率待稳定的中波红外激光，通过声光调制器、空间滤波器、中波红外薄膜分束器和光学斩波器后照射到光电探测器上产生电信号，反馈控制模块处理电信号得到反馈信息，控制声光调制器驱动调节声光调制器以稳定中波红外激光的光功率。本发明具有稳定性好和精度高的优点，适用于2.5-5um波段的中波红外激光光功率的稳定。

Description

中波红外激光功率稳定系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体地说是一种根据信号反馈机制，对输出的中波红外激光功率实现稳定控制的光电系统，主要用于实现对中红外激光器功率的高精度稳定。

技术背景

中波红外激光技术在科研、工业、军事、医疗等众多领域具有广泛的应用，中波红外激光功率的稳定性是这些应用中的一个关键因素。在实际使用中，中波红外激光器受到微小的电流和和温度变化的影响时，将导致中波红外激光器输出功率的波动，也就是中波红外激光器输出功率的不稳定。因此，中波红外激光器作为这些领域中的重要光源，维持它的功率稳定性尤其重要。要保证它的稳定性，需要研制一套可以实时调控中波红外激光器的控制系统。

目前，在国内随着中波红外激光器的广泛应用，一些科研单位相继开发出功率稳定系统，但效果并不理想。其中，浙江大学于2011年设计出一种激光腔外功率稳定装置和锁定方法。但是上述装置存在以下几个不足之处：未能对环境温度进行有效控制，使测量不够精确，暗电流、噪声等受环境影响较大；探测范围太广，不具有针对性；电信号处理过程繁琐，电流噪声太大；当激光在空间中传输时，常常会因为光学元件上的瑕疵或空气中的灰尘而散射，光路细节处理不够严谨，未能对散射进行有效处理。这些不足都严重影响了中波红外激光器功率稳定系统的精度和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提出一种中波红外激光功率稳定系统和实现方法，以在2500nm-5000nm的光谱范围内实现对中波红外激光输出功率的稳定，提高系统的稳定性与精确性。

为实现上述目的，本发明的技术思路是：采用OPO激光器作为功率待稳定的中波红外激光光源，由半导体激光器作为校准光源校准中波红外激光器的光路系统，光电探测器实现光电转换，微电流放大器放大电信号，通过FPGA电路控制A/D模拟数字转换器对模拟电流信号进行数据转换和采集，单片机模块处理数据，并将处理结果发送到FPGA电路，FPGA电路形成反馈信号输出到声光调制器驱动以控制声光调制器稳定中波红外激光的光功率。其技术方案描述如下：

一.本发明的中波红外激光功率稳定系统，包括：

中波红外激光光源系统，用于产生中波红外激光，并传输到声光调制器；

声光调制器，用于调节控制中波红外激光的光功率，并传输到中波红外薄膜分束器；

中波红外薄膜分束器，用于将中波红外激光分为两路，且第一路传输到激光光功率检测器，第二路传输到光电前放模块；

光电前放模块，用于实现光电转换及放大电信号，并输出到反馈控制模块；

反馈控制模块，用于实现电信号的运算处理，处理后的电信号输出到声光调制器驱动；

其特征还包括：

空间滤波器，用于稳定波前，有效消除系统杂散光；

红外环境控制室，用于固定声光调制器、空间滤波器、中波红外薄膜分束器和光学斩波器，以实时调解控制中波红外激光传输环境，实现中波红外激光的稳定传输；

光学斩波器，用于斩波中波红外激光，使中波红外激光具有特定频率，并将此频率值输出到光电前放模块，以去除系统的噪声信号，锁定中波红外电信号；

所述的反馈控制模块，分别与声光调制器驱动和光电前放模块相连，以输出调节参数，实现对声光调制器驱动的实时调节。

二.利用上述系统进行中波红外激光功率稳定的方法，包括如下步骤：

（1）将中波红外探测器安放在杜瓦瓶温控室中，固定好位置，同时密闭杜瓦瓶温控室，将其内部填充满液氮，调节杜瓦瓶温控室温控仪，设置成探测所需要的温度，然后，开启中波红外探测器；

（2）开启OPO激光器，输出功率待稳定的中波红外激光，待激光器稳定工作后，开启校准激光器，输出可见激光；

（3）调节系统光路，使功率待稳定的中波红外激光与可见激光的光线重合，再关闭校准激光器；

（4）设定光学斩波器的斩波频率，并调整光学斩波器的位置，使功率待稳定的中波红外激光通过该光学斩波器后，把功率待稳定的中波红外激光的频率调制成斩波频率；

（5）功率待稳定的中波红外激光垂直照射在中波红外探测器表面进行光电转换，以输出模拟电流信号给微电流放大器，其将光电转换后的模拟电流信号进行放大，然后通过锁相放大器输出给A/D模拟数字转换器；

