CN108037096B - 一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置及检测方法，属于激光设备技术领域，所述光谱检测装置包括沿着激光信号传输方向通过光纤连接的光纤分束器、第一光纤环形器和第二光纤环形器、第一光纤光栅和第二光纤光栅、第一光电转换单元和第二光电转换单元，还包括分压电路、高速比较器和信号产生器温度控制模块，和温度控制模块。本发明采用温度控制模块热调谐两只窄带光纤光栅的方法实现相位调制激光脉冲的间接光谱检测，有效地排除激光能量、脉冲宽度等因素对检测结果的干扰，实现了高准确性检测，同时热调谐光纤光栅的外界环境温度可实现不同光谱展宽状态的辨别，应用范围拓展，操作简单方便。

Description

一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，具体涉及一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置及检测方法。
背景技术
大型高功率激光装置通常采用波导相位调制技术实现小宽带光源的产生，以满足装置抑制大口径光学元件SBS效应和光谱色散匀滑的需求，如美国的NIF激光装置，法国的LMJ激光装置以及中国的神光系列激光装置。在装置运行过程中，如果单纵模激光脉冲经相位调制展宽到大于抑制SBS效应所需的带宽，激光在后续系统传输则是安全的，如果未发生展宽或者展宽量较小，则不能有效抑制SBS效应，对大口径光学元件可能会造成很大的损伤。因此，为了确保装置运行的安全性，需要在对激光脉冲信号进行光谱检测，用以判断确认单纵模激光脉冲是否经相位调制被展宽到系统规定的光谱带宽。
根据Peter J.W，Mark W.B，Gaylen V.E，et al.NIF injection lasersystem.Proc.SPIE，5341：146–155，2004，美国NIF激光装置的研究人员采用基于单个窄带布拉格光纤光栅的光谱检测装置直接对相位调制激光脉冲的光谱信息进行检测、判断。类似的，根据Jolly A，Gleyze J F，Penninckx D，et al.Fiber lasers integration forLMJ[J].C.R.Phys，2006，7(2)：，198－212，法国LMJ激光装置的研究人员也采用基于单个窄带布拉格光纤光栅的光谱检测装置实现对相位调制激光脉冲的光谱检测。这种基于单光纤光栅的直接光谱检测装置对激光脉冲的能量、脉冲宽度、光谱调制形状的适用性较差，检测过程与激光信号的能量相关，容易受到激光信号中ASE的影响。此外，由于窄带光纤光栅非常精密敏感，容易受到环境温度等因素的影响，在实际使用中，基于单光纤光栅的直接光谱检测装置容易出错，产生错误判断。根据Patrick K.R，Darrel lJ.A，Jens S，etal.Injection of a PhaseModulated Source into the Z－Beamlet Laser forIncreased Energy Extraction.Sand2014－20011，美国ZBL装置的研究人员采用一种基于光学外差探测技术的光谱检测装置实现了对相位调制激光脉冲的光谱检测，这种装置的单元模块构成较多，结构复杂，成本较高，同时由于需要调节的参量较多，不利于大型激光装置的运行维护。
发明内容
针对现有技术的种种不足，本申请提供了一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置及检测方法，通过采用两只窄带光纤光栅，并使用温度控制模块分别热调谐两只窄带光纤光栅的中心反射波长，使第一光纤光栅的中心反射波长处于激光信号的中心波长附近，使第二光纤光栅的中心反射波长处于激光信号的边带处，所述的两只光纤光栅反射选定不同光谱成分的激光信号。将所述激光信号进行光电转换处理后比较两路电信号的幅度大小，然后根据比较结果输出检测判断信号，实现信号光谱的检测。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，沿着激光信号传输方向通过光纤连接有用以将激光信号源1发出的激光信号按比例分成两束的光纤分束器2；沿一分束激光信号所在支路方向依次连接有第一光纤环形器3、第一光电转换单元9、用于将第一光电转换单元获得的电信号进行等幅压缩的分压电路11、高速比较器12，沿另一分束激光信号所在支路方向依次连接有第二光纤环形器4、第二光电转换单元10、高速比较器12；
所述光谱检测装置还包括与第一光纤环形器3依次连接有反射特定光谱成分的相位调制激光脉冲的第一光纤光栅5、用于控制第一光纤光栅的外界环境温度的第一温度控制模块7；
所述光谱检测装置还包括与第二光纤环形器4依次连接有反射特定光谱成分的相位调制激光脉冲的第二光纤光栅6、用于控制第一光纤光栅的外界环境温度的第二温度控制模块8；
所述用以快速比较分压电路11和第二光电转换单元10产生的电信号大小的高速比较器12，其输入端同时连接有分压电路11和第二光电转换单元10，输出端连接用以产生判断信号的信号产生器13。
