CN104242022A - 锁模激光器状态实时监测报警处置系统 - Google Patents
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Abstract
一种锁模激光器状态实时监测报警处置系统，包括有监测模块和分别与监测模块的输出端相连接的报警模块和处置模块，监测模块由分别用于接收光学系统中的锁模激光器输出的锁模脉冲信号的光电探测器和光谱仪，以及分别与光电探测器和光谱仪的输出端相连接的信号处理单元构成，信号处理单元输出端分别连接报警模块和处置模块，处置模块的输出端连接光学系统中的泵浦源输出控制端。本发明通过同时监测锁模激光器输出光脉冲通过光电探测器转化出的电脉冲信号和光脉冲的光谱信号精确判断激光器是否工作在稳定的基频锁模状态下，确保激光器输出高质量锁模脉冲。可实现工业或科研应用中无人值守情况下对锁模激光器自动监测报警、处置功能，提高了锁模激光器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测报警处置系统。特别是涉及一种锁模激光器状态实时监测报警处置系统。
背景技术
锁模激光器能够产生超短激光脉冲，在生物光子学、微纳加工、非线性光学、光电对抗等众多领域有着十分广阔的应用前景。因此，针对锁模激光器的研究不仅有着重要的学术意义，而且有着很高的应用价值。
锁模技术最早出现于上世纪60年代初期，到20世纪80年代中期时，化学汽相沉积法制成了位于低损耗光纤通信窗口的掺饵光纤。此后，光纤锁模激光器开始成为研究的热点。
由于强烈的非线性效应和色散，光纤锁模激光器与块状晶体锁模激光器相比具有更为丰富的锁模机制。近些年来，掺杂铒离子、镱离子、铥离子等稀土元素离子的光纤锁模激光器得到了广泛的研究和应用。
在现有锁模激光器的应用实例中，对锁模激光器稳定性及脉冲质量的要求都与日俱增。在诸如超连续谱产生、光学频率梳以及微纳加工等等诸多应用中，使用者均需要确保锁模激光器稳定工作在特定状态下，才能使后续工作顺利进行。
锁模光纤激光器的腔长通常较长(几米到几百米)，当外界环境发生变化时，激光器容易受到震动及温度变化的影响。外界的扰动会引起激光器输出激光脉冲的不稳定，严重时会造成激光器的失锁。进而导致后续设备无法正常工作。
此外，多脉冲的产生以及输出脉冲振幅的低频调制也是锁模激光器尤其是非线性偏振旋转锁模激光器中较为常见的问题。多脉冲的产生，即多个脉冲同时在谐振腔内循环起振，且它们之间的间距会随机发生改变。输出脉冲振幅的低频调制，即由于周期变化的脉冲偏振态与激光谐振腔内偏振器件的相互作用，或者由于其他对应因素的原因造成输出脉冲峰值不稳定。但这种不稳定具有周期性的低频调制特性，在射频谱的低频部分可以观察到明显的尖峰，与噪声和外界干扰造成的输出不稳定并不相同。
在孤子型锁模激光器中，需要考虑到被色散和非线性效应所共同影响的孤子动力学过程。当高阶孤子发生分裂后，孤子之间交叠的部分会发生干涉现象，不同的频率分量根据相位差的不同会产生相干相消或相干相长，从而在光谱上出现明显的调制现象。此时，孤子以束缚态的形式出现，形成孤子簇。若孤子间间距较大则在时域上表现为与多脉冲相似的现象。反之，若孤子间间距小到采用传统电子学手段难以探测的地步，则分析孤子的光谱便成为判断锁模状态行之有效的方法之一。以上几方面的问题会造成脉冲能量、脉冲间隔、单位时间内输出脉冲个数的变化，进而影响到后续应用。
针对所述锁模激光器的问题，现阶段主要采用人员通过示波器、频谱分析仪、光谱仪等设备实时监测锁模激光器的运转状态，当发生问题时立即进行处置的方式。然而，锁模激光器往往开机时间较长，人工监测难免会有盲点。如果锁模激光器恰巧出现问题就极容易引发连锁反应，造成不必要的损失。比如，在锁模光纤激光器应用于超连续谱产生的系统中时，由于输出的锁模光脉冲经历了后续的放大，一旦锁模脉冲出现失锁等问题就极易导致整个系统的损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种当锁模激光器改变了工作状态时，能够以声光、短信、电子邮件等多种方式提示工作人员，同时自动关闭某些设备的电源以防发生事故的锁模激光器状态实时监测报警处置系统。