（6）FPGA电路控制A/D模拟数字转换器对模拟信号采样，单片机模块对采样后的数据进行处理，将处理结果返回FPGA电路，FPGA电路发送反馈信号控制声光调制器驱动调节声光调制器，稳定中波红外激光的光功率。

（7）单片机模块向人机交互界面发送显示指令，人机交互界面显示当前中波红外激光的光功率参数。

本发明具有以下优点：

1)本发明由于采用红外环境控制室，实时控制光路系统的环境，不仅为光路系统提供了真空环境和环境温度，而且保证了中波红外的稳定传输；

2)本发明利用中波红外激光光源系统，提出了一种以可见激光光路代替中波红外激光光路的光路校准方法，通过调整OPO激光器反射镜和校准激光器反射镜位置，达到两路光路共轴，不仅保证了校准精度，而且实现了可见激光对中波红外激光的稳定调节；

3)本发明由于采用声光调制器调节中波红外激光光功率，实现了中波红外激光的光功率高度稳定；

4)本发明由于采用空间滤波器将完美的同轴平行光束聚焦于一点，使其恰好可以通过针孔，可有效的改善系统的解析度，去除光束中所含分布于空间中的光杂讯成分；

5)本发明由于采用光学斩波器和锁相放大器将功率待稳定中波红外光信号调制成具有特定频率的中波红外光信号并锁定，因而能使经过光电转换后的有效电信号在噪声信号中过滤出来，同时也保证了测量环境不受周围环境的干扰，提高了中波红外激光的稳定精度；

6)本发明由于采用人机交互界面，显示当前中波红外激光光公功率，增强了系统的可读性。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是用本发明系统稳定中波红外激光功率的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，本发明的中波红外激光功率稳定系统包括中波红外激光光源系统1、红外环境控制室2、声光调制器3、空间滤波器4、中波红外薄膜分束器5、光学斩波器6、光电前放模块7、反馈控制模块8、声光调制器驱动9和激光光功率检测器10。其中：

所述中波红外激光光源系统1，是功率待稳定的激光系统，其包括OPO激光器11、OPO激光器反射镜12、校准激光器13、校准激光器反射镜14和光阑15。OPO激光器11输出的中波红外激光在OPO激光器反射镜12反射，校准激光器13输出的可见激光在校准激光器反射镜14反射，OPO激光器反射镜12反射后的中波红外激光通过校准激光在校准激光器反射镜14上的反射点后，在光阑15中心输出到声光调制器3。

本实例中使用的OPO激光器11光谱范围为2500nm-5000nm、功率为30毫瓦且其光功率波动范围为10%，由于2500nm-5000nm波段中波红外激光不被人眼所识别，因此将校准激光器13的光路与OPO激光器11的光路在光阑15的开口处重合，通过调节校准激光器13的光路结构，以精确控制功率待稳定中波红外激光的入射到光阑15的角度和位置，调节完毕后，固定好所有光学元件并关闭校准激光器。

声光调制器3、空间滤波器4、中波红外薄膜分束器5和光学斩波器6，它们由左至右依次紧密排列固定在红外环境控制室2内，光路结构调节好后,密闭中波红外环境控制室，并将其抽成真空。

所述声光调制器3，采用英国GOOCH&Housego公司的MM027-3C11B40-S5，但不局限于此型号。该声光调制器3用于将当中波红外激光分成方向不同的‘0’级和‘1’级光，由于‘0’级光静态传输率大于等于85%，衍射效率大于等于85%，故本实例中采用‘0’级光作为待稳定中波红外光，并输出给空间滤波器4。

所述空间滤波器4，利用其内部的凸透镜将‘0’级光束聚焦于一点，使其恰好可以通过针孔，有效消除系统杂散光，使中波红外激光稳定传输，并通过针孔的中波红外激光传输到中波红外薄膜分束器5。

所述中波红外薄膜分束器5，采用美国索雷博公司的BSW510，但不局限于此型号。BSW510采用直径为1英寸的光学镀膜镜片，用于将空间滤波器输出的中红外激光光束分为透射、反射两路，且透射、反射的分光比值为1:1，其中透射光束作为输出光，用激光光功率检测器10测量其光功率值，反射光束输出到光学斩波器6。

