CN103779778B - 一种中波红外激光功率稳定装置及稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中波红外激光功率稳定装置及稳定方法，其中装置包括光参量振荡激光器、声光调制器、分束器、光学斩波器、红外探测器、前置放大器、锁相放大器、调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元及D/A转换器，所述声光调制器及所述分束器设置在真空屏蔽仓中；光参量振荡激光器产生可调谐的中红外激光通过声光调制器产生布拉格衍射，衍射光经过分束器分光，一路光输出，另外一路光分别经过光学斩波器、红外探测器、前置放大器和锁相放大器完成光电转换。采用上述方案，实现了在中红外波段激光功率的稳定控制，填补了国内在中波红外激光功率稳定控制研究的空白。

Description

一种中波红外激光功率稳定装置及稳定方法

技术领域

本发明属于激光功率稳定技术领域，尤其涉及的是一种中波红外激光功率稳定装置及稳定方法。

背景技术

随着科技的发展和研究的深入，尤其是低温辐射计的发明使光辐射计的不确定度改善到了10-5量级，这就对待测光源功率的稳定性提出了很高的要求。激光因其准直性、单色性和高功率密度等优点而被选用。一般的激光器本身的功率稳定性约在百分之几的范围，不能直接使用，需要采取一定的稳功率措施，使其功率稳定度达到与低温辐射计相匹配的水平。稳定激光功率主要有两个途径，一是通过电源调整、谐振腔调节以及频率稳定等方法在激光器本身上实现激光功率的稳定；二是通过光反馈的方法直接对激光输出光束进行调制，以抵消激光鼠的功率起伏。前者可以把功率控制在1%附近，后者可以达到10-4量级（参见姚和军等人在计量学报上发表《高精度激光束功率稳定器的研究》），因此本专利选择使用外调制的方法。

目前，针对激光功率稳定方面，国内外已经有很多的研究，并且已经取得很好的效果，尤其是在可见光波段，研究人员通过电光调制、液晶调制以及磁光调制等方法实现了对激光功率的高精度稳定控制，其稳定度到10-4以上的量级。进行了激光功率稳定控制技术相关的检索，检索结果如下：

1、一种稳定的激光光源

重庆东电通信技术有限公司申请的发明专利，2004年4月27日，公布号为CN2610533Y。半导体激光器输出的激光经检测信号放大电路转换后与基准电压进行比较处理，将比较后的信号输入到激光功率反馈控制电路中，实现LD激光器的电源的稳定，进而实现激光管功率的稳定。

2、磁控式全固态激光器输出功率稳定装置

中国科学院半导体研究所申请的发明专利，2011年8月24日，公布号为CN102163796A。利用磁控式镜片平移装置带动激光器的全反射镜前后移动改变腔长，进而改变谐振腔的损耗，实现对激光输出功率的改变。输出的激光经分光镜分光，一路光作为参考光，经过光电转换进入控制系统，控制系统按照内部程序运算，计算出合适的谐振腔腔长改变量，并发出相应的驱动电信号精确调节磁控式镜片平移装置的前后位移，带动全反射镜前后位移改变腔长，从而改变激光腔的腔内损耗，补偿功率波动。

3、基于液晶空间光调制器的激光束整形，光学学报，2012年5月第32卷第5期。

于晓晨等人基于液晶调制的方法进行了光功率稳定控制的研究。由于液晶空间光调制器（Ｌ Ｃ Ｓ Ｌ Ｍ）以液晶的电控向列扭曲效应和电控双折射效应为主要工作原理，采用电寻址方式，以电压的变化改变空间上光分布的强度、相位、偏振态和波长等，通过光电转化系统把激光功率的变化转换成电压的变化，就可以实现激光功率的稳定控制。美国的BEOC公司已经在提供基于空间光液晶调制的激光功率控制器，稳定后的效果很好，达到了10-5-10-6。

4、高精度激光束功率稳定器的研究

姚和军等人在计量学报上发表的高精度激光束功率稳定器的研究，利用电光晶体的泡克尔斯效应调制激光束的投射功率，参考信号经过光电转换和信号处理电路处理后反馈给电光调制器，补偿功率的变化，在可见光波段稳定性达到10-5量级。英国NPL已经可以提供相应的激光功率控制器，其稳定性在10-5-10-6。

