CN107687898A - 一种窄带激光脉冲光谱检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种窄带激光脉冲光谱检测装置及检测方法，本装置光纤耦合器将监测光分为两束，一束直接进入A光电探测器，另一束则经环形器被窄带光纤光栅反射再进入B光电探测器，比较器比较两个光电探测器的输入，直接判断窄带激光脉冲有否展宽。本方法先分别接入已知的光谱无展宽和有展宽的窄带激光脉冲，调节温度控制模块和分压电路，使比较器在光谱展宽的窄带激光脉冲输入下输出判断脉冲，在光谱无展宽状态下不输出判断脉冲，此后保持温度控制模块和分压电路的状态，接入待测的窄带激光脉冲，根据比较器输出的判断脉冲，确定其是否为有效展宽的窄带激光脉冲。本发明迅速准确判断窄带激光脉冲是否有效展宽，保证高功率激光系统的安全运行。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种窄带激光脉冲光谱检测装置及检测方法。
背景技术
受激布里渊散射(SBS)是单频激光脉冲系统常见的非线性效应，其过程可以描述为泵浦光、Stokes光通过声波进行的非线性相互作用，泵浦光通过电致伸缩效应产生声波，然后引起介质折射率周期性调制，即折射率光栅，移动的折射率光栅后向散射泵浦光，形成Stokes光。受激布里渊散射的存在不仅会制约激光脉冲功率的进一步提升，还会形成后向的高峰值功率尖峰脉冲，对系统光器件造成损伤，因此必须对受激布里渊散射SBS效应进行有效的抑制。目前，研究人员提出了几种抑制受激布里渊散射的方法，如优化设计具有高SBS阈值的光纤，在掺杂光纤上施加应力分布或温度分布，以及对单频激光进行相位调制、展宽光谱等方法。其中，对单频激光进行相位调制，实现光谱展宽的方法简单易行，被许多高功率激光系统所采用。
光谱展宽的激光可以避免受激布里渊散射SBS的影响，在激光系统的后级中进一步放大。如果单频激光没有进行有效地光谱展宽，而被注入到后级中，将会激发受激布里渊散射SBS，高功率的单频脉冲将造成系统光器件的巨大破坏损伤。为避免此种情况发生需要对激光的光谱展宽状态进行有效的检测与判定。通常使用相位调制器对单频激光进行光谱展宽，其展宽程度与调制频率和调制深度有关，常见的光谱展宽在0.1nm至0.3nm之间。为避免激光系统光器件受到SBS效应的损伤，针对如此窄的光谱展宽，虽然可以使用光谱仪进行光谱展宽测量，其检测精度高，但响应慢，并且对于多路激光，每路分别使用光谱仪检测不经济。故需要设计开发特殊有效的检测手段，且要求对窄带激光脉冲的光谱进行快速、简便且准确的检测。
发明内容
本发明的目的是设计一种窄带激光脉冲光谱检测装置，光纤耦合器将监测光分为两束，一束直接进入A光电探测器，另一束则经环形器被窄带光纤光栅反射再进入B光电探测器，比较器比较两个光电探测器的输入，直接判断窄带激光脉冲有否展宽。
本发明的另一目的是提供采用上述窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法，先分别接入已知的光谱无展宽的窄带激光脉冲和光谱有展宽的窄带激光脉冲，调节温度控制模块和分压电路，使比较器在光谱展宽的窄带激光脉冲输入下输出判断脉冲，在光谱无展宽状态下不输出判断脉冲，此后保持温度控制模块和分压电路的状态，接入待测的窄带激光脉冲，根据比较器输出的判断脉冲，确定其是否为有效展宽的窄带激光脉冲。
单频激光脉冲光谱展宽后状态明显变化，脉冲光谱宽度由数十kHz，展宽后为等于或大于0.1nm。使用窄带光纤光栅探测展宽光谱的边带；比较边带处光谱成分与脉冲总光谱成分，在无光谱展宽时，边带光谱成分占比近似为零，而有展宽时，边带光谱成分占比达到较大的比例，据此可实现光谱展宽状态的判断。