本发明所采用的技术方案是：一种锁模激光器状态实时监测报警处置系统，包括有监测模块，以及分别与所述的监测模块的输出端相连接的报警模块和处置模块，其中，所述的监测模块由分别用于接收光学系统中的锁模激光器输出的锁模脉冲信号的光电探测器和光谱仪，以及分别与所述的光电探测器和光谱仪的输出端相连接的信号处理单元构成，所述的信号处理单元输出端分别连接所述的报警模块和处置模块，所述处置模块的输出端连接光学系统中的泵浦源输出控制端。
所述的信号处理单元采用计算机或单片机或DSP或FPGA/CPLD。
所述的报警模块包括有分别连接所述信号处理单元输出端的GSM模块、声光报警器和计算机。
所述的处置模块采用继电器，所述继电器的控制开关分别连接光学系统中的泵浦源输出控制端。
所述的光电探测器将所接收的锁模脉冲光信号转换为模拟电信号后输出给信号处理单元，所述的信号处理单元将所接收的模拟电信号转换为数字信号分三部分同时进行处理：
第一部分：针对每个脉冲信号的峰值进行鉴幅，再将所述数字信号与已设定的上下门限或前一时刻脉冲峰值的平均值进行比较，从而判断每个脉冲的峰值是否稳定，如果判断结果不稳定，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
第二部分：针对单位时间内接收到的脉冲个数进行计数，在误差允许范围内与锁模激光器基频锁模时的脉冲个数进行比较，判断锁模激光器是否工作在多脉冲状态，如果判断结果为锁模激光器工作在多脉冲状态，即证明锁模激光器没有工作在基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
第三部分，针对接收到的脉冲信号进行低通滤波，上截止频率为锁模激光器基频锁模频率，通过监测滤除高频信号后的成分，从而判断锁模脉冲是否受到低频信号的调制，如果判断结果为监测到低频调制信号，即证明锁模激光器没有工作在稳定的基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
所述的光谱仪将所接收的锁模脉冲光谱信号，输出给信号处理单元，所述的信号处理单元通过判断在一定频率范围内所接收的锁模脉冲光谱信号的光强是否有持续剧烈变化，来判断光谱是否产生调制，如判断结果为锁模激光器输出光谱存在调制，即证明锁模激光器没有工作在基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理。
所述的信号处理单元只有同时满足每个脉冲的峰值稳定、锁模激光器未工作在多脉冲状态、锁模脉冲没有受到低频信号的调制和光谱没有产生调制这四个条件，才判断输出脉冲为符合要求的稳定基频锁模光脉冲序列，只要有其中一个条件不满足要求即判断为激光器状态不符合要求，进而进行报警与处置。
本发明的锁模激光器状态实时监测报警处置系统，弥补了现阶段需人工通过测量仪器持续监测激光器锁模状态以防发生事故的不足。本发明通过同时监测锁模激光器输出光脉冲通过光电探测器转化出的电脉冲信号和光脉冲的光谱信号精确判断激光器是否工作在稳定的基频锁模状态下，确保激光器输出高质量锁模脉冲。对于光电探测器转化出的电脉冲信号，需监测电脉冲序列幅值、电脉冲序列重复频率、电脉冲射频谱的低频成分。对于光谱信号，需监测光谱调制幅度。当激光器改变了工作状态时，本发明能够以声光、短信、电子邮件等多种方式提示工作人员，同时自动关闭某些设备的电源以防发生事故。本发明可以实现工业或科研应用中无人值守情况下对锁模激光器自动监测报警并进行处置的功能，提高了锁模激光器的可靠性。