5、一种激光腔外功率稳定装置和锁定方法

浙江大学申请的发明专利，2011年8月3日，公布号为CN102141692A。基于声光调制原理，其射频驱动电压与激光通过调制器的衍射效率有确定的关系，在声光调制器后面经过了由二分之一波片和偏振分束器组成的偏振纯化光路和非偏振分束器，一路光输出，另外一路光作为参考光通过光电二极管和稳定控制电路处理，输出调制信号，调节调制器的衍射效率，补偿功率的变化。由于一般的分束器对不同的偏正光的分光比并不是完全的恒定不变，因此偏振纯化光路可以把长时间的偏振稳定性转化成功率变化激光器本身输出功率的变化一起反馈补偿补偿。

现有技术没有解决中波红外波段激光功率的稳定控制问题，在中红外波段的研究很少，本发明的目的在于填补国内在中波红外激光功率稳定控制研究的空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种中波红外激光功率稳定装置及稳定方法。

本发明的技术方案如下：

一种中波红外激光功率稳定装置，其中，包括光参量振荡激光器、声光调制器、分束器、光学斩波器、红外探测器、前置放大器、锁相放大器、调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元及D/A转换器，所述声光调制器及所述分束器设置在真空屏蔽仓中；光参量振荡激光器产生可调谐的中红外激光通过声光调制器产生布拉格衍射，衍射光经过分束器分光，一路光输出，另外一路光分别经过光学斩波器、红外探测器、前置放大器和锁相放大器完成光电转换，输出电信号，将电信号经过调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元以及D/A转换器完成对电信号的分析、计算和处理，FPGA程序控制单元按照预定算法输出反馈调制信号给声光调制器，改变衍射效率。

所述的稳定装置，其中，所述可调谐的中红外激光通过可见光校准激光器来校准调节光路。

所述的稳定装置，其中，所述可调谐的中红外激光的波长在2.5-5μm；所述红外探测器的响应波长在1-5.5μm。

所述的稳定装置，其中，所述红外探测器为InSb液氮制冷型探测器

一种中波红外激光功率的稳定装置的稳定方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：产生布拉格衍射光经过薄膜分束器分光为两路，一路通过InSb红外探测器实现光电转化形成电信号；另一路光透过薄膜分束器，作为稳定系统的输出光。

步骤2：电信号转换成数字信号，生成功率信号反馈给声光调制器，控制激光通过声光晶体的衍射效率；

所述步骤2中，所述衍射光的衍射效率与加载在产生超声波的换能晶体上的电压成固定的函数关系。所述固定的函数关系为通过实验方法拟合得到。所述拟合的方法为：首先获得衍射效率η=Po/Pin;其中，其中，η为衍射效率，P_in为固定的入射光功率，P_o为对应测得对应输出；其次获得衍射效率与射频驱动电压之间的对应关系式为：η=cos²(k×V_调制)，其中k是一个由RF驱动器、声光调制器以及超声波和工作的光波长综合决定的值，V_调制为改变调制电压。所述衍射效率受控于超声波功率，当超声波功率发生变化时，衍射效率也发生变化。

所述步骤2中，当加载在产生超声波的换能晶体上的电压发生变化时，则光通过声光调制器后的衍射效率也随之发生变化。

采用上述方案，实现了在中红外波段激光功率的稳定控制，填补了国内在中波红外激光功率稳定控制研究的空白；通过非线性调制技术与声光调制技术的结合、相敏检波技术和真空屏蔽技术的应用，大大提高系统的性能和可靠性。

附图说明

图1为本发明稳定系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明中波红外激光功率稳定系统的稳定方法主要包括以下步骤：

