CN109217097B - 激光器波长控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光器波长控制方法及装置，用以提高现有激光器波长调整的精度和降低波长调整的时间。所述方法包括：向激光器管芯加热器施加扰动信号；检测扰动响应信号；根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。

Description

激光器波长控制方法及装置
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种激光器波长控制方法及装置。
背景技术
目前，激光器自动功率控制电路(APC电路，Automatic Power Control)主要功能是稳定激光器的偏置电流，在激光器偏置电流不变的情况下，为了使激光器的输出光波长(频率)保持稳定，必须保证激光器管芯温度稳定不变。激光器自动温度控制电路(ATC电路，Automatic Temperature Control)的主要功能是稳定光器件基板的温度。当光器件基板温度高于设计工作温度时，ATC控制电路使激光器组件内致冷器(TEC，Thermo ElectricCooler)获得正向致冷电流，致冷器吸热，激光器基板温度将降低；当激光器基板温度低于设计工作温度时，ATC控制电路使致冷器获得反向加热电流，致冷器对基板进行加热，激光器基板温度将升高，从而使激光器基板的工作温度趋于稳定。
现有技术中需要人工操作调整波长，使其稳定在需求的范围内，但由于人工操作从而引入了不可避免的误差和需要较长时间去调整波长中心值的弊端。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种激光器波长控制方法、装置及存储介质，用以提高现有激光器波长调整的精度和降低波长调整的时间。
为解决上述技术问题，本发明中的一种激光器波长控制方法，包括：
向激光器管芯加热器施加扰动信号；
检测扰动响应信号；
根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。
为解决上述技术问题，本发明中的一种激光器波长控制装置，包括控制单元和存储单元；所述存储单元存储有激光器波长控制计算机程序，所述控制单元执行所述计算机程序，以实现以下步骤：
向激光器管芯加热器施加扰动信号；
检测扰动响应信号；
根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。
为解决上述技术问题，本发明中的一种计算机可读存储介质，存储有激光器波长控制计算机程序，当所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现如上任意一项所述方法的步骤。
本发明有益效果如下：
本发明中方法、装置及存储介质，通过向激光器管芯加热器施加扰动信号；检测扰动响应信号；根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，从而不需要人工调整，只需要写入供应商提供的数据，达到了波长自动调整效果，节省了调试时间，从而使得波长锁定精度和效率得以显著提升。
附图说明
图1是本发明实施例中一种激光器波长控制方法的流程图；
图2是本发明实施例中激光器波长控制方法涉及的器件的结构框图；
图3是本发明实施例中一种可选地激光器波长控制方法的流程图；
图4是本发明实施例中现有的同步检波器示意图；
图5是本发明实施例中优化的同步检波器示意图；
图6是本发明实施例中扰动信号加在上升过程的示意图；
图7是本发明实施例中扰动信号加在顶部的示意图；
图8是本发明实施例中扰动信号加在下降过程的示意图；
图9是本发明实施例中一种激光器波长控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了解决目前波长锁定人工操作引入的不可避免的误差和人工操作需要较长时间去调整波长中心值的弊端。本发明提供一种激光器波长控制方法、装置及存储介质，本发明无需人工参与，利用光器件厂商提供的Heater(激光器管芯加热器)电路和激光器设置温度等数据，实现波长的自动调整，从而提高精度，并且通过对同步检测的修正，优化了恢复后的扰动信号，提高了系统抗干扰的性能，使得波长能快速准确的锁定到中心波长。
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例一
本发明实施例提供一种激光器波长控制方法，其特征在于，所述方法包括：
向激光器管芯加热器施加扰动信号；
检测扰动响应信号；
根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。
本发明实施例通过向激光器管芯加热器施加扰动信号；检测扰动响应信号；根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，从而不需要人工调整，只需要写入供应商提供的数据，达到了波长自动调整效果，节省了调试时间，从而使得波长锁定精度和效率得以显著提升。
本发明实施例中使用用于区分元件、参数等诸如“第一”、“第二”等前缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。
详细说明本发明实施例。
如图2所示，本发明实施例涉及的器件的结构框图。
其中，控制单元主要功能是根据反馈采集的数据进行处理，并输出电压对需要调制的Heater电路进行调制；比较器根据参考电压和实际的采样电压比较输出比较结果；ADC为模拟数字转换器；DAC为数字模拟转换器。
进一步说，激光器的输出波长受输出功率的影响，因此激光器的波长变化可以通过监测激光器的功率变化来实现。
采用的波长调整的原理为：如图3所示，通过控制单元(例如用FPGA实现)在激光器Heater控制电路的DAC端加DITHER扰动⊿VH，该DITHER扰动信号反映到电路输出端为Heater电流扰动⊿IH，⊿IH会导致输出功率扰动⊿P。⊿P通过激光器的背光二极管转变成背光电流扰动⊿IPD。也就是说，通过DAC改变采样电阻两端电压从而使注入激光器管芯温度电流发生变化。