附图说明
图1是本发明系统构成示意图；
图2是本发明信号处理流程图；
图3是锁模激光器输出稳定基频锁模脉冲的射频谱示意图；
图4是锁模激光器输出低频调制锁模脉冲的射频谱示意图；
图5是本发明的具体实施例示意图。
图中
1：监测模块 2：报警模块
3：处置模块 4：光学系统
11：光电探测器 12：光谱仪
13：信号处理单元 21：GSM模块
22：声光报警器 23：计算机
44：第一光纤准直器 45：第一λ/4波片
46：λ/2波片 47：偏振分束器
48：第二λ/4波片 49：滤波片
410：第二光纤准直器 411：第一掺镱增益光纤
412：泵浦耦合器 413：光纤隔离器
414：第一光纤耦合器 415：第一泵浦源
416：第二泵浦源 417：第二光纤耦合器
418：高非线性光子晶体光纤 419：第二掺镱增益光纤
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种锁模激光器状态实时监测报警处置系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种锁模激光器状态实时监测报警处置系统，包括有监测模块1，以及分别与所述的监测模块1的输出端相连接的报警模块2和处置模块3，其中，所述的监测模块1由分别用于接收光学系统4中的锁模激光器输出的锁模脉冲信号的光电探测器11和光谱仪12，以及分别与所述的光电探测器11和光谱仪12的输出端相连接的信号处理单元13构成，所述的信号处理单元13输出端分别连接所述的报警模块2和处置模块3，所述处置模块3的输出端连接光学系统4中的泵浦源输出控制端。其中，
所述的报警模块2包括有分别连接所述信号处理单元13输出端的GSM模块21、声光报警器22和计算机23。采用发光发声器件可进行声光报警，采用GSM模块可向预先设定的手机号码上发送短信进行报警。连接计算机及互联网时也可以向指定邮箱发送电子邮件进行报警。
所述的处置模块3采用继电器，所述继电器的控制开关分别连接光学系统4中的泵浦源输出控制端。在报警模块报警的同时，所述处置模块3通过继电器或后续设备的外接控制端口切断需要保护设备的电源，起到保护作用。
如图2所示，所述的光电探测器11将所接收的锁模脉冲光信号转换为模拟电信号后输出给信号处理单元13，所述的信号处理单元13采用计算机或单片机或DSP或FPGA/CPLD。所述的信号处理单元13将所接收的模拟电信号转换为数字信号后分三部分同时进行处理：
第一部分：针对每个脉冲信号的峰值进行鉴幅，再将所述数字信号与已设定的上下门限或前一时刻脉冲峰值的平均值进行比较，从而判断每个脉冲的峰值是否稳定，如果判断结果不稳定，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
第二部分：针对单位时间内接收到的脉冲个数进行计数，在误差允许范围内与锁模激光器基频锁模时的脉冲个数进行比较，判断锁模激光器是否工作在多脉冲状态，如果判断结果为锁模激光器工作在多脉冲状态，即证明锁模激光器没有工作在基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
第三部分，针对接收到的脉冲信号进行低通滤波，上截止频率为锁模激光器基频锁模频率，通过监测滤除高频信号后的成分，从而判断锁模脉冲是否受到低频信号的调制，如果判断结果为监测到低频调制信号，即证明锁模激光器没有工作在稳定的基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理。
