CN104316205A - 一种宽带调频脉冲激光波形测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带调频脉冲激光波形的测试装置。被测调频脉冲平行激光束依次穿过光衰减器、透镜，然后垂直入射到光电管的光感应面转换成电脉冲信号；电脉冲信号通过电缆输出到基于半导体激光器的直调光调制器的射频输入端；直调光调制器将电脉冲信号调制成光脉冲信号输出，光脉冲信号经光纤耦合及长距离光纤传输至光电探测器，光电探测器输出的电信号通过电缆进入示波器。本发明具有高可靠性，信息可长距离光纤传输，便于利用光纤时分复用传输技术实现甚多束光路测量系统的集成，可有效降低系统的运行成本，特别适用于大型高功率激光装置宽带调频脉冲时间波形的测试。

Description

一种宽带调频脉冲激光波形测试装置

技术领域

 本发明属于高功率激光测试技术领域，具体涉及一种适用于甚多束大型高功率激光装置宽带调频脉冲激光波形的测试装置。

背景技术

在大型高功率激光驱动器中，为了抑制横向受激布里渊散射效应以及满足光谱色散平滑技术的要求，脉冲激光采用宽带调频脉冲，其光谱结构为离散分布的梳状光谱。高功率激光系统中一方面由于各种色散元件的影响，宽带调频脉冲光束截面上空间各局部(或点)的时间特性并不一致，也与全口径光束的时间特性存在差异；另一方面，由于调频脉冲具有很强的时谱关联性，光谱成分的微弱失衡将导致脉冲波形出现调制。与宽带调频脉冲不同，窄带脉冲由于光谱结构单一，其光束截面上空间各局部(或点)的时间特性一致，并与全口径光束的时间特性一致。 

目前，大型高功率激光装置输出纳秒脉冲波形测量方法有两种，一种方法是采用光电管和高带宽数字示波器，这种方法在面对宽带调频脉冲时，可以接收全口径光束并获得波形，但是受限于示波器一个通道只能测量单路光束以及电缆的带宽和色散，在同时面对多束数、多诊断点的大型激光装置时，采用电缆传输不利于信息的长距离传输和系统集成，并且由于需要使用多台示波器导致装置运行成本高昂；另一种方法是通过光纤取样及时分复用的光传输技术并结合超快光电探测器和高带宽示波器实现多束激光脉冲波形的同步集中测量，即示波器单个通道可以同时测量多路光束，这种方法利于实现信息的长距离传输和系统集成，并可大幅降低激光装置的运行成本，但是这种方法在面对宽带调频脉冲时，由于光纤取样方式为光束截面局部或点取样，所获得的波形信息不能准确反映全口径光束的时间特性，因此上述两种纳秒脉冲波形测量方法的应用范围受到限制。而且，面对高功率激光装置宽带调频脉冲波形测量，与之有关的报道只有光纤与激光耦合取样方面的专利，均为局部或点取样，未见其它报道。如锥光下耦合取样，名称为《高功率激光注入光纤耦合装置》的中国实用新型专利（专利号：ZL200720078801）；如近场成像平行光下耦合，名称为《一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法》的中国发明专利（专利号：ZL200910215304.9）。

发明内容

为了克服现有纳秒脉冲波形测量方法在面对甚多束大型激光装置输出的宽带调频脉冲激光的波形测量时，不能同时实现全口径光束波形测量和信息长距离传输的缺陷，本发明提供了一种宽带调频脉冲激光波形的测试装置。 

本发明的宽带调频脉冲激光波形的测试装置包括：被测调频脉冲平行激光束依次穿过光衰减器、透镜，然后垂直入射到光电管的光感应面转换成电脉冲信号；电脉冲信号通过电缆输出到基于半导体激光器的直调光调制器的射频输入端；直调光调制器将电脉冲信号调制成光脉冲信号输出，光脉冲信号经光纤耦合及长距离光纤传输至光电探测器，光电探测器输出的电信号通过电缆进入示波器。

本发明的宽带调频脉冲激光波形的测试装置中的光电管输出电脉冲信号功率小于直调光调制器输入1 dB压缩点；直调光调制器调制带宽大于光电管响应带宽；光电管输出阻抗与直调光调制器输入阻抗满足阻抗相匹配原则。

本发明的宽带调频脉冲激光波形的测试装置具有高可靠性，信息可长距离光纤传输，便于利用光纤时分复用传输技术实现甚多束光路测量系统的集成，可有效降低系统的运行成本，特别适用于大型高功率激光装置宽带调频脉冲时间波形的测试。

附图说明

图1是本发明的宽带调频脉冲激光波形的测试装置的原理示意图；

图1中，1.光衰减器，2.透镜，3.光电管，4. 直调光调制器，5.可变光纤衰减器，6.光电探测器，7.示波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1中，被测高功率宽带调频脉冲平行激光束依次经过光衰减器1、透镜2会聚，且全口径光束垂直入射并充满光电管3光感应面，输出电脉冲作为调制信号通过高速电缆输入至直调光调制器4射频输入端，直调光调制器4输出窄带脉冲激光，其波形与被测宽带调频脉冲激光波形一致，并通过光纤传输至可变光纤衰减器5，衰减后，窄带光脉冲通过光纤输入至光电探测器6，输出电脉冲信号再通过电缆进入示波器7。直调光调制器4输入调制电信号功率小于其输入1 dB压缩点；直调光调制器4调制带宽大于光电管3响应带宽；光电管3输出端阻抗与直调光调制器4调制输入阻抗相匹配；可变光纤衰减器5衰减后输出光功率小于光电探测器6饱和功率；光电探测器6输出阻抗与示波器7通道阻抗相匹配。

