CN110265855A - 作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，它由激光种子源、光纤预放大器、光学调制模块、高频信号源、同步控制电路、光纤放大器和2块可编辑波形信号板组成；同步控制电路输出数字触发信号分别触发2块可编辑波形信号板；一块信号板编辑电脉冲宽度，向激光种子源发送重频脉宽可调的矩形信号；另一块信号板向声光调制器发送预设波形电信号；声光调制器从光纤预放大器接收的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，电光强度调制器将预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，光纤放大器对预设包络波形脉冲簇激光进行放大，输出矩形包络脉冲簇。本发明满足高功率可调谐窄谱微波系统光导器件对信号源的需求。

Description

作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器

技术领域

本发明涉及一种时域参数灵活可调的高能脉冲激光器，属于激光技术领域，特别涉及一种可作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器。

背景技术

高功率微波通过强电磁辐射，干扰、扰乱、损伤装备的电子信息系统，使其功能降级或失效，能有效地提高信息对抗能力、具有光速攻击、软杀伤、面杀伤、附带损伤小等特点。但是受限于真空电子管发射机制，传统的高功率微波辐射源具有设计频率不可调，系统体积较大，集成度不高的特性，同时，在功率提升方面达到了一个技术瓶颈。为了应对信息化领域威胁目标电磁环境的日益复杂以及新波形、新频谱，亟需发展能够实现可调谐的高功率窄谱微波系统。

近年来，微波光子学将微波与光子技术融合，引起了研究者们的极大关注。当微波系统中的光导器件工作在线性工作模式时，光导器件的输出电流与入射激光有一致的波形和频率，光导器件的输出电流经过脉冲形成线和辐射系统产生微波辐射。由于微波系统的能量存储特性限制，光导器件的入射激光须为脉冲簇形式的激光。脉冲簇激光指一组特定数量的高频脉冲等间隔地形成低重频的大脉冲，这即为脉冲簇激光的时域特性。可调谐的高功率窄谱微波系统对作为光导器件信号源的入射激光的要求是：(1)入射脉冲簇激光的脉冲能量大于光导器件的响应阈值且在光导器件线性工作区内；(2)入射脉冲簇激光的工作中心波长与光导器件的最佳响应波长相匹配；(3)入射脉冲簇激光的高频脉冲为频率灵活可调的正弦波形，其中正弦波形决定了光导器件响应入射激光生成的高频电信号为正弦型，经过微波组件辐射的微波为窄谱，频率灵活可调决定了光导器件响应入射激光生成的高频电信号频率可调，经过微波组件辐射的微波主频可调；(4)入射脉冲簇激光的高频脉冲能量分布均匀，即入射脉冲簇激光包络波形为矩形。

主振荡器结合光纤放大器是目前实现时域参数灵活可调的高能脉冲簇激光器的常用方法，但是由于光纤放大器中的增益饱和效应，输出脉冲波形会发生严重的畸变，即脉冲簇的包络与输入包络波形会不同，现有的输出包络波形可调的脉冲簇激光器有三种：

1.2012年发表在Optics Letters(光学快报)，第37卷第18期，第2586页至第2588页，题为“1mJ pulse bursts from a Yb-doped fiber amplifier”(掺镱光纤放大器输出1mJ脉冲簇激光)的论文(称为背景技术一)，由锁模激光器、声光调制器和光纤放大器组成，锁模激光器作为高频皮秒脉冲种子源，声光强度调制器选脉冲实现时域脉冲簇输出，光纤放大器提升脉冲能量至1mJ。但锁模激光器输出的高频脉冲只能通过倍频的方式实现高频脉冲频率的改变，无法达到连续可调，高频脉冲波形不可控。

2.2017年发表在Optics Express(光学快讯)，第25卷第12期，第13557页至13566页，题为“100uJ pulse energy in burst-mode-operated hybrid fiber-bulk amplifiersystem with envelope shaping”(光纤固体放大器中输出包络形状可控的100uJ脉冲簇激光)的论文(称为背景技术二)，其激光器结构如图1所示，由激光种子源1、两个电光强度调制器(包括第二电光强度调制器33和电光强度调制器32)、双通道任意波形发生器22、光纤放大器6、耦合系统55和固体放大器44组成。所述激光种子源1为半导体连续激光种子源，耦合系统55和固体放大器44使得该脉冲簇激光器具有空间光路，为非全光纤结构；虽然该激光器产生的高频脉冲能量是均匀的，且脉冲簇的大脉冲时域波形、重频、脉宽、高频脉冲重频均可调，但是论文中没有提及任意波形发生器22的参数，只描述了产生的高频脉冲重频为40MHz，波形为近矩形的实验，可以推断此激光器并不能产生窄谱微波辐射。

