CN104917043B - 一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器，包括：信号注入单元和主谐振腔；其中：所述信号注入单元，用于产生频率可控可变的伪随机注入信号；所述主谐振腔，用于根据注入的伪随机注入信号产生重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲。通过采用本发明公开的锁模脉冲激光器，可适用于激光制导系统中的目标指示器，提高了抗干扰能力，且激光光束的重复频率可以伪随机变化，不易被破解。

Description

一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器。

背景技术

光电对抗中，激光精确制导是通过激光目标指示器发射具有一定编码信息的激光束照射目标，弹上的激光导引头接收目标漫反射的激光，实现对目标的跟踪和对导弹的控制，直至导弹命中目标。激光脉冲编码是激光目标指示器发射激光脉冲的一种时间规律。早期的激光目标指示器所采用的脉冲编码方式较为简单，主要有固定重频编码、跳频脉冲编码以及等差周期脉冲编码等。

目前，针对激光精确制导武器系统的干扰技术正迅速发展。干扰的方式主要有：(1)无源干扰，如烟幕干扰和隐身干扰；(2)致盲干扰；(3)有源欺骗干扰，主要包括高重频激光有源干扰、同步转发式干扰和应答式干扰。激光制导武器抗有源欺骗干扰的技术措施主要有两种形式：一是使目标指示信号具有一定规律的编码特征，跟踪系统设置相应的解码电路解码；二是在跟踪系统上设置脉冲录取波门。随着科学技术水平的发展，干扰技术的增强，早期的编码方式在抗干扰能力方面表现一般，则要求激光目标指示器所采用的编码方式更为复杂，以便更有利于在复杂的光电环境下抗干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器，可适用于激光目标指示器，产生的激光脉冲重复频率高，且重复频率可以伪随机变化，抗干扰能力强，编码方式不易被破解。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器，包括：信号注入单元和主谐振腔；其中：

所述信号注入单元，用于产生频率可控可变的伪随机注入信号；

所述主谐振腔，用于根据注入的伪随机注入信号产生重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲。

所述信号注入单元包括：相互连接的脉冲信号部分和频率编码部分；其中：

所述脉冲信号部分，用于产生脉冲信号，经由所述频率编码部分进行编码和控制后产生频率伪随机的光脉冲注入信号，并输出至所述主谐振腔；

所述频率编码部分，用于基于伪随机信号对所述脉冲信号部分产生的脉冲信号的频率进行编码和控制。

所述主谐振腔包括：输入耦合器、锁模介质、增益介质、波长选择介质和输出耦合器；其中：

所述输入耦合器包括：用于接收所述信号注入单元输入的伪随机注入信号第一端口，用于接收输出耦合器输出信号的第二端口，以及用于将信号输出至所述锁模介质的第三端口；

所述锁模介质，一端与所述输入耦合器相连，另一端与所述增益介质相连；伪随机注入信号注入到主谐振腔内与锁模介质相互作用时，对主谐振腔内的损耗或者增益进行周期性调制，使得主谐振腔内频率间隔与外界注入重复频率相同的腔模起振，实现模式锁定；

所述增益介质，一端与所述锁模介质相连，另一端与所述波长选择介质相连，用于为腔内提供增益，使得腔内运转的脉冲得以保持；

所述波长选择介质，一端与所述增益介质相连，另一端与所述输出耦合器相连，用于选择运转锁模激光的中心波长，通过抑制其他波段而使锁模介质内的模式锁定；

所述输出耦合器包括：用于接收所述波长选择介质输出信号的第一端口，用于将信号输出至所述输入耦合器的第二端口，以及用于输出重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲的第三端口。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用非线性效应，通过对注入信号的频率进行伪随机编码控制，得到输出频率相应改变的输出脉冲；一方面，激光光束的重复频率可以伪随机变化，编码方式由己方控制不易被破解，该编码方式不具有周期性，很难被敌方识别；另一方面，激光信号的重复频率相对于传统激光制导技术来说可以在GHz以上，具有更强的保密性和抗干扰识别能力的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为2.297MHz的锁模脉冲序列波形图；

图4为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为9.187MHz的锁模脉冲序列波形图；

图5为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为18.374MHz的锁模脉冲序列波形图；

图6为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为36.747MHz的锁模脉冲序列波形图；

图7为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为72.295MHz的锁模脉冲序列波形图；

图8为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为146.989MHz的锁模脉冲序列波形图；

图9为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为293.979MHz的锁模脉冲序列波形图；

图10为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为587.957MHz的锁模脉冲序列波形图；

图11为本发明实施例提供的由本锁模脉冲激光器输出的重复频率为1.176GHz的锁模脉冲序列波形图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器；如图1所示，其主要包括：信号注入单元和主谐振腔。