激光器发出的光经过背光二极管产生背光电流，背光电流IPD+⊿IPD经过一个可变增益的跨阻放大器(DAC7558)转变成电压信号V+⊿V，然后经过一个高增益的运放，高增益的运放一方面滤去直流分量V，并通过DAC设置偏置点，另一方面对交流分量⊿V进行放大。然后经过ADC采样给FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，实现对DITHER信号的检测，FPGA通过判断检测到的DITHER信号，来控制Heater电流大小，从而实现对波长的调整。
具体说，如图4所示，本发明实施例方法可以包括：
步骤1：打开激光器，并设置Heater中心值(即中心电流值，本发明中也可以简称为电流值)。
步骤2：设置参考电压输出值。
步骤3：使能波长锁定信号，开始激光器波长调整。
步骤4：读取ADC采样值，计算采样电压。
步骤5：根据采样数据，判断采样数值的大小调整Heater中心值。
步骤6：重复步骤4、步骤5，直至调整结束。
在上述实施例的基础上，进一步提出上述实施例的变型实施例。
可选地，所述根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，包括：
对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差；
基于确定的幅度差，设置所述锁定中心值。
具体说，由于激光器输出波长受输出功率的影响，通过监测激光器的功率变化即可知激光器的波长变化趋势。而输出功率与激光器管芯温度相关，管芯温度可以通过Heater电路进行微调。因此本发明实施例中采用加扰动Dither信号到Heater上，进而使输出光功率发生变化，反映到激光器的背光二极管将转变成背光电流扰动，该扰动电流通过可变增益的跨阻放大器后转变成电压信号V+⊿V，然后经过一个高增益运放，一方面通过DAC设置偏置点滤去直流分量，另一方面对交流分量⊿V进行放大。然后通过ADC进行采样这个变化，判断这个变化是否锁定在中心波长上。如果不在，判断距中心波长偏左还是偏右，从而相应地去控制Heater电流的增大和减小，最终使激光器的波长移动到中心位置，实现激光器波长的锁定，Dither检测电路原理图如图4所示。
加载到Heater电路中的是比较小的正负脉冲扰动信号，经过一系列的处理放大后，会采集正负Dither信号(即扰动响应信号)，然后比较大小。
其中，采集过程包含滤波，即会采集32个数然后取平均值，这样做的目的也是为了消除噪声对扰动信号的检测所带来的影响。其中，所述对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差，可以包括：
按照预设的采样数量，对所述扰动响应信号进行采样；
计算每个采样的正负扰动响应数据的幅度差；
对计算的所有幅度差进行平均，确定所述采样的正负扰动响应数据的幅度差。
其中，一般地输入的是矩形脉冲信号，那么在输出到检测端时也应该为矩形的脉冲信号，但实质上经过自动归零放大器(即比较器)的高度滤波后，它已经变为一个随时间变化的负指数函数。
Figure BDA0001344638950000061
因此出现了所设计的匹配滤波器与SAZ(t)不匹配，造成其不具有最佳的信噪比性能，即其抗噪声影响的能力不足。
S(t)＝A,O≤t≤TA
为了改善上述同步检波器的性能，本发明实施例中进一步提出了一种优化同步检波器的方法，通过乘以加权因子来增强同步检波器的SNR性能。
其原理如图5所示，经过自动归零放大器后的信号先经过模数转换器，然后将数据变为有符号数，加权因子生成器会产生加权因子WF，乘到相应的SAZ(t)中后进入同步检波器中进行检波。也就是说，所述对所述扰动响应信号进行采样，还可以包括：
将每次采样的扰动响应信号转化为有符号数，将所述有符号数与预先生成的加权因子相乘后，进入预设的同步检波器中进行检波，获得对应的采样的正负扰动响应数据。
其中最佳的加权因子时间响应由下式给出：
Figure BDA0001344638950000062
其中，ts为采样时间，f＝32KHz；ix为采样索引；NA＝32为同步检波器的取样平均数；TA＝NA·ts为平均周期；TA＝10ms；τa为自动归零放大器的时间常数，τa＝4.8ms。
实质上，WFix由迭代生成方式生成，即
WFix+1＝Kw(1-WFix)+WFix,WF0＝0
Figure BDA0001344638950000063
上式中Kw、WF0是已知的，便可由迭代方程计算得出其余WFix。由于设计中采样个数为32，所以只需计算得出WF0～WF31即可。在逻辑中是通过查找表实现，即每一个采样值都有唯一的索引值与其对应，从而实现了相应的加权因子相乘，改善了同步检波器的SNR性能。
因此，与现有技术相比，本发明实施例不需要人工调整，只需要写入供应商提供的数据，达到了波长自动调整效果，节省了调试时间，同时优化的同步检波器使得波长锁定精度和效率得以提升。
可选地，所述根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，包括：
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差等于零时，将所述预设中心值置为所述锁定中心值；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差大于零时，按照预设的第一调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差小于零时，按照预设的第二调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值。
其中，所述第一调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定；
所述第二调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定。