3.2016年发表在Optics Express(光学快讯)，第24卷第18期，第20963页至20972页，题为“Burst-mode-operated,sub-nanosecond fiber MOPA system incorporatingdirect seed-packet shaping”(种子波形直接可调的亚纳秒脉冲簇光纤MOPA放大器)的论文(称为背景技术三)，采用驱动电路直接调制半导体激光器实现脉冲簇输出及波形控制，受限于半导体激光器驱动电路高频响应能力，其输出高频脉冲只能达到百MHz量级，无法实现GHz量级的高频脉冲输出。

综上所述，目前尚没有公开文献涉及能作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服背景技术所述文献报道中的受限因素，提供一种可作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，这种激光器产生的脉冲簇激光能满足可调谐高功率窄谱微波系统光导器件对入射激光的要求。本发明提出的激光器能实现脉冲簇包络波形、脉冲簇重频、脉冲簇脉宽、脉冲簇内高频脉冲重频都可调的高能脉冲簇激光输出。具体地，本发明提出的脉冲簇激光器具有：(1)输出脉冲能量在光导器件线性响应范围内；(2)高频脉冲为正弦波形，可应用于产生窄谱的微波辐射；(3)高频脉冲重复频率在GHz量级连续可调，使得窄谱微波辐射主频在GHz量级连续可调；(4)高频脉冲能量均匀，即输出脉冲簇包络的时域波形为矩形，使得微波辐射能量均匀。

本发明的技术方案如下：

本发明由激光种子源、光纤预放大器、光学调制模块、高频信号源、同步控制电路、光纤放大器和2块可编辑波形信号板(即第一可编辑波形信号板和第二可编辑波形信号板)组成。光学调制模块由声光调制器和电光强度调制器组成，声光调制器和电光强度调制器以光纤熔接器件尾纤的方式连接。激光种子源的输出端与光纤预放大器的输入端、光纤预放大器的输出端与光学调制模块的光纤输入端(即声光调制器的光纤输入端)、光学调制模块的输出端(即电光强度调制器的光纤输出端)与光纤放大器的输入端均通过光纤熔接的方式连接，光纤放大器的输出端熔接有端帽或者隔离器。且激光种子源的信号输入端与第一可编辑波形信号板的信号输出端通过同轴信号线相连；第一可编辑波形信号板的外部触发信号输入端与同步控制电路的第一输出端通过同轴信号线连接；第二可编辑波形信号板的外部触发信号输入端与同步控制电路的第二输出端通过同轴信号线相连，第二可编辑波形信号板的信号输出端与声光调制器的信号输入端通过同轴信号线相连。电光强度调制器的射频信号输入端与高频信号源的信号输出端以同轴信号线连接。

所述同步控制电路为第一可编辑波形信号板和第二可编辑波形信号板提供同步时序信号。同步控制电路第一输出端输出的第一同步时序信号用于触发第一可编辑波形信号板，第二输出端输出的第二同步时序信号用于触发第二可编辑波形信号板。要求2路同步时序信号为脉宽可调，重频可调，幅值为2.5V～5V的标准数字触发信号，且第一同步时序信号和第二同步时序信号脉冲间时间抖动小于5ns。

所述第一可编辑波形信号板为外触发工作模式，当从同步控制电路接收到第一同步时序信号时，根据微波系统光导器件对信号源脉宽的要求编辑电脉冲宽度，向激光种子源发送重频和脉宽都可调的矩形信号。

所述激光种子源采用半导体脉冲激光种子源，这种半导体脉冲激光种子源可以根据第一可编辑波形信号板输出的矩形信号产生脉冲重频、脉宽、幅值、时域波形均灵活可调的激光种子脉冲。要求半导体脉冲激光种子源的中心波长范围为1030nm～1065nm，脉宽范围为10ns～200ns，重频范围为10Hz～200kHz。

