CN107093837A - 一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置，该装置中，采用光纤将第一耦合器、光纤声光斩波器、可调光纤和第二耦合器串联并接回第一耦合器，形成环形反馈腔；周期波形信号发生设备和射频信号源连接光纤声光斩波器，连续激光器通过第一耦合器接入环形反馈腔，第二耦合器的其中一个输出端引出射频调制脉冲激光；通过联合调节可调光纤的长度和周期波形信号发生设备所产生周期波形的周期，使得光在环形反馈腔中的传播时间与n倍的周期相等。本装置能够产生射频调制脉冲激光，装置结构简单，便于应用，而且采用光纤器件，可靠性、稳定性以及体积方面具有一定的优势。

Description

一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置
技术领域
本发明涉及光电子及微波光子学技术，特别是涉及一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置。
背景技术
光载微波激光雷达是指利用微波调制的激光作为探测载波，对目标进行测距、测速和其他特性探测的一种激光雷达。与传统的激光雷达、微波雷达不同，其以激光作为探测载波，具有激光雷达空间分辨率高的特点，同时又利用微波信号进行探测，具有微波雷达较强的抗大气扰动的能力，是一种结合了激光雷达和微波雷达各自优点，又在一定程度上克服了二者不足的一种新型激光雷达，具有广泛的应用前景。在光载微波激光雷达系统中，激光源作为其中的核心部件，它在一定程度上决定了雷达的工作模式、作用距离、探测精度等。
光载微波激光分为脉冲体制和连续体制。
对于脉冲激光，由于其发射功率大，广泛的应用于远距离目标的激光探测。但受限于单脉冲工作体制，脉冲上升沿的宽度直接决定了探测精度，精度要求越高，其脉冲上升沿就要求较窄，但是这对后端的脉冲激光放大、回波接收等都提出了较高的要求。
连续激光经过调制后也常作为激光雷达发射机进行目标探测，但受限于激光发射功率，探测距离通常较短。
为了克服脉冲和连续激光雷达体制的不足，同时又兼顾各自的优点，一些学者提出采用脉冲内调制射频(或微波信号)，即利用脉冲激光高峰值功率特性以及射频信号高精度探测的特点。当前，研究主要集中在如何产生射频调制的脉冲激光，国内外也有一些成果，如利用双频脉冲激光产生脉内调制和对脉冲激光进行强度调制等。与本方案相比，1)双频脉冲激光利用可饱和吸收体以及偏振态调谐等方式产生，结构复杂，稳定性较差；2)强度调制脉冲激光结构简单，但是存在调制深度较低，且暂时难以调节的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光的产生装置，结构简单，便于应用，而且采用光纤器件，可靠性、稳定性以及体积方面具有一定的优势。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置，包括：连续激光器、第一耦合器、可调光纤、光纤声光斩波器、射频信号源、周期波形信号发生设备和第二耦合器；
采用光纤将第一耦合器、光纤声光斩波器、可调光纤和第二耦合器串联并接回第一耦合器，形成环形反馈腔；周期波形信号发生设备和射频信号源连接光纤声光斩波器，连续激光器通过第一耦合器接入环形反馈腔，第二耦合器的其中一个输出端引出射频调制脉冲激光；
周期波形信号发生设备所产生波形的周期用于控制所述射频调制脉冲激光的周期Trep；
射频信号源所产生射频信号的频率用于控制所述射频调制脉冲激光的脉冲内射频频率；
通过联合调节可调光纤的长度和周期波形信号发生设备所产生周期波形的周期，使得光在环形反馈腔中的传播时间与n倍的周期Trep相等；n为大于或等于1的正整数。
优选地，进一步包括接入环形反馈腔的光纤放大器。
优选地，通过调节光纤放大器的输出功率，调节射频调制脉冲激光的调制深度。
优选地，通过微调周期Trep实现射频调制脉冲激光前沿或后延的局部调制。
优选地，所述可调光纤至少为一个。
优选地，所述周期波形信号发生设备采用任意波形发生器。
有益效果：
本发明提出的基于频移反馈环路以及声光斩波器的强度调制&频率调制特性，实现了脉冲内的射频调制；同时在环路中引入光纤放大器，可以实现不同调制深度的调节，具有以下特点：1)结构简单，便于应用；2)用全光纤器件，可靠性、稳定性以及体积方面具有一定的优势；3)通过改变光纤放大器的输出功率可以实现射频调制深度的连续可调。
附图说明
图1为基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置的组成示意图。
图2为采用本发明产生的射频调制脉冲及其局部图，以及产生该脉冲所使用的声光斩波器触发信号图。
图3为通过改变光纤放大器的输出功率使得调制深度η逐渐增大的情况。
图4为微调斩波周期实现脉冲前沿或后沿的多样性射频调制的示意图。
其中，1-连续激光器；2-2×1耦合器；3-光纤放大器；4-可调光纤；5-光纤声光斩波器；6-任意波形发生器；7-射频信号源；8-1×2耦合器；9-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生方案，利用声光斩波器的强度&频率调制特性，调制脉冲激光，通过精确控制斩波周期和频移反馈环路的长度，使得脉冲激光反复通过声光斩波器，进而获得脉内射频调制的脉冲激光。该方案涉及的均是标准化光纤器件，实现方便。
同时，在反馈环路中加入光纤放大器，通过改变光纤放大器的输出功率可以实现射频信号调制深度的调节。