1、所述信号注入单元，用于产生频率可控可变的伪随机注入信号。

具体来说，所述信号注入单元主要包括：相互连接的脉冲信号部分和频率编码部分；其中：

所述脉冲信号部分，用于产生脉冲信号，经由所述频率编码部分进行编码和控制后产生频率伪随机的光脉冲注入信号，并输出至所述主谐振腔。

所述频率编码部分，用于基于伪随机信号对所述脉冲信号部分产生的脉冲信号的频率进行编码和控制；

2、所述主谐振腔，用于根据注入的伪随机注入信号产生重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲。

具体来说，所述主谐振腔包括：输入耦合器、锁模介质、增益介质、波长选择介质和输出耦合器；其中：

所述输入耦合器包括：用于接收所述信号注入单元输入的伪随机注入信号第一端口，用于接收输出耦合器输出信号的第二端口，以及用于将信号输出至所述锁模介质的第三端口；

所述锁模介质，一端与所述输入耦合器相连，另一端与所述增益介质相连；伪随机注入信号注入到主谐振腔内与锁模介质相互作用时，对主谐振腔内的损耗或者增益进行周期性调制，使得主谐振腔内频率间隔与外界注入重复频率相同的腔模起振，实现模式锁定。

所述增益介质，一端与所述锁模介质相连，另一端与所述波长选择介质相连，用于为腔内提供增益，使得腔内运转的脉冲得以保持；

所述波长选择介质，一端与所述增益介质相连，另一端与所述输出耦合器相连，用于选择运转锁模激光的中心波长，通过抑制其他波段而使所述锁模介质内的模式锁定；

所述输出耦合器包括：用于接收所述波长选择介质输出信号的第一端口，用于将信号输出至所述输入耦合器的第二端口，以及用于输出重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲的第三端口。

为了便于理解，下面结合具体示例对本发明做进一步的说明。

本示例中，采用了具体的元器件来实现前述信号注入单元和主谐振腔中各个部件所实现的功能。具体的如图2所示：

1、信号注入单元包括：连续激光器DFB1、偏振控制器PC2、调制器M3、信号发生器RF4、掺铒光纤放大器EDFA5、带通滤波器BPF6。该信号注入单元用于生成频率可控可变的注入光信号，更具体的说，是用于注入锁定主谐振腔锁模工作时输出超短脉冲激光脉冲序列的重复频率，实现脉冲激光重复频率伪随机变化。

其中，脉冲信号部分为依次连接的连续激光器DFB1、偏振控制器PC2、调制器M3、掺铒光纤放大器EDFA5、带通滤波器BPF6。连续激光器DFB1产生窄线宽的连续激光，经调制器M3调制后成调制信号，调制信号经过掺铒光纤放大器EDFA5放大后经带通滤波器BPF6注入到主谐振腔中。频率编码部分为信号发生器RF4，伪随机信号由特定算法实现并由信号发生器RF4输出，加载在调制器M3上产生所需的频率伪随机的光信号。

优选的，调制器M3可采用马赫-曾德尔调制器。马赫-曾德尔调制器将连续激光器DFB1产生的连续激光分两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。这两个光支路采用的材料的折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号在调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号转换成了光信号，实现了光强度的调制。

优选的，信号发生器RF4的输出波形采用正弦波形。

优选的，带通滤波器BPF6的中心波长与连续激光器DFB1的中心波长一致。

优选的，掺铒光纤放大器EDFA5的增益为30dB。

2、主谐振腔部分主要包括：注入耦合器Coupler1、高非线性光纤HNLF2、偏振控制器PC3、偏振相关隔离器PD-ISO4、半导体激光器PUMP5(泵浦光源)、波分复用器WDM6、掺铒光纤EDF7(增益介质)、带通滤波器BPF8(波长选择介质)和输出耦合器Coupler9。

其工作原理如下：半导体激光器PUMP5作为泵浦光源，与波分复用器WDM6连接，通过波分复用器WDM6向掺铒光纤EDF7提供泵浦光，为主谐振腔提供能量来源。通过半导体激光器PUMP5输出连续激光属于光激励方式，在没有外部注入脉冲时，主谐振腔内振荡光自由振荡，通过高非线性光纤HNLF2时偏振状态不会受外部光场影响而改变，调整偏振控制器PC3改变腔内振荡光的偏振状态，使其不能通过偏振相关隔离器PD-ISO4从而抑制锁模脉冲的产生，此时主谐振腔的输出是连续光。如果注入光脉冲(即，注入信号单元输出的注入光信号)以一定的光功率与腔内振荡光同时通过高非线性光纤HNLF2，由于高非线性光纤HNLF2的克尔效应，强的注入光信号会引起高非线性光纤HNLF2中的双折射变化从而改变主谐振腔内的振荡光波的偏振态，这样振荡光波通过偏振控制器PC3后，脉冲中央的高强度部分可以通过偏振相关隔离器PD-ISO4，实现整形和选模，从而在激光腔内形成振荡，并随后稳定输出锁模脉冲。因此，HNLF2、PC3和PD-ISO4共同起到了锁模介质的作用。