所述光纤预放大器对从激光种子源产生的激光种子脉冲进行功率提高，并提升本发明的信噪比。光纤预放大器由M(M≥1)级光纤放大器组成。要求光纤预放大器输出激光脉冲的平均功率和峰值功率小于等于声光调制器的最大承受功率和电光强度调制器的最大承受功率。

所述第二可编辑波形信号板为外触发工作模式，当从同步控制电路接收到第二同步时序信号时向声光调制器发送预设波形电信号。

光纤预放大器和光纤放大器的增益饱和效应会导致放大后的激光脉冲波形与它们接收的输入激光脉冲波形不同，即放大后的激光脉冲波形会发生畸变。为了能作为微波系统光导器件信号源，本发明需输出矩形包络脉冲簇激光(即本发明光纤放大器须输出矩形包络脉冲簇激光)，因此需要对光纤放大器的输入信号的波形进行预设，这通过可编辑波形信号板向声光调制器发送预设波形电信号实现。

所述预设波形电信号采用以下方法得到：

第一步，将第二可编辑波形信号板的输出信号设置为矩形，即第二可编辑波形信号板输出信号使得声光调制器不改变光纤预放大器输出的激光脉冲波形。在此条件下用高速示波器、光电探测器和功率计测试光纤放大器的输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形和脉冲簇能量E_out(t)，由脉冲簇能量和输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形计算得到含时输入脉冲簇瞬时功率和含时输出脉冲簇瞬时功率，分别表示为P_in(t)和P_out(t)，t是时间；

第二步，将得到的含时输入脉冲簇瞬时功率P_in(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率P_out(t)导入Matlab程序(内含随机并行梯度下降优化算法)，提取包络波形，作为随机并行梯度下降算法计算预补偿波形时的初始输入波形和初始输出波形；

第三步，通过公式G(t)＝P_out(t)/P_in(t)计算得到与时间相关的增益函数G(t)，根据放大器F-N模型中增益公式(1)，

G(t)＝1+(G₀-1)exp[-E_out(t)/E_sat] (1)

曲线拟合得到初始增益G₀和放大器的饱和能流E_sat参数；

第四步，将Matlab程序的目标输出包络波形设为矩形包络波形；

第五步，运行MATLAB程序得到预设波形电信号；

所述声光调制器是光纤耦合声光调制器，带宽大于100MHz。声光调制器一方面从第二可编辑波形信号板接收预设波形电信号，将光纤预放大器输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器；另一方面声光调制器关断光纤预放大器输出的光脉冲间连续的自发辐射噪声。

所述高频信号源用于为电光强度调制器提供频率灵活可调的GHz量级高频正弦信号。高频信号源可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种，也可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种与功率放大器的组合。要求高频信号源输出的电压大于电光强度调制器的半波电压。

电光强度调制器的工作带宽大于等于10GHz。电光强度调制器根据高频信号源输出的高频正弦信号，将从声光调制器接收的预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，使得预设包络波形脉冲簇激光内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源接收的高频正弦信号相同，并将调制后的脉冲簇激光发送给光纤放大器。

所述光纤放大器对从电光强度调制器接收的预设包络波形脉冲簇激光进行放大，输出矩形包络脉冲簇。光纤放大器由N(N≥2)级光纤放大器组成。光纤放大器的输出端熔接有光纤端帽或者隔离器，防止端面回光对本发明的损坏。

本发明产生能满足可调谐高功率窄谱微波系统光导器件信号源要求的高能脉冲簇激光的方法是：

第一步，同步控制电路输出2路重频可调的数字信号；

第二步，第一可编辑波形信号板被同步控制电路输出的第一路同步信号触发，根据微波系统光导器件对信号源脉宽的参数要求编辑第一可编辑波形信号板的电脉冲宽度，向激光种子源发送脉宽可调的矩形信号；

第三步，激光种子源接收第一可编辑波形信号板输出的脉宽可调的矩形信号，产生脉宽可调的矩形光脉冲，这种光脉冲重频、脉宽均可调；

第四步，光纤预放大器将激光种子源输出的矩形光脉冲能量放大至不超过电光强度调制器的最大可承受功率，以提升信噪比，输出的激光脉冲波形特征为波形由于增益饱和效应发生了畸变；