所述光学斩波器6，采用英国Scitec公司的Model-300CD，但不局限与此型号。该光学斩波器6按照设定的斩波值对中波红外薄膜分束器5输出的反射光进行斩波，并将斩波后的中波红外激光输出到光电前放模块7，同时将设定的斩波值输出给光电前放模块7。

所述光电前放模块7，放置于红外环境控制室1的右下方，其包括杜瓦瓶温控室71、中波红外探测器72、微电流放大器73和锁相放大器74；

中波红外探测器72放置于杜瓦瓶温控室71中，用于接收经过光学斩波器输出的调制光，并将调制光的光信号转换为模拟电信号，该模拟电信号经过微电流放大器73放大后输出给锁相放大器74进行锁存。

所述反馈控制模块8，放置在红外环境控制室1的左下方，其包括A/D模拟数字转换器81、FPGA电路82、单片机系模块83和人机交互界面84。

FPGA电路82控制A/D模拟数字转换器81对锁相放大器74输出的模拟信号进行采样，A/D模拟数字转换器81将模拟信号转换为数字信号，单片机模块83对数字信号处理，并将处理结果返回FPGA电路82，FPGA电路82将发送反馈信号控制声光调制器驱动9调节声光调制器；另外，单片机模块83发送显示命令给人机交互界面84，人机交互界面84输出显示中波红外激光功率值。

参照图2，利用上述系统对中波红外激光功率进行稳定调节的步骤如下：

步骤1，将中波红外探测器72固定在杜瓦瓶温控室71中，密闭杜瓦瓶温控室71并将其内部填充满液氮，设置杜瓦瓶温控室71温控仪温度为77K，工作55分钟，保证中波红外探测器的低温工作环境，然后打开中波红外探测器72。

步骤2，在红外环境控制室2中放置声光调制器3、空间滤波器4、中波红外薄膜分束器5和光学斩波器6。

步骤3，开启OPO激光器11，输出功率待稳定的中波红外激光，待激光器稳定工作后，开启校准激光器13，输出可见激光，调节OPO激光器反射镜12和校准激光器反射镜14，使功率待稳定的中波红外激光与可见激光的光线重合后，让中波红外激光垂直通过光阑15，关闭校准激光器13；

中波红外激光光束分别通过声光调制器3、空间滤波器4、中波红外薄膜分束器5、光学斩波器6后，设定光学斩波器6的斩波频率，并调整光学斩波器6的位置，使功率待稳定的中波红外激光通过该光学斩波器6后，把功率待稳定的中波红外激光的频率调制成斩波频率；

在红外环境控制室2中将声光调制器3、空间滤波器4、中波红外薄膜分束器5和光学斩波器6固定，密闭中波红外环境控制室，并抽成真空。

步骤4，功率待稳定的中波红外激光垂直照射在中波红外探测器72表面后进行光电转换，并输出模拟电流信号给微电流放大器73；

开启微电流放大器73，其将光电转换的模拟电流信号进行放大，并输出模拟电压信号给锁相放大器74；

开启锁相放大器74，锁定和输出模拟电压信号给A/D模拟数字转换器81。

步骤5，A/D模拟数字转换器81通过FPGA电路82控制，对锁相放大器输出的模拟电压信号进行数据采样，并将采样后的数字信号传输给单片机模块83进行稳流处理；处理后的结果再返回给FPGA电路82形成反馈信息，该反馈信息通过调节声光调制器驱动9控制声光调制器3，实现中波红外功率的稳定。

步骤6，单片机模块83发送显示信息到人机交互界面84，人机交互界面84显示当前中波红外激光的光功率参数。

Claims (6)

1.一种中波红外激光功率的稳定系统，包括：

中波红外激光光源系统(1)，用于产生中波红外激光，并传输到声光调制器(3)；

声光调制器(3)，用于调节控制中波红外激光的光功率，并传输到中波红外薄膜分束器(5)；

中波红外薄膜分束器(5)，用于将中波红外激光分为两路，且第一路传输到激光光功率检测器(10)，第二路传输到光电前放模块(7)；

光电前放模块(7)，用于实现光电转换及放大电信号，并输出到反馈控制模块(8)；

反馈控制模块(8)，用于实现电信号的运算处理，处理后的电信号输出到声光调制器驱动(9)；

其特征还包括：

空间滤波器(4)，用于稳定波前，有效消除系统杂散光；

红外环境控制室(2)，用于固定声光调制器(3)、空间滤波器(4)、中波红外薄膜分束器(5)和光学斩波器(6)，以实时调节控制中波红外激光传输环境，实现中波红外激光的稳定传输；