本发明的技术解决方案基于以下原理：

以被测宽带调频脉冲平行激光束口径为D=50mm，1Hz，1053nm，3ns方波；透镜2焦距为＝300mm；所使用的光电管3光感应面口径为d=10mm，带宽：6G，输出阻抗：；直调光调制器4：DFB激光器，输出波长：1330nm，调制带宽>10G，调制输入阻抗：；光电探测器6的型号：Newfocus 1554B，带宽12G，CW饱和功率：1mW，输出阻抗：；电缆带宽：18G；示波器7带宽：8G，输入阻抗：，为例加以说明。

1. 首先，根据被测宽带调频脉冲平行激光束口径、透镜2焦距和光电管3光感应面口径大小确定透镜2与光电管3感光面之间的距离h； 

入射平行光口径为D，透镜2出射光任意截面口径为：，为了保证全口径入射光全部进入光电管3光感应面，在光感应面处光束截面口径必须满足；另一方面为了保证入射光束尽可能地充满光电管3光感应面，在光感应面处光束截面口径必须接近光感应面口径大小，本例中由于d=10mm，当，则透镜2与光电管3感光面之间的距离为：，因此，。

2. 根据直调光调制器4的输入1 dB压缩点值来确定入射光脉冲经光电管3光电转换后输出电脉冲信号的最大幅度值； 

输入1 dB压缩点定义为调制器射频端输入最大功率。本例中直调光调制器4的输入1 dB压缩点值为：20dbm，即，面对的调制输入阻抗，则100mW的输入功率对应的幅度值为，因此，光电管3最大输出信号幅度值为2.24V。

3. 根据直调光调制器4的输出光功率以及光电探测器6的饱和功率确定在直调光调制器4和光电探测器6之间是否加入可变光纤衰减器5；

本实施例中直调光调制器4在偏置电流100mA下，其输出连续光功率>8mW，在偏置电流75mA下，其输出连续光功率~4.9mW，而光电探测器6的CW饱和功率为：1mW。因此加入可变光纤衰减器5。

根据以上分析，选取透镜2至光电管3感光面之间的距离h=250mm，则感光面上光斑大小为，确保全口径光束进入光电管3并尽量充满光感应面；直调光调制器4的调制输入阻抗和光电管3输出阻抗均为，满足阻抗匹配原则；光电探测器6输出阻抗与示波器7通道输入阻抗均为，也满足阻抗匹配原则；直调光调制器4带宽大于光电管3带宽。 

本实施例中，通过选择光衰减器1衰减倍率，使得光电管3输出电脉冲幅度值1.9V，小于直调光调制器4的输入1 dB压缩点值；直调光调制器4的偏置电流设置为75mA，用光功率计监测可变光纤衰减器5光输出，并调节可变光纤衰减器5，选择可变光纤衰减器5输出连续光功率为0.75mW，小于光电探测器6的CW饱和功率，则光电探测器6输出电信号通过电缆进入示波器7，波形幅度值为0.93V。

这样，1053nm、3ns入射宽带调频脉冲光波形，电幅度值1.9V，无失真转换为1330nm、3ns窄带脉冲光波形，幅度值为0.93V。由于光纤采用单模光纤，可以长距离无失真地传输光信号，实现长距离远端测量。

因此，通过将光电管与基于半导体激光器的直接调制技术相结合实现宽带调频脉冲转换为窄带脉冲进行波形测量，并利用光纤进行信号传输，可以克服全口径光束波形测量与测量信号远距离传输的矛盾，便于大型激光装置甚多束光路通过时分复用技术实现同步集中测量。

衰减器1采用1053nm的吸收玻璃，配有不同衰减倍率的衰减片，各衰减片均可独立在光路中进出切换；透镜2采用光学透明材料制作；所述透镜镜架均可横、纵向调节；光电管3放置在四维调节架上，可横、纵向以及角度调节。

Claims (4)

1.一种宽带调频脉冲激光波形测试装置，其特征是：被测调频脉冲平行激光束依次穿过光衰减器（1）、透镜（2），然后垂直入射到光电管（3）的光感应面转换成电脉冲信号；电脉冲信号通过电缆输出到基于半导体激光器的直调光调制器（4）的射频输入端；直调光调制器（4）将电脉冲信号调制成光脉冲信号输出，光脉冲信号经光纤耦合及长距离光纤传输至光电探测器（6），光电探测器（6）输出的电信号通过电缆进入示波器（7）。

2.根据权利要求1所述的宽带调频脉冲激光波形的测试装置，其特征是：所述光电管（3）输出的电脉冲信号功率小于直调光调制器（4）输入1 dB压缩点。

3.根据权利要求1所述的宽带调频脉冲激光波形的测试装置，其特征是：所述直调光调制器（4）调制带宽大于光电管（3）响应带宽。

4.根据权利要求1所述的宽带调频脉冲激光波形的测试装置，其特征是：所述光电管（3）输出阻抗与直调光调制器（4）输入阻抗满足阻抗相匹配原则。