当超声波通过声光晶体时，晶体的折射率产生周期性变化，当超声波满足一定条件时，此时的声光晶体类似一个体光栅。OPO激光器作为激光光源，其激光以布拉格角入射通过超声波作用下的声光晶体，产生布拉格衍射，其衍射效率与加载在产生超声波的换能晶体上的电压成固定的函数关系；衍射光经过薄膜分束器分光为两路，一路通过InSb红外探测器实现光电转化形成电信号，由于在中外波段的噪声比较严重，因此，选用合适的斩波器和锁定放大器对信号进行抑噪。电信号经过调理电路和AD转化器后，被转换成数字信号，经过FPGA和MCU按照一定的程序算法进行计算分析处理，把功率信号反馈给声光调制器，控制激光通过声光晶体的衍射效率；当激光的功率发生变化时，通过提供不同的调制电压改变衍射效率，对激光功率进行反馈补偿，进而实现激光功率的稳定。由于声光调制器的衍射效率与射频驱动电压的函数关系式是不确定的，但是根据声光调制的原理，可以得到衍射效率与射频驱动电压之间的对应关系，其关系式子为：η=cos²(k×V_调制)，其中k是一个由RF驱动器、声光调制器以及超声波和工作的光波长综合决定，因此需要通过实验的方式拟合确定这个函数关系。实验方案：固定的入射光功率P_in，改变调制电压V_调制，对应测得对应输出P_o，由确定衍射效率与射频电压的函数关系。然后根据这个函数关系，设计合适的算法提供给FPGA。另一路光透过薄膜分束器，作为稳定系统的输出光，供后续使用。

为了解决中红外激光在大气中传播过程中的吸收、损耗，设计一套合适的屏蔽系统是非常必要的，本发明拟设计一套真空系统，将声光调制部分和分光部分的工作环境变成真空环境，这样可以大大降低中红外激光传输过程中可能产生的不确定因素。

本发明的光源是基于光学参量振荡的可调谐激光器，可以参数满足系统要求的中红外波段2.5-5μm的激光，而且其输出的激光功率稳定性较高。

本发明的光电探测系统由斩波器、红外制冷型探测器、前置放大器、锁相放大器和真空屏蔽系统组成。探测器选择InSb液氮制冷型探测器，其响应波长和响应率都满足系统要求；前置放大器的设计可以大大提高采样精度；斩波器和锁相放大器组成了噪声抑制系统，保证了输出电信号的纯净。基于FPGA的高速数据采集系统保证数据的采集处理，为系统的性能提供保障。

本发明主要是在2.5-5μm的中红外波段使用，经过系统的红外激光功率的稳定可以在0.05%（k=2）以上。

本发明的优点在于：

本发明首次实现在中红外波段的激光腔外功率稳定控制，在低温辐射计研究和遥感成像等中红外光的应用方面有非常重要的意义。通过外部声光调制和负反馈相结合的技术以及真空屏蔽技术使得中红外激光的稳定性在0.05%（k=2）以上，满足科研对激光稳定性的要求。

如图1所示，光参量振荡激光器产生可调谐的中红外激光，由于中红外光为不看见光，所以使用可见光校准激光器来校准调节光路。中红外激光通过声光调制器产生布拉格衍射，衍射光经过分束器分光，一路光输出，另外一路光进入光电前放系统，分别经过光学斩波器、红外探测器、前置放大器和锁相放大器完成光电转换，输出电信号，将电信号输入到反馈系统里，经过调理电路、AD转换器、FPGA以及DA转换器完成对电信号的分析计算和处理，FPGA按照设计的算法输出反馈调制信号给声光调制器，改变衍射效率，实现对激光功率的控制。中红外激光的波长在2.5-5μm，探测器的响应波长在1-5.5μm，设计合适的采样速率，保证功率在经过控制后的稳定性满足设计要求。

本发明：1、实现了在中红外波段激光功率的稳定控制；2、通过声光调制和非线性调制相结合实现了对中红外激光的调制；3、通过相敏检波技术对信号进行抑制噪声处理；4、通过真空屏蔽技术实现对中红外光的外界干扰进行屏蔽处理。

实施例2

在上述实施例的基础上，对本发明进一步说明，如图1所示，一种中波红外激光功率稳定装置，其中，包括光参量振荡激光器、声光调制器、分束器、光学斩波器、红外探测器、前置放大器、锁相放大器、调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元及D/A转换器，所述声光调制器及所述分束器设置在真空屏蔽仓中；光参量振荡激光器产生可调谐的中红外激光通过声光调制器产生布拉格衍射，衍射光经过分束器分光，一路光输出，另外一路光分别经过光学斩波器、红外探测器、前置放大器和锁相放大器完成光电转换，输出电信号，将电信号经过调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元以及D/A转换器完成对电信号的分析、计算和处理，FPGA程序控制单元按照预定算法输出反馈调制信号给声光调制器，改变衍射效率。