图1为本发明实施例的基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置的组成框图。如图1所示，该装置包括连续激光器1、第一耦合器2、光纤放大器3、可调光纤4、光纤声光斩波器5、射频信号源7、周期波形产生设备6和第二耦合器8。其中，第一耦合器2为2×1耦合器，第二耦合器为1×2耦合器，周期波形产生设备6采用任意波形发生器。
本实施例中，连续激光器1连接2×1耦合器2的一个输入端，2×1耦合器2的另外一个输入端和自身的输出端通过光纤连接构成一个环形反馈腔。在环形反馈腔中，接入光纤放大器3、可调光纤4、光纤声光斩波器5和1×2耦合器8。
其中，光纤放大器3的接入位置没有严格要求，如果接入位置在光纤声光斩波器5输入端之前，则需要采用适合混合光的光纤放大器3；如果接入位置在光纤声光斩波器5输出端之后，则需要采用适合脉冲光的光纤放大器3。而且，如果不需要功率放大或者射频调制深度可调功能，也可以不使用光纤放大器3。
此外，可调光纤4的接入位置也没有严格要求，可以分为一段或多段接入。
图1中为了对产生激光进行观察，在1×2耦合器8的射频调制脉冲激光输出端连接了光电探测器9。
该装置的工作原理为：
连续激光通过2×1耦合器的一个输入端口进入频移反馈环路中，经光纤放大器、可调光纤延时后通过光纤声光斩波器。光纤声光斩波器外接任意波形发生器和射频信号源。任意波形发生器产生周期信号作为声光斩波器的触发信号，光纤声光斩波器通过感应触发信号的上升沿来实现激光通过或阻断效应。当上升沿到来时，连续激光通过声光晶体，实现了激光从连续到脉冲的强度调制。例如，任意波形发生器可以为声光斩波器提供方波信号。当加载到声光斩波器上的方波信号周期为Trep时，光纤声光斩波器产生重复频率为1/Trep的移频激光脉冲。激光经过声光斩波器后其频率发生变化，声光频移量为加载到声光斩波器的射频信号源的射频信号频率。产生的移频脉冲激光通过1×2耦合器分为两束，其中一束连接2×1耦合器的另一输入端，再次进入环路中，另一束通过光电探测器输出电信号观察。
通过引入光纤延迟，控制脉冲激光在环形腔内的传输时间等于触发信号的周期Trep或者是Trep的倍数，如果单独光纤延迟量不好控制，还可以联合调节可调光纤6的长度和任意波形发生器6所产生波形的周期，实现传输时间与Trep的匹配；通过匹配，之前被调制的脉冲激光经光纤环路延迟后会被再次调制，即同一调制脉冲会多次通过光纤声光斩波器，使得激光频率得到多次调制，产生内含有多阶射频谐波的调制脉冲。射频信号源的频率为ωi，则光电探测器输出的脉冲内含有射频信号(ωi、2ωi、3ωi、…、nωi)，最高阶的谐波由环路的损耗以及光纤放大器的增益决定，降低损耗或者提高放大器增益都可以提高谐波阶次(提高最高阶频率)，同时产生的射频调制脉冲激光的脉宽由声光斩波器内的开关电路决定，通常在ns量级。
图2示出了采用该方案产生的射频调制脉冲，基本参数为：种子激光功率10mW；触发信号为方波，周期49.135us；调制频率100MHz；光纤长度标称10km；斩波器产生的脉冲宽度110ns；放大器输出功率80mW。则图2中的(a)为声光斩波器触发信号，(b)为射频调制脉冲激光；(c)为射频调制脉冲激光局部放大图。
通过改变光纤放大器的输出功率可以实现射频信号调制深度的调节，图3为通过改变光纤放大器的输出功率使得调制深度η逐渐增大的情况。
在另一实施例中，可以微调斩波周期使得触发周期不等于激光在环路中的传输时间，可以实现脉冲前沿或后沿的多样性局部调制。如图4所示，可以实现前沿或后沿的单独调制，调制位置也可以通过调制而改变。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种基于频移反馈环路的射频调制脉冲激光产生装置，其特征在于，包括：连续激光器(1)、第一耦合器(2)、可调光纤(4)、光纤声光斩波器(5)、射频信号源(7)、周期波形信号发生设备(6)和第二耦合器(8)；
采用光纤将第一耦合器(2)、光纤声光斩波器(5)、可调光纤(4)和第二耦合器(9)串联并接回第一耦合器，形成环形反馈腔；周期波形信号发生设备(6)和射频信号源(7)连接光纤声光斩波器(5)，连续激光器(1)通过第一耦合器(2)接入环形反馈腔，第二耦合器(8)的其中一个输出端引出射频调制脉冲激光；
周期波形信号发生设备(6)所产生波形的周期用于控制所述射频调制脉冲激光的周期Trep；
射频信号源(7)所产生射频信号的频率用于控制所述射频调制脉冲激光的脉冲内射频频率；
通过联合调节可调光纤(4)的长度和周期波形信号发生设备(6)所产生周期波形的周期，使得光在环形反馈腔中的传播时间与n倍的周期Trep相等；n为大于或等于1的正整数。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括接入环形反馈腔的光纤放大器(3)，根据接入位置选择合适类型的光纤放大器。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，通过调节光纤放大器(3)的输出功率，调节射频调制脉冲激光的调制深度。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过微调周期Trep实现射频调制脉冲激光前沿或后延的局部调制。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可调光纤(4)至少为一个。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周期波形信号发生设备(6)采用任意波形发生器。
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