第五步，第二可编辑波形信号板被同步控制电路输出第二路同步信号触发，输出与第一可编辑波形信号板相同脉宽的矩形电信号。

第六步，声光调制器从第二可编辑波形信号板接收与第一可编辑波形信号板相同脉宽的矩形电信号，即不改变光纤预放大器输出的激光脉冲波形，并将未改变时域波形的激光脉冲发送给电光强度调制器；

第七步，高频信号源输出GHz量级频率灵活可调的高频正弦信号；

第八步，电光强度调制器根据从高频信号源接收的高频正弦信号将从声光调制器接收的未改变时域波形的激光脉冲调制为相同包络波形的脉冲簇激光，使得脉冲簇内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源接收的高频正弦信号相同，并将脉冲簇激光发送给光纤放大器；

第九步，测试光纤放大器的输入脉冲簇激光包络波形、输出脉冲簇激光包络波形和脉冲簇激光能量，由脉冲簇能量和输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形计算得到含时输入脉冲簇瞬时功率P_in(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率P_out(t)，导入Matlab程序中提取出包络波形，作为初始输入输出波形，由此计算得到与时间相关的增益曲线，由公式(1)曲线拟合得到初始增益G₀和放大器的饱和能流E_sat参数。然后将矩形包络波形设为目标输出包络波形，运行Matlab程序(内含随机并行梯度下降算法)得到预设波形电信号；

第十步，根据预设波形电信号，编辑第二可编辑波形信号板的输出脉冲波形，使得第二可编辑波形信号板向声光调制器输出预设波形电信号。

第十一步，声光调制器从第二可编辑波形信号板接收预设波形电信号，将光纤预放大器输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，其特征为波形为经过以上步骤计算得到的预设波形，可使得光纤放大器输出的脉冲簇包络波形为矩形，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器。

第十二步，电光强度调制器根据从高频信号源接收的高频正弦信号将从声光调制器接收的预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，其特征为脉冲簇形式、且脉冲簇包络为预设波形，使得预设包络波形脉冲簇激光内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源接收的高频正弦信号相同，并将调制后的脉冲簇激光发送给光纤放大器；

第十三步，光纤放大器对从电光强度调制器接收的预设包络波形脉冲簇激光进行放大，输出高能脉冲簇激光，此脉冲簇激光重频、脉宽、包络波形、GHz高频、脉冲重频均可调谐。

本发明实现了脉冲簇重频、脉宽、包络波形、GHz高频、脉冲重频都可调的激光输出，满足高功率可调谐窄谱微波系统光导器件对信号源的应用需求。由于合理优化了声光调制器和电光强度调制器在高能脉冲簇激光器中的设置，提升了激光器的信噪比。高频信号源的采用有利于实现超宽带频率灵活可调谐的正弦型高频脉冲，克服了模拟信号受限因素，具有成本低廉、稳定性好等特点。通过预设波形可以使得本发明具有输出脉冲簇包络波形调控能力。采用本发明可以达到以下技术效果：

1.能够满足高功率可调谐窄谱微波系统光导器件对信号源的需求，稳定性好；

2.高频信号源使得输出脉冲簇内高频脉冲重频具有调节范围大，调节方便的特点；

3.实现了脉冲簇包络波形调控能力；

4.合理优化了声光调制器和电光强度调制器在系统中的设置，提升了激光器的信噪比。

5.输出脉冲能量大于光导器件的响应阈值且在光导器件线性工作区内；工作中心波长与光导器件的最佳响应波段相匹配；

6.本发明高能脉冲簇激光器输出的脉冲簇内高频脉冲为正弦波形，使得微波辐射为窄谱；

7.高频脉冲重复频率在GHz量级较大范围内连续可调，使得窄谱微波辐射在较大范围内频率连续可调；

8.脉冲簇内高频脉冲能量均一，即输出高能脉冲簇包络时域波形为矩形，使得微波辐射能量均匀。

附图说明

图1是本发明背景技术二所述矩形包络形状脉冲簇激光器的结构示意图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是预设波形电信号产生示意图。其中，图3(a)为光纤放大器6输入脉冲簇包络波形，3(b)为光纤放大器6输出脉冲簇包络波形；图3(c)是归一化目标输出矩形包络波形；图3(d)为归一化预设波形；