基于窄带激光脉冲光谱展宽后状态，本发明设计了一种窄带激光脉冲光谱检测装置，包括光纤耦合器、环形器、窄带光纤光栅和比较器各一个，高功率激光系统监测口经光纤连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的输出端一路经光纤连接A光电探测器，另一路经光纤连接到环形器的第一端口，环形器的第二端口经光纤与窄带光纤光栅相连接，环形器第三端口经光纤连接到B光电探测器；A光电探测器、B光电探测器输出的电信号分别连接A峰值保持电路、B峰值保持电路，A、B峰值保持电路输出电压分别接入比较器负、正输入端，比较器输出端输出判断电压。所述窄带光纤光栅放置于温度控制模块上，温度控制模块调节控制窄带光纤光栅的温度，从而控制其反射光谱的中心波长。
所述窄带光纤光栅中心波长调整为展宽脉冲光谱左或右侧的边带峰值与半峰值对应波长之间，反射光谱带宽小于或等于待检测光谱展宽的一半，可选地，窄带光纤光栅反射光谱带宽取为0.02nm～0.1nm。
所述的光纤耦合器实现监测光的分束，分束比优选为30/70～50/50，占比较大的光束接入环形器。
所述的温度控制模块的温度调节范围为10℃～40℃，温度控制精度＜0.5℃。所述温度控制模块与微处理器相连接。
优选地，分压电路主体为可调电阻，分压比可调节。
本发明一种窄带激光脉冲检测装置的检测方法如下：
所述光纤耦合器将输入激光分为两束，占比小的一束传输到A光电探测器，占比大的一束传输到环形器第一端口，从环形器第二端口输出到窄带光纤光栅，窄带光纤光栅的反射脉冲经环形器第二端口、从第三端口输出到B光电探测器。
输入A光电探测器的是待测激光脉冲的光束，其输出电压值反映激光脉冲的总光谱，故无论输入激光的光谱有无展宽，A光电探测器的输出电压保持不变。
而输入B光电探测器的是窄带光纤光栅反射其反射带宽内的激光脉冲，即只有其反射带宽内的光谱成分输入B光电探测器；窄带光纤光栅的中心波长对应于展宽光谱的边带位置；调谐窄带光纤光栅的中心波长即可改变窄带光纤光栅反射区域的位置，即改变对光谱有效展宽的判断范围。
在无光谱展宽时，窄带光纤光栅反射区域内光谱成分较少，故反射脉冲弱，在光谱展宽时，窄带光纤光栅反射区域内光谱成分较多，反射脉冲强。光谱展宽状态不同，B光电探测器对应输出电压不同。
比较器比较A、B光电探测器输入的电压，当比较器正输入端的电压大于负输入端的电压时，即B光电探测器输入的电压大于A光电探测器输入的电压时，比较器输出高电平，输出判断脉冲，表示输入的窄带激光脉冲为有效展宽；否则输出低电平，无判断脉冲输出。
本窄带激光脉冲检测装置的检测方法主要操作步骤如下：
步骤Ⅰ、光谱检测装置接入已知的中心波长为λ0，光谱有效展宽Δλ的激光脉冲，用光谱仪辅助，调节温度控制模块温度，使窄带光纤光栅中心波长为边带峰值与半峰值对应波长之间；
步骤Ⅱ、保持步骤Ⅰ温度控制模块的控制温度，光谱检测装置切换接入中心波长为λ0的单频激光脉冲和光谱展宽Δλ的激光脉冲，调整分压电路的分压比，使比较器在接入光谱展宽Δλ的激光脉冲状态下，输出判断脉冲，在接入单频激光脉冲状态下，无判断脉冲输出；
步骤Ⅲ、保持步骤Ⅰ调节所得的温度控制模块温度和步骤Ⅱ所得分压电路的分压比，光谱检测装置接入激光中心波长为λ0的待测脉冲激光，待测激光脉冲的光谱为单频脉冲或者为光谱展宽的激光脉冲；比较器输出判断脉冲时，即所接入的待测脉冲激光光谱展宽等于或大于Δλ；比较器无输出判断脉冲时，即所接入的待测脉冲激光为单频激光脉冲或者光谱展宽小于Δλ的脉冲激光；重复步骤Ⅲ，至完成所有待测脉冲激光的检测。
所述Δλ等于或大于0.1nm。
与现有技术相比，本发明的一种窄带激光脉冲检测装置及检测方法的优点是：1、迅速准确判断窄带激光脉冲是否有效展宽，并可与保护电路共用实现安全连锁，以保证高功率激光系统的安全运行，避免光器件的损伤；2、采用分束的两路激光相比较进行判断，可避免激光强度变化带来的影响；3、采用温度控制模块精确调谐窄带光纤光栅的反射光谱中心波长，提高了检测装置的测量精度和适用范围；4、结构简单，使用方便，可长时间稳定工作。