光学斩波器(6)，用于斩波中波红外激光，使中波红外激光具有特定频率，并将此频率值输出到光电前放模块(7)，以去除系统的噪声信号，锁定中波红外电信号；

所述的反馈控制模块(8)，分别与声光调制器驱动(9)和光电前放模块(7)相连，以输出调节参数，实现对声光调制器驱动(9)的实时调节。

2.根据权利要求1所述的中波红外激光功率的稳定系统，其特征在于，中波红外激光光源系统(1)，由光谱范围为2500nm-5000nm的OPO激光器(11)、OPO激光器反射镜(12)、校准激光器(13)、校准激光器反射镜(14)和光阑(15)组成，通过光阑(15)将OPO激光器输出的连续型中波红外激光的光斑大小调节为1.5mm²。

3.根据权利要求1所述的中波红外激光功率的稳定系统，其特征在于，所述的光电前放模块(7)，包括杜瓦瓶温控室(71)、中波红外探测器(72)、微电流放大器(73)和锁相放大器(74)；中波红外探测器(72)放置在杜瓦瓶温控室(71)中，通过调节控制杜瓦瓶温控室(71)，保证中波红外探测器(71)的高效、稳定工作；中波红外探测器(71)对光学斩波器(6)斩波后的中波红外激光信号进行光电转换，并通过微电流放大器(73)和锁相放大器(74)，对转换后的电信号进行放大和锁定。

4.根据权利要求1所述的中波红外激光功率的稳定系统，其特征在于，所述的反馈控制模块(8)，包括A/D模拟数字转换器(81)、FPGA电路(82)、单片机模块(83)和人机交互界面(84)；

所述的A/D模拟数字转换器(81)，采用低噪声处理电路，放置在屏蔽盒中，用于对锁相放大器(84)输出的模拟电流信号进行采样；

所述的FPGA电路(82)，接收A/D模拟数字转换器(81)获得的数字信号，并将数字信号输出到单片机模块(83)进行稳流处理，并将处理结果输出到FPGA电路(82)形成反馈控制信号，输出给声光调制器驱动(9)，调节声光调制器(3)对中波红外激光功率的稳定；同时单片机模块(83)向人机交互界面(84)发送显示指令，让其显示当前中波红外激光的光功率参数。

5.根据权利要求1所述的中波红外激光功率的稳定系统，其特征在于，所述的红外环境控制室(2)为长方形结构体，左侧设有可供操作的开口，以调节光路系统结构，所述声光调制器(3)、空间滤波器(4)、中波红外薄膜分束器(5)和光学斩波器(6)从左至右依次紧密排列，固定在红外环境控制室(2)内。

6.一种利用权利要求1所述系统进行中波红外激光功率稳定的方法，包括如下步骤：

（1）将中波红外探测器72安放在杜瓦瓶温控室71中，固定好位置，同时密闭杜瓦瓶温控室71，将其内部填充满液氮，调节杜瓦瓶温控室温控仪，设置成探测所需要的温度，然后，开启中波红外探测器72；

（2）开启OPO激光器11，输出功率待稳定的中波红外激光，待激光器稳定工作后，开启校准激光器13，输出可见激光；

（3）调节系统光路，使功率待稳定的中波红外激光与可见激光的光线重合，再关闭校准激光器13；

（4）设定光学斩波器6的斩波频率，并调整光学斩波器6的位置，使功率待稳定的中波红外激光通过该光学斩波器6后，把功率待稳定的中波红外激光的频率调制成斩波频率；

（5）功率待稳定的中波红外激光垂直照射在中波红外探测器72表面进行光电转换，以输出模拟电流信号给微电流放大器73，其将光电转换后的模拟电流信号进行放大，然后通过锁相放大器74输出给A/D模拟数字转换器81；

（6）FPGA电路82控制A/D模拟数字转换器81对模拟信号采样，单片机模块83对采样后的数据进行处理，将处理结果返回FPGA电路82，FPGA电路82发送反馈信号控制声光调制器驱动9调节声光调制器3，稳定中波红外激光的光功率。

（7）单片机模块83向人机交互界面84发送显示指令，人机交互界面84显示当前中波红外激光的光功率参数。

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