进一步的，所述的光纤分束器2的分束比为50：50。
进一步的，所述的第一光纤光栅5和第二光纤光栅6为窄带宽布拉格光纤光栅，其光谱带宽≤0.07nm；且
所述第一光纤光栅5和第二光纤光栅6为温度可调谐型光纤光栅，其中心波长随外界环境温度的变化而单调变化，其中心波长反射率大于85％。
进一步的，所述的第一光纤光栅5的中心反射波长经第一温度控制模块7热调谐后位于相位调制激光脉冲的中心波长处，所述的第二光纤光栅6的中心反射波长经第二温度控制模块8热调谐后位于相位调制激光脉冲的短波长边带处。
进一步的，所述的第一光纤环形器3的端口C1与光纤分束器2连接，端口C2与第一光纤光栅5连接，端口C3与第一光电转换单元9连接；
所述的第二光纤环形器4的端口C1与光纤分束器2连接，端口C2与第二光纤光栅6连接，端口C3与第二光电转换单元10连接。
进一步的，所述的光电转换单元由PIN管探测器和峰值保持电路构成，其输入端通过光纤与光纤环形器端口3连接，输出端通过射频线与分压电路、高速比较器连接。
进一步的，所述的第一温度控制模块7和第二温度控制模块8是基于TEC实现的，实现16℃－35℃的温度调谐范围，调节精度为0.1℃。
另一方面，本发明提供了一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测方法，包括如下步骤：
S1：光纤分束器2将初始激光信号按比例分成两束，所述的两束激光信号分别经光纤注入到第一光纤环形器3和第二光纤环形器4，激光信号分别经第一光纤环形器3和第二光纤环形器4传输至第一光纤光栅5和第二光纤光栅6；
S2：使用第一温度控制模块7和第二温度控制模块8分别热调谐第一光纤光栅5和第二光纤光栅6的中心反射波长，使第一光纤光栅5的中心反射波长处于激光信号的中心波长附近，使第二光纤光栅6的中心反射波长处于激光信号的边带处，所述的第一光纤光栅5和第二光纤光栅6反射选定不同光谱成分的激光信号；
S3：所述激光信号经第一光纤环形器3和第二光纤环形器4分别输出后注入到第一光电转换单元9和第二光电转换单元10，进行光电转换，产生电信号，其中第一光电转换单元9输出的第一路电信号经分压电路11进行等幅压缩，第二光电转换单元10输出的第二路电信号不做压缩处理；
S4：所述第一路电信号和第二路电信号注入到高速比较器12，比较两路电信号的大小，然后经信号产生器13产生检测判断信号。
进一步的，当第一路电信号大于第二路电信号时，可判断光谱未足够展宽；当第一路电信号足够小于第二路电信号时，可判断光谱展宽正常。
进一步的，通过精密热调谐光纤光栅的外界环境温度实现不同光谱展宽状态的辨别。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的技术方案采用基于两只窄带光纤光栅实现光谱展宽状态的间接检测，可以有效地排除激光能量、脉冲宽度等因素对检测结果的干扰，实现了高准确性检测，同时这种方法适用于信噪比较低的相位调制激光脉冲的光谱检测，应用范围拓展。
2、本发明中采用温度控制模块热调谐光纤光栅的中心反射波长，有效地排除了环境温度的干扰，同时通过精密热调谐光纤光栅的外界环境温度可实现不同光谱展宽状态的辨别，操作简单，使用方便。
3、本发明提供的技术方案采用全光纤化光路结构，激光信号沿光学链路柔性传输，性能可靠稳定。
4、本发明提供的技术方案采用分压电路对中心波长处的探测信号进行等幅压缩，降低了对光电转换单元中PIN管的响应能力要求，拓展了光谱检测的范围。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是同一激光脉冲在不同相位调制展宽状态下的光谱图；
图3是光谱带宽为0.10nm和0.15nm的激光脉冲在不同热调谐温度下的响应电压图；
图4是利用本发明输出的判断信号。
附图中：1－激光信号源、2－50：50光纤分束器、3－第一光纤环形器、4－第二光纤环形器、5－第一光纤光栅、6－第二光纤光栅、7－第一温度控制模块、8－第二温度控制模块、9－第一光电转换单元、10－第二光电转换单元、11－分压电路、12－高速比较器、13－信号产生器、14－光纤。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，沿着激光信号传输方向依次设置有激光信号源1、50：50光纤分束器2、第一光纤环形器3、第二光纤环形器4、第一光纤光栅5、第二光纤光栅6、第一光电转换单元9和第二光电转换单元10，激光信号源1用于发射待检测的激光信号，50：50光纤分束器2用于将激光信号等比例分成2束，50：50光纤分束器的两输出支路分别与第一光纤环形器3的端口1和第二光纤环形器4的端口C1连接，第一光纤环形器3的端口C2和第二光纤环形器4的端口C2分别连接第一光纤光栅5和第二光纤光栅6，第一光纤光栅5用于反射选定激光脉冲中心波长处的光谱成分，第二光纤光栅6用于反射选定激光脉冲短波长边带处的光谱成分，第一光电转换单元9用于将第一支路的激光信号转换成电信号，第二光电转换单元10用于将第二支路的激光信号转换成电信号，各光电器件之间通过光纤跳线14连接以形成光学链路，激光信号沿光学链路柔性传输，性能可靠稳定。图1中箭头表示激光信号传输方向。
