CN1057927A - 激光振荡放大链同步自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子和激光技术领域的一种激光振 荡放大链同步自动控制装置，由一台脉冲激光振荡器 和多台脉冲激光放大器组成的激光振荡放大链采用 闭环的光电控制回路，经计算机判断后输出电压信号 控制压控可变延时触发器，触发信号驱动激光放大器 电源，连续地脉冲信号反馈，致使激光振荡放大链工 作于最佳状态。本发明的装置具有很强的抗电磁干 扰能力，具有计算机自动化运行，节省人力，同步控制 精度高的优点。

Description

本发明属于电子和激光技术领域。

为了获得强激光输出，激光工程中经常使用由一台激光振荡器和多台激光放大器组成的振荡放大链。对于激光分离同位素技术，需要有很强的铜蒸气激光器作为可调谐染料激光的泵浦源，这个强的泵浦必须采用振荡放大链的结构才能满足要求。要实现由多台激光器组成的振荡放大链的关键技术之一是同步自动控制技术。已有技术：

1、欧洲专利EP0060033涉及了将一台激光器的输出注入于另一台激光器，以提高其静态和动态输出特性，如图1所示，该装置的光源包括了两个半导体激光器1、2，作为激光振荡器的激光器1输出的激光注入激光器2，激光器2输出为单纵模的低频信号，相敏检波器8为激光器2提供反馈信号，使这两个激光器的腔模自动调准，这项技术虽然解决了当环境温度或者激光器件热阻抗变化时不影响单模激光输出的问题，但它只适用于低功率单纵模连续激光器，不能用于高功率激光输出。

2、美国专利4.611.270涉及了控制脉冲激光器输出功率的方法，如图2所示。这项专利技术是用闭环控制的方法控制一台气体激光器的输出总能量，它不适用于控制多台激光器同步地运行。

3、美国专利4.768.198涉及了控制光刻中脉冲激光输出能量的系统。如图3所示。它采用闭环控制系统控制其激光器的输出脉冲数量从而控制其激光器的总输出能量。它不适用于多台激光器同步运行的装置。

4、文件DT2648-224涉及的技术是产生高重复频率激光脉冲的方法，这种方法不适用实现多台激光器同步运行的装置。

综上所述四项专利发明技术均不适用于高功率脉冲激光振荡放大链的同步控制装置。

本发明的目的是发明一种适用于高功率脉冲激光振荡放大链的同步控制装置，既具有抗强电磁干扰能力，又能够自动补偿由于温度，气体压力等因素变化引起激光输出延迟时间的漂移，以保证激光振荡放大链的最佳工作状态。

本发明的激光振荡放大链是由一台脉冲激光振荡器和N台，（N≥1）脉冲激光放大器组成。

本发明采用闭环的光电控制回路。如图4所示。

脉冲信号发生器通过固定延时器驱动脉冲激光振荡器，电源对激光振荡器供电，同时通过压控可变延时触发器驱动脉冲激光放大器电源对脉冲激光放大器供电，使这两台激光器同一时刻产生激光脉冲。脉冲激光振荡器输出的激光注入脉冲激光放大器，脉冲激光放大器产生的激光被取样分光镜取出1%至5%部分激光通过光电转换器变成电信号，其余95%～99%的激光经过激光输出路径输出。光电转换器输出的脉冲电信号经过积分放大器A放大后，驱动发光二极管A变成光信号，再通过输入光纤送入电磁屏蔽室内，由光电二极管A变回电信号，经放大器A放大后送入计算机作最佳延迟时间判别，并将判断的结果以模拟电压形式输出，经积分放大器B放大后，驱动发光二极管B变成光信号，再通过输出光纤送到电磁屏蔽室外的光电二极管B变成电信号，再经过放大器B放大后送入压控可变延时触发器，压控可变延时触发器输出的脉冲信号驱动激光放大器的电源，从而完成一次闭合循环。

压控可变延时触发器输出的脉冲信号相对于脉冲信号发生器有一延时量，其延时量的大小取决于由计算机给出的经放大器B放大后输出的控制电压，因此计算机可以连续变化其输出模拟电压以调整激光放大器的激发时间。

上述完成一次闭合循环后再反馈，第二次再将激光放大器的输出的部分激光送入计算机，经计算机判断比对，检查其调整效果，经过几次不断地比对和调整，最后稳定在激光放大器输出最高激光功率的位置上，也是激光振荡放大链工作的最佳状态，这就实现了同步自动控制的目的。