也就是说，如果要节省调整时间，可以将第一调节步长或第二调节步长设置的大一些，如果保证调整精度，可以将第一调节步长或第二调节步长设置的小一些。当然也可以基于调整时间和调整精度的综合考虑，从而来设置第一调节步长或第二调节步长。
例如，如图6所示，Heater中心值是2000，参考电压是1.25V，Dither幅度是0x1f，调节步长是100(第一调节步长)。
步骤61：打开激光器，并设置Heater中心值为2000；
步骤62：设置参考电压输出值1.25V；
步骤63：使能波长锁定信号，开始激光器波长调整；
步骤64：读取ADC采样值，计算绿线响应的Dither幅度的差小于0；
步骤65：响应的Dither幅度，Heater中心值加100，设置Heater中心值为2100，调整波长；
步骤66：重复步骤64、步骤65，直到设置Heater锁定中心值为2300，计算响应的Dither幅度的差等于0，波长锁定。
又如，如图7所示，Heater中心值是2000，参考电压是1.25V，Dither幅度是0x1f，调节步长是100。
步骤71：打开激光器，并设置Heater中心值为2000；
步骤72：设置参考电压输出值1.25V；
步骤73：使能波长锁定信号，开始激光器波长调整；
步骤74：读取ADC采样值，计算绿线响应的Dither幅度的等于0；
步骤75：根据绿线响应的Dither幅度差，Heater锁定中心值为2000，波长锁定。
再如，Heater中心值是2000，参考电压是1.25V，Dither幅度是0x1f，调节步长是100。
步骤81：打开激光器，并设置Heater中心值为2000；
步骤82：设置参考电压输出值1.25V；
步骤83：使能波长锁定信号，开始激光器波长调整；
步骤84：读取ADC采样值，计算响应的Dither幅度的大于0；
步骤85：根据响应的Dither幅度差，Heater中心值减100，设置Heater中心值为1900，调整波长；
步骤86：重复步骤84、步骤85，直到设置Heater锁定中心值为1700，计算响应的Dither幅度的差等于0，波长锁定。
从上述实施过程数据可以看出，本发明实施例可以从三种情况快速的调整激光器波长到锁定点，提高系统本身抗噪声性能的同时可以通过减小步长来提高波长调节精度，快速达到波长锁定的目的。
实施例二
如图2和图9所示，一种激光器波长控制装置，所述装置包括控制单元91和存储单元92；所述存储单元92存储有激光器波长控制计算机程序，所述控制单元执行所述计算机程序，以实现以下步骤：
向激光器管芯加热器施加扰动信号；
检测扰动响应信号；
根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。
其中，本发明实施例中控制单元可以采用FPGA，存储单元为FPGA中自带的存储模块；当然本发明实施例中控制单元也可以为CPU(中央处理器)。
本发明实施例通过向激光器管芯加热器施加扰动信号；检测扰动响应信号；根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，从而不需要人工调整，只需要写入供应商提供的数据，达到了波长自动调整效果，节省了调试时间，从而使得波长锁定精度和效率得以显著提升。
可选地，所述根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，包括：
对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差；
基于确定的幅度差，设置所述锁定中心值。
具体地，所述对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差，包括：
按照预设的采样数量，对所述扰动响应信号进行采样；
计算每个采样的正负扰动响应数据的幅度差；
对计算的所有幅度差进行平均，确定所述采样的正负扰动响应数据的幅度差。
具体地，所述装置还包括同步检波器；
所述对所述扰动响应信号进行采样，还包括：
将每次采样的扰动响应信号转化为有符号数，将所述有符号数与预先生成的加权因子相乘后，进入同步检波器中进行检波，获得对应的采样的正负扰动响应数据。
可选地，所述根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，包括：
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差等于零时，将所述预设中心值置为所述锁定中心值；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差大于零时，按照预设的第一调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差小于零时，按照预设的第二调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值。
具体地，所述第一调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定；
所述第二调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定。
可选地，如图2所示，所述装置还可以包括比较器和模拟数字转换器；
所述控制单元还用于产生向所述比较器输出的参考电压和向所述激光器管芯加热器输入的第一扰动电压；所述比较器用于检测从所述激光器管芯加热器输出的第二扰动电压，并根据所述参考电压和所述第二扰动电压，检测出扰动响应信号；所述模拟数字转换器用于对所述扰动响应信号进行采样；
所述控制单元的两个输出端分别连接所述激光器管芯加热器的输入端和所述比较器的一输入端；所述控制单元的输入端与所述模拟数字转换器的输出端连接；所述比较器的输出端与所述模拟数字转换器的输入端连接；所述比较器的另一输入端与所述激光器管芯加热器的输出端连接。
实施例三
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有激光器波长控制计算机程序，当所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现如实施例一中任意一项所述方法的步骤。