所述的稳定装置，其中，所述可调谐的中红外激光通过可见光校准激光器来校准调节光路。

所述的稳定装置，其中，所述可调谐的中红外激光的波长在2.5-5μm；所述红外探测器的响应波长在1-5.5μm。

所述的稳定装置，其中，所述红外探测器为InSb液氮制冷型探测器

在上述内容的基础上，本发明还提供一种中波红外激光功率的稳定装置的稳定方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：产生布拉格衍射光经过薄膜分束器分光为两路，一路通过InSb红外探测器实现光电转化形成电信号；另一路光透过薄膜分束器，作为稳定系统的输出光。

步骤2：电信号转换成数字信号，生成功率信号反馈给声光调制器，控制激光通过声光晶体的衍射效率；

所述步骤2中，所述衍射光的衍射效率与加载在产生超声波的换能晶体上的电压成固定的函数关系。所述固定的函数关系为通过实验方法拟合得到。所述拟合的方法为：首先获得衍射效率η=Po/Pin;其中，其中，η为衍射效率，P_in为固定的入射光功率，P_o为对应测得对应输出；其次获得衍射效率与射频驱动电压之间的对应关系式为：η=cos²(k×V_调制)，其中k是一个由RF驱动器、声光调制器以及超声波和工作的光波长综合决定的值，V_调制为改变调制电压。所述衍射效率受控于超声波功率，当超声波功率发生变化时，衍射效率也发生变化。

所述步骤2中，当加载在产生超声波的换能晶体上的电压发生变化时，则光通过声光调制器后的衍射效率也随之发生变化。

采用上述方案，实现了在中红外波段激光功率的稳定控制，填补了国内在中波红外激光功率稳定控制研究的空白；通过非线性调制技术与声光调制技术的结合、相敏检波技术和真空屏蔽技术的应用，大大提高系统的性能和可靠性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种中波红外激光功率稳定方法，使用中波红外激光功率的稳定装置，包括光参量振荡激光器、声光调制器、薄膜分束器、光学斩波器、红外探测器、前置放大器、锁相放大器、调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元及D/A转换器，所述声光调制器及所述薄膜分束器设置在真空屏蔽仓中；光参量振荡激光器产生可调谐的中红外激光通过声光调制器产生布拉格衍射，衍射光经过薄膜分束器分光，一路光输出，另外一路光分别经过光学斩波器、红外探测器、前置放大器和锁相放大器完成光电转换，输出电信号，将电信号经过调理电路、A/D转换器、FPGA程序控制单元以及D/A转换器完成对电信号的分析、计算和处理，FPGA程序控制单元按照预定算法输出反馈调制信号给声光调制器，改变衍射效率；

包括以下步骤：

步骤1：产生布拉格衍射光经过薄膜分束器分光为两路，一路通过红外探测器实现光电转化形成电信号；另一路光透过薄膜分束器，作为稳定系统的输出光；

步骤2：电信号转换成数字信号，生成功率信号反馈给声光调制器，控制激光通过声光晶体的衍射效率；

所述衍射光的衍射效率与加载在产生超声波的换能晶体上的电压成固定的函数关系，所述固定的函数关系为通过实验方法拟合得到；

其特征在于，所述拟合的方法为：首先获得衍射效率η＝P_o/P_in；其中，η为衍射效率，P_in为固定的入射光功率，P_o为对应测得对应输出；其次获得衍射效率与射频驱动电压之间的对应关系式为：η＝cos²(k×V_调制)，其中k是一个由RF驱动器、声光调制器以及超声波和工作的光波长综合决定的值，V_调制为改变调制电压。

2.如权利要求1所述的中波红外激光功率稳定方法，其特征在于，所述衍射效率受控于超声波功率，当超声波功率发生变化时，衍射效率也发生变化。

3.如权利要求1所述的中波红外激光功率稳定方法，其特征在于，所述步骤2中，当加载在产生超声波的换能晶体上的电压发生变化时，则光通过声光调制器后的衍射效率也随之发生变化。