附图说明
图1为本窄带激光脉冲检测装置实施例结构示意图；
图2为本窄带激光脉冲检测装置的检测方法实施例流程示意图；
图3为本窄带激光脉冲检测装置的检测方法实施例中展宽光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
窄带激光脉冲光谱检测装置实施例
本窄带激光脉冲光谱检测装置实施例整体结构如图1所示，图1虚线连线表示光纤连接的光路，实线连线表示信号线连接的电路；包括光纤耦合器、环形器、窄带光纤光栅和比较器各一个，高功率激光系统监测口经光纤连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的输出端一路经光纤连接A光电探测器，另一路经光纤连接到环形器的第一端口，环形器的第二端口经光纤与窄带光纤光栅相连接，环形器第三端口经光纤连接到B光电探测器；A光电探测器、B光电探测器输出的电信号分别连接A峰值保持电路、B峰值保持电路，A、B峰值保持电路输出电压分别接入比较器负、正输入端，比较器输出端输出判断电压；所述窄带光纤光栅放置于温度控制模块上。
本例窄带光纤光栅中心波长调整为展宽脉冲光谱左或右侧的边带峰值与半峰值对应波长之间，反射光谱带宽小于或等于待检测光谱展宽的一半。
本例窄带光纤光栅反射光谱带宽为0.05nm，其中心波长随温度控制模块的温度调谐而改变。
本例的光纤耦合器对监测光的分束，分束比为50/50。
本例的温度控制模块的温度调节范围为10℃～40℃，温度控制精度＜0.5℃；所述温度控制模块与微处理器相连接。
本例分压电路主体为可调电阻。
本例的光电探测器为PIN光电二极管。
窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法实施例
本窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法实施例在上述窄带激光脉冲光谱检测装置实施例接入的单频脉冲激光中心波长为1053nm、脉冲宽度4ns，接入的光谱展宽的脉冲激光中心波长为1053nm、光谱展宽后宽度可达0.15nm。调整调节温度控制模块的温度，使置于温度控制模块上的光纤光栅的中心波长处于激光脉冲的展宽光谱的边带处。调整分压电路的分压比，使比较器在本装置输入光谱展宽的脉冲激光时输出判断脉冲，本装置输入光谱无展宽的脉冲激光时，无判断脉冲输出。本发明准确快速判断光谱展宽状态，长时工作稳定。
本窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法实施例流程如图2所示，主要操作步骤如下：
步骤Ⅰ、光谱检测装置接入已知的中心波长为λ0＝1053nm，光谱有效展宽Δλ达0.15nm。的激光脉冲，用光谱仪辅助，调节温度控制模块温度，使窄带光纤光栅中心波长为边带峰值与半峰值对应波长之间；如图3所示；
步骤Ⅱ、保持步骤Ⅰ温度控制模块的控制温度，光谱检测装置切换接入中心波长为λ0＝1053nm、脉冲宽度4ns的单频激光脉冲和光谱展宽Δλ达0.15nm的激光脉冲，调整分压电路的分压比，使比较器在接入光谱展宽Δλ的激光脉冲状态下，输出判断脉冲，在接入单频激光脉冲状态下，无判断脉冲输出；
步骤Ⅲ、保持步骤Ⅰ调节所得的温度控制模块温度和步骤Ⅱ所得分压电路的分压比，光谱检测装置接入激光中心波长为λ0的待测脉冲激光，待测激光脉冲的光谱为单频脉冲或者为光谱展宽的激光脉冲；比较器输出判断脉冲时，即所接入的待测脉冲激光光谱展宽等于或大于Δλ；比较器无输出判断脉冲时，即所接入的待测脉冲激光为单频激光脉冲或者光谱展宽小于Δλ的脉冲激光；重复步骤Ⅲ，至完成所有待测脉冲激光的检测。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种窄带激光脉冲光谱检测装置，包括光纤耦合器、环形器、窄带光纤光栅和比较器各一个，其特征在于：