本发明实施例中计算机可读存储介质可以是RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其他形式的存储介质。可以将一种存储介质藕接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息；或者该存储介质可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于专用集成电路中。
在此需要说明的是，实施例二和实施例三的具体实现细节可以参阅实施例一，在此不再赘述。
虽然本申请描述了本发明的特定示例，但本领域技术人员可以在不脱离本发明概念的基础上设计出来本发明的变型。本领域技术人员在本发明技术构思的启发下，在不脱离本发明内容的基础上，还可以对本发明做出各种改进，这仍落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光器波长控制方法，其特征在于，所述方法包括：
向激光器管芯加热器施加扰动信号；
检测扰动响应信号；
根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，包括：
对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差；
基于确定的幅度差，设置所述锁定中心值，包括：当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差等于零时，将所述预设中心值置为所述锁定中心值；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差大于零时，按照预设的第一调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值；所述第一调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差小于零时，按照预设的第二调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值；所述第二调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差，包括：
按照预设的采样数量，对所述扰动响应信号进行采样；
计算每个采样的正负扰动响应数据的幅度差；
对计算的所有幅度差进行平均，确定所述采样的正负扰动响应数据的幅度差。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述扰动响应信号进行采样，还包括：
将每次采样的扰动响应信号转化为有符号数，将所述有符号数与预先生成的加权因子相乘后，进入预设的同步检波器中进行检波，获得对应的采样的正负扰动响应数据；
所述第二调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定。
4.一种激光器波长控制装置，其特征在于，所述装置包括控制单元和存储单元；所述存储单元存储有激光器波长控制计算机程序，所述控制单元执行所述计算机程序，以实现以下步骤：
向激光器管芯加热器施加扰动信号；
检测扰动响应信号；
根据所述扰动响应信号，设置所述激光器管芯加热器的锁定中心值，包括：
对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差；
基于确定的幅度差，设置所述锁定中心值，包括：当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差等于零时，将所述预设中心值置为所述锁定中心值；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差大于零时，按照预设的第一调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值；所述第一调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定；
当所述激光器管芯加热器处于预设中心值，且所述幅度差小于零时，按照预设的第二调节步长，调整所述预设中心值，以使所述幅度差等于零；将调整后的中心值置为所述锁定中心值；所述第二调节步长的大小由调整精度和/或调整时间确定；所述锁定中心值用于锁定所述激光器波长。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述对所述扰动响应信号进行采样，确定采样的正负扰动响应数据的幅度差，包括：
按照预设的采样数量，对所述扰动响应信号进行采样；
计算每个采样的正负扰动响应数据的幅度差；
对计算的所有幅度差进行平均，确定所述采样的正负扰动响应数据的幅度差。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括同步检波器；
所述对所述扰动响应信号进行采样，还包括：
将每次采样的扰动响应信号转化为有符号数，将所述有符号数与预先生成的加权因子相乘后，进入同步检波器中进行检波，获得对应的采样的正负扰动响应数据。
7.如权利要求4-6中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括比较器和模拟数字转换器；
所述控制单元还用于产生向所述比较器输出的参考电压和向所述激光器管芯加热器输入的第一扰动电压；所述比较器用于检测从所述激光器管芯加热器输出的第二扰动电压，并根据所述参考电压和所述第二扰动电压，检测出扰动响应信号；所述模拟数字转换器用于对所述扰动响应信号进行采样；
所述控制单元的两个输出端分别连接所述激光器管芯加热器的输入端和所述比较器的一输入端；所述控制单元的输入端与所述模拟数字转换器的输出端连接；所述比较器的输出端与所述模拟数字转换器的输入端连接；所述比较器的另一输入端与所述激光器管芯加热器的输出端连接。
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