上面所说的压控可变延时触发器设有“手动”和“压控”两种工作方式。使用“手动”方式，通过旋转电位器可以调整延时，使激光放大器获得最高输出功率，从而达到同步的目的。“压控”的工作方式则在同步自动控制操作中使用，延时量的大小由直流电压控制，此直流电压即是由计算机输出的电压信号经过放大器给出的。

为了有效地排除来自激光电源和激光器的高功率窄脉冲的电磁干扰，除了将对电磁波非常敏感的计算机，光电二极管、放大器，积分放大器置于电磁屏蔽室内，以及将装置的各单元器件进行良好地接地外，送进电磁屏蔽室的信号和从电磁屏蔽室输出的信号均变成光信号通过光纤传输，从而有效地防止了干扰信号进入电磁屏蔽室。除此之外，在放大器A和放大器B，积分放大器A和B，以及压控可变延时触发器内均装有高频滤波网络，有效地抑制了电磁波的干扰。此高频滤波网络通常由运算放大器和电容器等元器件组成的有源电路，如图5所示。

为了提高同步自动控制的精度，光电转换器的选择应根据激光振荡放大链输出的激光波长而定。例如：对于激光振荡放大链输出紫外波段激光而言，光电转换器应该选择光电倍增管;对于可见波段的激光，应该选用硅光电池或者光电二极管;对于红外波段的激光，光电转换器则应该选用pbs探测器或者热释电探测器。

计算机时时对各路激光振荡放大链的激光输出进行微调控制，因此计算机的调节步长应该选择得恰当。选取计算机的调节步长应该根据：1、被控制的激光振荡放大链输出激光脉冲的宽度;2、要求调节延迟时间的动态范围;3、激光振荡放大链输出激光功率的波动情况。当被控制的激光振荡放大链输出激光脉冲宽度较短，或者要求调节延迟时间的动态范围较小，或者激光振荡放大链输出功率波动较小时，计算机的调节步长适宜选取短的，否则步长加长影响控制精度。例如：当被控制的激光振荡放大链输出的激光脉冲宽度为20～30毫微秒，调节延迟时间的动态范围为300毫微秒，输出的激光功率波动为3%～5%，计算机的数模转换器的位数为八位数时，其计算机的调节步长适宜选取1～2毫微秒。

激光振荡放大链中的各级脉冲激光放大器均可用上述方法构成闭环的光电控制回路，实现与激光振荡器同步。由于计算机对每台脉冲激光放大器调整同步的时间比起延时慢漂移要短得多，所以一台计算机可以供多路激光振荡放大链使用。当一台计算机对多路激光振荡放大链进行同步循回控制与调节时，其循回周期最好不超过1分钟。除计算机公用外，N台脉冲激光放大器就有N个闭环光电控制回路，回路中所用单元器件均为N台。