所述的光谱仪12将所接收的锁模脉冲光谱信号，输出给信号处理单元13，所述的信号处理单元13通过判断在一定频率范围内所接收的锁模脉冲光谱信号的光强是否有持续剧烈变化，来判断光谱是否产生调制，如判断结果为锁模激光器输出光谱存在调制，即证明锁模激光器没有工作在基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理。
所述的信号处理单元13只有同时满足每个脉冲的峰值稳定、锁模激光器未工作在多脉冲状态、锁模脉冲没有受到低频信号的调制和光谱没有产生调制这四个条件，才判断输出脉冲为符合要求的稳定基频锁模光脉冲序列，只要有其中一个条件不满足要求即判断为激光器状态不符合要求，进而进行报警与处置。
本发明实施例除所述锁模激光器状态实时监测报警处置系统外，还有一个应用锁模光纤激光器的超连续谱产生系统。
超连续谱产生系统包含振荡级、放大级与非线性展宽三部分，非线性偏振旋转锁模光纤激光器作为振荡级，产生重复频率为20MHz的种子光脉冲(射频谱如图3所示)，耦合至掺镱(Yb)增益光纤419放大级之中进行放大，进而耦合进入高非线性光子晶体光纤(PCF)418中进行非线性展宽从而获得超连续谱输出。
振荡级采用输出波长为980nm的单模激光二极管构成第一泵浦源415抽运激光系统，经过泵浦耦合器(WDM)412耦合入第一掺镱(Yb)增益光纤411后，再经过第一光纤准直器(collimator)44的准直后依次经过第一λ/4波片45、λ/2波片46、偏振分束器(PBS)47、第二λ/4波片48、滤波片49和第二光纤准直器(collimator)410，通过第一光纤耦合器(coupler)414输出一部分能量后，最后通过光纤隔离器(ISO)413完成一次振荡回路。
放大级采用输出波长为980nm的多模激光二极管构成第二泵浦源416抽运，从振荡级通过第一光纤耦合器(coupler)414输出的种子光通过第二光纤耦合器(combiner)417被耦合入第二掺镱(Yb)增益光纤419中实现放大，种子光在传输过程中能量被不断放大，脉宽亦变大以利于非线性展宽，获得更宽的光谱。放大后的光脉冲进入高非线性光子晶体光纤418中使得光谱趋向平坦并得到进一步加宽。最终输出超连续光谱。
同时，通过偏振分束器(PBS)47输出的锁模脉冲序列被所述锁模激光器状态实时监测报警处置系统所接收。光电二极管将光信号转换为电信号以便后续处理分析。模拟电信号被转换为数字信号传送到计算机中。在计算机中采用Labview软件编写的程序对采集到的信号进行分析。分为以下三个部分：
1)针对每个脉冲信号的峰值进行鉴幅，再将其与已设定的上下门限或前一时刻脉冲峰值的平均值进行比较，从而判断每个脉冲的峰值是否稳定。如果判断结果不稳定，则输出信号进入报警处置模块，否则返回继续进行判断处理。
2)针对单位时间内接收到的脉冲个数进行计数，在误差允许范围内与锁模激光器基频锁模时的脉冲个数2*107个进行比较，借以判断激光器是否工作在多脉冲状态。如判断结果为激光器工作在多脉冲状态即证明激光器没有工作在基频锁模状态，此时输出信号进入报警处置模块，否则返回继续进行判断处理。
3)针对接收到的脉冲信号采用可调谐低通滤波模块进行低通滤波，上截止频率为激光器基频锁模频率20MHz。正常情况下，处于稳定基频锁模状态下的激光器输出脉冲的射频谱如图3所示。以基频为20MHz为例，射频谱应为在20MHz及其整数倍处分布的尖峰，而20MHz以下没有信号出现。若如图4所示，在低频处出现信号，则证明激光器输出处于低频调制态下。通过将高频信号滤除，之后再进行鉴幅判断有无低频信号，就可以判断锁模脉冲是否受到低频信号的调制，将隐藏在允许噪声波动之中的低频调制波动检测出来，精确判断激光器是否工作在稳定的基频锁模状态。如判断结果为监测到低频调制信号即证明激光器没有工作在稳定的基频锁模状态，此时输出信号进入报警处置模块，否则返回继续进行判断处理。