还包括通过射频线连接的分压电路11，与第一光电转换单元9的输出端相连接，用于将第一光电转换单元9获得的电信号进行等幅压缩。还包括高速比较器12，其与分压电路11和第二光电转换单元10的输出端相连接，用以快速比较分压电路11和第二光电转换单元10产生的电信号的大小。
还包括信号产生器13，其与高速比较器12的输出端连接，用以产生判断信号。
还包括第一温度控制模块7和第二温度控制模块8，用以分别控制第一光纤光栅5和第二光纤光栅6的外界环境温度。
本实施例中，所述的光纤光栅，包括第一光纤光栅5和第二光纤光栅6，不仅是一种窄带宽布拉格光纤光栅，其光谱带宽≤0.07nm，同时也是一种温度可调谐型光纤光栅，其中心波长随外界环境温度的变化而单调变化，其中心波长反射率大于85％。所述的第一光纤光栅5的中心反射波长经第一温度控制模块7热调谐后位于相位调制激光脉冲的中心波长处，这里为1053.035nm，第二光纤光栅6的中心反射波长经第二温度控制模块8热调谐后位于相位调制激光脉冲的短波长边带处，这里为1052.098nm。所述的光电转换单元，包括第一光电转换单元9和第二光电转换单元10，是由PIN管探测器和峰值保持电路构成的。本实施例中采用的光纤的纤芯直径均为6μm、包层直径均为125μm，不同光纤器件之间通过熔接相连以减少连接损耗。所述的温度控制模块是基于TEC实现的，可实现16℃－35℃的温度调谐范围，调节精度为0.1℃，满足光纤光栅温度热调谐的需求。
实施例二：
利用实施例一中所述的用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置来检测光谱，包括如下步骤：
S1：50：50光纤分束器2将激光信号源1按比例分成两束，所述的两束激光信号分别经光纤14注入到第一光纤环形器3和第二光纤环形器4，激光信号经光纤环形器传输至第一光纤光栅5和第二光纤光栅6；
S2：使用温度控制模块分别热调谐两只光纤光栅的中心反射波长，使第一光纤光栅5的中心反射波长处于激光信号的中心波长附近，使第二光纤光栅6的中心反射波长处于激光信号的边带处，所述的两只光纤光栅反射选定不同光谱成分的激光信号；
S3：所述激光信号经光纤环形器输出后注入到光电转换单元，进行光电转换，产生电信号，其中第一路电信号经分压电路进行等幅压缩，第二路电信号不做压缩处理；
S4：所述两路电信号注入到高速比较器，比较两路电信号的大小，然后经信号产生器产生检测判断信号。当第一路电信号大于第二路电信号时，可判断光谱未足够展宽；当第一路电信号足够小于第二路电信号时，可判断光谱展宽正常，此时输出一路脉冲宽度为100ns－2μs可选的TTL电压信号。
如图2所示，图2中横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示相对强度；可以看出同一激光脉冲在不同相位调制展宽状态下的光谱分布不同，随着激光脉冲经相位调制光谱展宽，光谱向中心波长两侧分布，中心波长处光强度降低，两边带处光强度增加。本实施例中采用基于两只窄带光纤光栅的方法实现光谱展宽状态的间接检测，第一光纤光栅5反射中心波长处的光谱成分，第二光纤光栅6反射短波长边带处的光谱成分，然后经光电转换等处理后比较两者产生的电信号幅度大小，根据比较结果判定光谱展宽状态。这种方法可以有效地排除激光能量、脉冲宽度等因素对检测结果的干扰，实现了高准确性检测，同时这种方法适用于信噪比较低的相位调制激光脉冲的光谱检测，用范围拓展。
本实例中采用温度控制模块热调谐光纤光栅的中心反射波长，有效地排除了环境温度的干扰。此外，可以通过精密热调谐光纤光栅的外界环境温度可实现不同光谱展宽状态的辨别，如图3所示的是光谱带宽为0.10nm和0.15nm的相位调制激光脉冲在不同热调谐温度下的响应电压图，图3中横坐标表示热调谐温度，单位为℃，纵坐标表示响应电压，单位为V。这种方法操作简单，使用方便。本发明采用全光纤化光路结构，激光信号沿光学链路柔性传输，性能可靠稳定。本发明采用分压电路对中心波长处的探测信号进行等幅压缩，降低了对光电转换单元中PIN管的响应能力要求，拓展了光谱检测的范围。
如图4所示，图4中横坐标表示时间，单位为ns，纵坐标表示强度，单位为F，当光谱展宽正常时，该发明输出的判断信号。该判断信号的脉冲宽度可调，幅度可调。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，其特征在于：沿着激光信号传输方向通过光纤连接有用以将激光信号源(1)发出的激光信号按比例分成两束的光纤分束器(2)；沿一分束激光信号所在支路方向依次连接有第一光纤环形器(3)、第一光电转换单元(9)、用于将第一光电转换单元获得的电信号进行等幅压缩的分压电路(11)、高速比较器(12)，沿另一分束激光信号所在支路方向依次连接有第二光纤环形器(4)、第二光电转换单元(10)、高速比较器(12)；所述光谱检测装置还包括与第一光纤环形器(3)依次连接有反射特定光谱成分的相位调制激光脉冲的第一光纤光栅(5)、用于控制第一光纤光栅的外界环境温度的第一温度控制模块(7)；