本发明的同步自动控制装置的优点：

1、对综合性的大型激光振荡放大链系统采取自动的同步控制装置，大大减少了运行人员通过手调控制同步之苦，减少了人力。

2、采用计算机随时调节和控制，控制的精度要比手调高，时时控制激光放大链工作于最佳状态。

3、本发明的同步自动控制装置由于采取了上述抗电磁波干扰的措施，使它具有很强的抗电磁干扰的能力，可以在强电磁辐射源附近正常地运行。

4、本发明的同步自动控制装置可以用于输出任意波长的激光振荡放大链。

5、本发明的同步自动控制装置是由多件单机组成，单机可以互换，维修方便，使用灵活。

附图说明：

图1为欧洲专利EP0060033系统方框图。

图中，1——半导体激光振荡器，    2——半导体激光调制器

3——功率与波长控制电路          4——波长检测器

5——珀耳贴元件1                 6——温度和偏置调谐电路

7——珀耳贴元件2                 8——相敏检波器

9——光电二极管ep                10－分光镜ep

11——低频发生电路               12——导线1

图2美国专利4.611.270系统方框图。

图中：14-气体脉冲发生器  15-输出激光Ⅱ

16-分光板  17-小部分激光信号

18-光检测器us1  19-大部分激光输出

20-放大器us1  21-平均电路

22-比较电路  23-高压电源

24-脉冲形成网络  25-参考源

图3，美国专利4.768.198系统方框图

图中：26-脉冲发生器  27-激光器

28-分光镜  29-漫射板

30-光检测器us2  31-取样保持电路

32-积分器  33-比较器

34-参考电压发生器  35-与非门

36-触发电路  37-激光器电源

38-延迟电路  39-外部复位引出端

图4为本发明的激光振荡放大链同步自动控制装置的方框图。

图中：

40-脉冲激光振荡器  41-脉冲激光振荡器的输出激光束

42-脉冲激光放大器  43-脉冲激光放大器的输出激光束

44-激光输出路径  45-取样分光镜

46-光电转换器  47-积分放大器A

48-发光二极管A  49-输入光纤

50-光电二极管A  51-放大器A

52-计算机  53-积分放大器B

54-发光二极管B  55-输出光纤

56-光电二极管B  57-放大器B

58压控可变延时触发器  59-脉冲激光放大器电源

60-脉冲信号发生器  61-固定延时触发器

62-脉冲激光振荡器电源  63-电磁屏蔽室

图5装于放大器和压控可变延时触发器上的高频滤波网络。

图中64-高频滤波网络。

图6由一台铜蒸气激光振荡器和五台铜蒸气激光放大器组成的激光振荡放大链同步自动控制方框图。

最佳实施例：

如图6所示，脉冲激光振荡放大链是由一台铜蒸气脉冲激光振荡器和五台（N＝5）铜蒸气脉冲激光放大器组成。

脉冲铜蒸气激光振荡放大链输出激光波长511毫微米，光电转换器选用硅光电池。

取样分光镜的反射率小于5%。

因为脉冲铜蒸气激光放大器有五台，即N＝5，除了计算机是五台共用外，从取样分光镜直到压控可变延时触发器所有单元器件均是五台，如五台取样分光镜45-1，45-2，45-3，45-4，45-5;五台光电转换器，46-1，46-2，46-3，46-4，46-5;五台积分放大器A47-1，47-2，47-3，47-4，47-5，…五台压控可变延时触发器58-1，58-2，58-3，58-4，58-5，它们输出触发信号分别驱动五台脉冲激光放大器电源59-1，59-2，59-3，59-4，59-5。上述的同步自动控制装置，在周围有240伏/米的高频电场强度时：实测结果是：

1、自动调节延迟时间范围是300毫微秒。

2、调节精度（调节步长）1～2毫微秒;

3、同步自动控制得到的激光振荡放大链的输出功率大于以调节的激光振荡放大链的输出功率。

4、连续稳定运行时间大于8小时。

从上述实测结果看出，本发明的装置具有节省人力，控制精度高，因为随时跟踪，自动调节，始终使脉冲激光振荡放大链工作在最佳工作状态，所以放大链激光输出功率高。

Claims (8)

1、一种属于电子和激光技术领域的激光振荡放大链同步自动控制装置，由脉冲激光振荡器和脉冲激光放大器所组成的激光振荡放大链，其同步控制有延时触发器和脉冲信号发生器，其特征在于由一台脉冲激光振荡器和N台(N≥1)脉冲激光放大器组成的激光振荡放大链是采用闭环光电控制回路，经过取样分光镜取出激光放大器输出的部分激光，通过光电转换器，积分放大器。发光二极管。输入光纤、光电二极管和放大器，进入计算机、计算机将判断结果的模拟电压信号送出，再依次经过积分放大器、发光二极管、输出光纤、光电二极管、放大器和压控可变延时触发器，其触发信号驱动激光放大器的电源、从而完成一次闭合循环。

2、根据权利要求1所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于压控可变延时触发器连续输出的脉冲信号相对脉冲信号发生器有一延时量，其延时量的大小取决于计算机输出的控制电压。

3、根据权利要求1所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于闭环光电控制回路中自输入光纤，光电二极管、放大器、计算机和积分放大器至输出光纤所有的器件置于电磁屏蔽室内。

4、根据权利要求1所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于积分放大器、放大器和压控可变延时触发器均装有高频滤波网络。

5、根据权利要求1所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于压控可变延时触发器设有通过旋转电位器调整延时的“手控”和供同步自动控制操作中使用的“压控”两种工作方式。

6、根据权利要求1所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于取样分光镜只取出激光放大器输出的1%～5%激光送给光电转换器。

7、根据权利要求1或6所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于光电转换器随其激光振荡放大链输出的激光波长而定，可以是紫外波段的光电倍增管，或者是可见波段的硅光电池，或者是红外波段的热释电探测器。

8、根据权利要求1或2、3、4、5、6所述的一种激光振荡放大链同步自动控制装置，其特征在于除计算机公用外，激光振荡放大链中有N台激光放大器就有N个闭环光电控制回路，N个闭环光电控制回路中的单元器件也为N个。

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