高功率激光系统监测口经光纤连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的输出端一路经光纤连接A光电探测器，另一路经光纤连接到环形器的第一端口，环形器的第二端口经光纤与窄带光纤光栅相连接，环形器第三端口经光纤连接到B光电探测器；A光电探测器、B光电探测器输出的电信号分别连接A峰值保持电路、B峰值保持电路，A、B峰值保持电路输出电压分别接入比较器负、正输入端，比较器输出端输出判断电压；所述窄带光纤光栅放置于温度控制模块上。
2.根据权利要求1所述的窄带激光脉冲光谱检测装置，其特征在于：
所述窄带光纤光栅中心波长调整为展宽脉冲光谱左或右侧的边带峰值与半峰值对应波长之间，反射光谱带宽小于或等于待检测光谱展宽的一半。
3.根据权利要求2所述的窄带激光脉冲光谱检测装置，其特征在于：
所述窄带光纤光栅反射光谱带宽取为0.02nm～0.1nm。
4.根据权利要求1所述的窄带激光脉冲光谱检测装置，其特征在于：
所述的光纤耦合器对监测光的分束，分束比为30/70～50/50，占比较大的光束接入环形器。
5.根据权利要求1所述的窄带激光脉冲光谱检测装置，其特征在于：
所述的温度控制模块的温度调节范围为10℃～40℃，温度控制精度＜0.5℃；所述温度控制模块与微处理器相连接。
6.根据权利要求1所述的窄带激光脉冲光谱检测装置，其特征在于：
所述分压电路主体为可调电阻。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法，其特征在于：
所述光纤耦合器将输入激光分为两束，占比小的一束传输到A光电探测器，占比大的一束传输到环形器第一端口，从环形器第二端口输出到窄带光纤光栅，窄带光纤光栅的反射脉冲经环形器第二端口、从第三端口输出到B光电探测器；
输入A光电探测器的是待测激光脉冲的光束，其输出电压值反映激光脉冲的总光谱；输入B光电探测器的是窄带光纤光栅反射其反射带宽内的激光脉冲，即只有其反射带宽内的光谱成分输入B光电探测器；窄带光纤光栅的中心波长对应于展宽光谱的边带位置；
比较器比较A、B光电探测器输入的电压，当比较器正输入端的电压大于负输入端的电压时，即B光电探测器输入的电压大于A光电探测器输入的电压时，比较器输出高电平，输出判断脉冲，表示输入的窄带激光脉冲为有效展宽；否则输出低电平，无判断脉冲输出。
8.根据权利要求7所述的窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法，其特征在于主要操作步骤如下：
步骤Ⅰ、光谱检测装置接入已知的中心波长为λ0，光谱有效展宽Δλ的激光脉冲，用光谱仪辅助，调节温度控制模块温度，使窄带光纤光栅中心波长为边带峰值与半峰值对应波长之间；
步骤Ⅱ、保持步骤Ⅰ温度控制模块的控制温度，光谱检测装置切换接入中心波长为λ0的单频激光脉冲和光谱展宽Δλ的激光脉冲，调整分压电路的分压比，使比较器在接入光谱展宽Δλ的激光脉冲状态下，输出判断脉冲，在接入单频激光脉冲状态下，无判断脉冲输出；
步骤Ⅲ、保持步骤Ⅰ调节所得的温度控制模块温度和步骤Ⅱ所得分压电路的分压比，光谱检测装置接入激光中心波长为λ0的待测脉冲激光，待测激光脉冲的光谱为单频脉冲或者为光谱展宽的激光脉冲；比较器输出判断脉冲时，即所接入的待测脉冲激光光谱展宽等于或大于Δλ；比较器无输出判断脉冲时，即所接入的待测脉冲激光为单频激光脉冲或者光谱展宽小于Δλ的脉冲激光；重复步骤Ⅲ，至完成所有待测脉冲激光的检测。
9.根据权利要求8所述的窄带激光脉冲光谱检测装置的检测方法，其特征在于：
所述Δλ等于或大于0.1nm。
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