所述光谱检测装置还包括与第二光纤环形器(4)依次连接有反射特定光谱成分的相位调制激光脉冲的第二光纤光栅(6)、用于控制第二光纤光栅的外界环境温度的第二温度控制模块(8)；
所述用以快速比较分压电路(11)和第二光电转换单元(10)产生的电信号大小的高速比较器(12)，其输入端同时连接有分压电路(11)和第二光电转换单元(10)，输出端连接用以产生判断信号的信号产生器(13)；
所述的第一光纤环形器(3)的端口C1与光纤分束器(2)连接，端口C2与第一光纤光栅(5)连接，端口C3与第一光电转换单元(9)连接；
所述的第一光纤光栅(5)的中心反射波长经第一温度控制模块(7)热调谐后位于相位调制激光脉冲的中心波长处，所述的第二光纤光栅(6)的中心反射波长经第二温度控制模块(8)热调谐后位于相位调制激光脉冲的短波长边带处。
2.根据权利要求1所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，其特征在于：所述的光纤分束器(2)的分束比为50:50。
3.根据权利要求2所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，其特征在于：所述的第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)为窄带宽布拉格光纤光栅，其光谱带宽≤0.07nm；且所述第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)为温度可调谐型光纤光栅，其中心波长随外界环境温度的变化而单调变化，其中心波长反射率大于85％。
4.根据权利要求3所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，其特征在于：
所述的第二光纤环形器(4)的端口C1与光纤分束器(2)连接，端口C2与第二光纤光栅(6)连接，端口C3与第二光电转换单元(10)连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，其特征在于：所述的光电转换单元包括第一光电转换单元(9)和第二光电转换单元(10)由PIN管探测器和峰值保持电路构成，其输入端通过光纤与第一光纤环形器(3)/第二光纤环形器(4)的端口C3连接，输出端通过射频线与分压电路、高速比较器连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测装置，其特征在于：所述的第一温度控制模块(7)和第二温度控制模块(8)是基于TEC实现的，实现16℃-35℃的温度调谐范围，调节精度为0.1℃。
7.一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：光纤分束器(2)将初始激光信号按比例分成两束，所述的两束激光信号分别经光纤注入到第一光纤环形器(3)和第二光纤环形器(4)，激光信号分别经第一光纤环形器(3)和第二光纤环形器(4)传输至第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)；
S2：使用第一温度控制模块(7)和第二温度控制模块(8)分别热调谐第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)的中心反射波长，使第一光纤光栅(5)的中心反射波长处于激光信号的中心波长附近，使第二光纤光栅(6)的中心反射波长处于激光信号的边带处，所述的第一光纤光栅(5)和第二光纤光栅(6)反射选定不同光谱成分的激光信号；
S3：所述激光信号经第一光纤环形器(3)和第二光纤环形器(4)分别输出后注入到第一光电转换单元(9)和第二光电转换单元(10)，进行光电转换，产生电信号，其中第一光电转换单元(9)输出的第一路电信号经分压电路(11)进行等幅压缩，第二光电转换单元(10)输出的第二路电信号不做压缩处理；
S4：所述第一路电信号和第二路电信号注入到高速比较器(12)，比较两路电信号的大小，然后经信号产生器(13)产生检测判断信号。
8.根据权利要求7所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测方法，其特征在于：当第一路电信号大于第二路电信号时，可判断光谱未足够展宽；当第一路电信号足够小于第二路电信号时，可判断光谱展宽正常。
9.根据权利要求8所述的一种用于相位调制激光脉冲的光谱检测方法，其特征在于：通过精密热调谐光纤光栅的外界环境温度实现不同光谱展宽状态的辨别。
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