此外，本实施例也同时采用光谱仪测量锁模脉冲光谱，并通过计算其自相关函数来判断一定频率范围内光强是否有持续剧烈变化，即判断光谱是否产生调制。如判断结果为激光器输出光谱存在调制即证明激光器没有工作在基频锁模状态，此时输出信号进入报警处置模块，否则返回继续进行判断处理。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种锁模激光器状态实时监测报警处置系统，其特征在于，包括有监测模块(1)，以及分别与所述的监测模块(1)的输出端相连接的报警模块(2)和处置模块(3)，其中，所述的监测模块(1)由分别用于接收光学系统(4)中的锁模激光器输出的锁模脉冲信号的光电探测器(11)和光谱仪(12)，以及分别与所述的光电探测器(11)和光谱仪(12)的输出端相连接的信号处理单元(13)构成，所述的信号处理单元(13)输出端分别连接所述的报警模块(2)和处置模块(3)，所述处置模块(3)的输出端连接光学系统(4)中的泵浦源输出控制端。
2.根据权利要求1所述的锁模激光器状态实时监测报警处置系统，其特征在于，所述的信号处理单元(13)采用计算机或单片机或DSP或FPGA/CPLD。
3.根据权利要求1所述的锁模激光器状态实时监测报警处置系统，其特征在于，所述的报警模块(2)包括有分别连接所述信号处理单元(13)输出端的GSM模块(21)、声光报警器(22)和计算机(23)。
4.根据权利要求1所述的锁模激光器状态实时监测报警处置系统，其特征在于，所述的处置模块(3)采用继电器，所述继电器的控制开关分别连接光学系统(4)中的泵浦源输出控制端。
5.根据权利要求1或2所述的锁模激光器状态实时监测报警处置系统，其特征在于，所述的光电探测器(11)将所接收的锁模脉冲光信号转换为模拟电信号后输出给信号处理单元(13)，所述的信号处理单元(13)将所接收的模拟电信号转换为数字信号分三部分同时进行处理：
第一部分：针对每个脉冲信号的峰值进行鉴幅，再将所述数字信号与已设定的上下门限或前一时刻脉冲峰值的平均值进行比较，从而判断每个脉冲的峰值是否稳定，如果判断结果不稳定，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
第二部分：针对单位时间内接收到的脉冲个数进行计数，在误差允许范围内与锁模激光器基频锁模时的脉冲个数进行比较，判断锁模激光器是否工作在多脉冲状态，如果判断结果为锁模激光器工作在多脉冲状态，即证明锁模激光器没有工作在基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
第三部分，针对接收到的脉冲信号进行低通滤波，上截止频率为锁模激光器基频锁模频率，通过监测滤除高频信号后的成分，从而判断锁模脉冲是否受到低频信号的调制，如果判断结果为监测到低频调制信号，即证明锁模激光器没有工作在稳定的基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理；
所述的光谱仪(12)将所接收的锁模脉冲光谱信号，输出给信号处理单元(13)，所述的信号处理单元(13)通过判断在一定频率范围内所接收的锁模脉冲光谱信号的光强是否有持续剧烈变化，来判断光谱是否产生调制，如判断结果为锁模激光器输出光谱存在调制，即证明锁模激光器没有工作在基频锁模状态，则输出报警信号送入报警处置模块，否则直接返回继续进行判断处理。
6.根据权利要求5所述的锁模激光器状态实时监测报警处置系统，其特征在于，所述的信号处理单元(13)只有同时满足每个脉冲的峰值稳定、锁模激光器未工作在多脉冲状态、锁模脉冲没有受到低频信号的调制和光谱没有产生调制这四个条件，才判断输出脉冲为符合要求的稳定基频锁模光脉冲序列，只要有其中一个条件不满足要求即判断为激光器状态不符合要求，进而进行报警与处置。
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