优选的，高非线性光纤HNLF2的非线性系数为10W^-1km^-1。

优选的，带通滤波器BPF8作为波长选择器，其带宽窄至1.5nm。

需要说明的是，上述示例中所例举的元器件仅为举例并非构成限制，在实际工作中，元器件的选用以及相应的参数可根据需求来设定，只要能实现上述功能即可。例如，当1060nm波段的激光脉冲被需要时，附腔内分布反馈激光器DFB1、调制器M3和带通滤波器BPF6都应被替换为1060nm波段的器件，掺铒光纤放大器EDFA5替换为掺镱光纤放大器YDFA，主谐振腔内的掺铒光纤EDF7替换为掺镱光纤YDA，其他器件都替换为1060nm波段的器件。输出耦合比根据不同条件也可以适当微调。另外，非线性介质也可以将高非线性光纤HNLF更替为半导体光放大器SOA、电吸收调制器EAM或者色散位移光纤DSF等其他非线性器件。

另一方面，还基于上述重复频率伪随机的锁模脉冲激光器进行了实验。将注入信号的频率分别设置为2.297MHz、9.187MHz、18.374MHz、36.747MHz、72.295MHz、146.989MHz、293.979MHz、587.957MHz、1.176GHz时，即在信号发生器端分别输入如上频率时，并不需要对主谐振腔做任何操作的情况下，主谐振腔可以输出相应重复频率的锁模脉冲，如图3-11锁模脉冲序列图所示。

本发明实施例提供的锁模脉冲激光器中，主谐振腔输出脉冲的重复频率可以和注入光信号的频率的变化实现即时性地一一对应，即在改变注入信号的频率过程中，不需要对主谐振腔做任何调节和变动，主谐振腔的输出脉冲的重复频率也会相应的得到改变，从而证明了如上所述的伪随机变化的可行性，只需在频率编码部分对所改变的频率进行伪随机组合即可。本发明实施例提供的激光器，是能够体现输出重复频率伪随机变化具有可行性的锁模光纤激光器，且本身具有不易受电磁波影响、易于操作、易于散热等优点，该锁模光纤激光器可用于激光精确制导系统的激光目标指示器，与现有的激光制导武器抗有源欺骗干扰措施相比，具有非周期性的编码特性，既能被我方方便识别，又能使敌方难以解码。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种重复频率伪随机的锁模脉冲激光器，其特征在于，包括：信号注入单元和主谐振腔；其中：

所述信号注入单元，用于产生频率可控可变的伪随机注入信号；

所述主谐振腔，用于根据注入的伪随机注入信号产生重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲，其包括：输入耦合器、锁模介质、增益介质、波长选择介质和输出耦合器；其中：

所述输入耦合器包括：用于接收所述信号注入单元输入的伪随机注入信号第一端口，用于接收输出耦合器输出信号的第二端口，以及用于将信号输出至所述锁模介质的第三端口；

所述锁模介质，一端与所述输入耦合器相连，另一端与所述增益介质相连；伪随机注入信号注入到主谐振腔内与锁模介质相互作用时，对主谐振腔内的损耗或者增益进行周期性调制，使得主谐振腔内频率间隔与外界注入重复频率相同的腔模起振，实现模式锁定；

所述增益介质，一端与所述锁模介质相连，另一端与所述波长选择介质相连，用于为腔内提供增益，使得腔内运转的脉冲得以保持；

所述波长选择介质，一端与所述增益介质相连，另一端与所述输出耦合器相连，用于选择运转锁模激光的中心波长，通过抑制其他波段而使锁模介质内的模式锁定；

所述输出耦合器包括：用于接收所述波长选择介质输出信号的第一端口，用于将信号输出至所述输入耦合器的第二端口，以及用于输出重复频率相应伪随机变化的锁模脉冲的第三端口。

2.根据权利要求1所述的锁模脉冲激光器，其特征在于，所述信号注入单元包括：相互连接的脉冲信号部分和频率编码部分；其中：

所述脉冲信号部分，用于产生脉冲信号，经由所述频率编码部分进行编码和控制后产生频率伪随机的光脉冲注入信号，并输出至所述主谐振腔；

所述频率编码部分，用于基于伪随机信号对所述脉冲信号部分产生的脉冲信号的频率进行编码和控制。