图4是本发明所述各模块时域特性示意图。图4(a)为激光种子源输出光脉冲波形；图4(b)为光纤预放大器输出光脉冲波形；图4(c)为声光调制器根据可编辑波形信号板输出预设波形调制后的光脉冲波形；图4(d)为电光强度调制器输出的包络为预设波形的脉冲簇波形；图4(e)为矩形包络脉冲簇波形示意图。

图5是本发明实验获得的高能脉冲簇激光输出时域图。

具体实施方案

下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明“作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器”的结构如图2所示，本发明由激光种子源1、光纤预放大器2、光学调制模块3、高频信号源4、同步控制电路5、光纤放大器6和可编辑波形信号板7组成。其中激光种子源1、光纤预放大器2、光学调制模块3和光纤放大器6由光纤熔接的方式连接。高频信号源4、同步控制电路5、第一可编辑波形信号板71与激光种子源1、第二可编辑波形信号板72与声光调制器31之间以同轴电缆线连接。

光学调制模块3由声光调制器31和电光强度调制器32组成，声光调制器31和电光强度调制器32以光纤熔接器件尾纤的方式连接。激光种子源1的输出端与光纤预放大器2的输入端、光纤预放大器2的输出端与光学调制模块3的光纤输入端(即声光调制器31的光纤输入端)、光学调制模块3的输出端(即电光强度调制器32的光纤输出端)与光纤放大器6的输入端均通过光纤熔接的方式连接，光纤放大器6的输出端熔接有端帽或者隔离器。且激光种子源6的信号输入端与第一可编辑波形信号板71的信号输出端通过同轴信号线相连；第一可编辑波形信号板71的外部触发信号输入端与同步控制电路5的第一输出端通过同轴信号线连接；第二可编辑波形信号板71的外部触发信号输入端与同步控制电路5的第二输出端通过同轴信号线相连，第二可编辑波形信号板72的信号输出端与声光调制器31的信号输入端通过同轴信号线相连。电光强度调制器32的射频信号输入端与高频信号源4的信号输出端以同轴信号线连接。

所述同步控制电路5为第一可编辑波形信号板71和第二可编辑波形信号板72提供同步时序信号。同步控制电路5第一输出端输出的第一同步时序信号用于触发第一可编辑波形信号板71，第二输出端输出的第二同步时序信号用于触发第二可编辑波形信号板72。要求2路同步时序信号为脉宽可调，重频可调，幅值为2.5V～5V的标准数字触发信号，且第一同步时序信号和第二同步时序信号脉冲间时间抖动小于5ns。

所述第一可编辑波形信号板71为外触发工作模式，当从同步控制电路接收到第一同步时序信号时，根据微波系统光导器件对信号源脉宽的要求编辑电脉冲宽度，向激光种子源1发送重频和脉宽都可调的矩形信号。

所述激光种子源1采用半导体脉冲激光种子源，这种半导体脉冲激光种子源可以根据第一可编辑波形信号板71输出的矩形信号产生脉冲重频、脉宽、幅值、时域波形均灵活可调的激光种子脉冲。要求半导体脉冲激光种子源1的中心波长范围为1030nm～1065nm，脉宽范围为10ns～200ns，重频范围为10Hz～200kHz。

所述光纤预放大器2对从激光种子源产生的激光种子脉冲进行功率提高，并提升高能脉冲簇激光器的信噪比。光纤预放大器2由M(M≥1)级光纤放大器组成。要求光纤预放大器2输出激光脉冲的平均功率和峰值功率小于等于声光调制器的最大承受功率和电光强度调制器的最大承受功率。

所述第二可编辑波形信号板72为外触发工作模式，当从同步控制电路5接收到第二同步时序信号时向声光调制器发送预设波形电信号。

所述声光调制器31是光纤耦合声光调制器，带宽大于100MHz。声光调制器31一方面从第二可编辑波形信号板72接收预设波形电信号，将光纤预放大器2输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器32；另一方面声光调制器31关断光纤预放大器2输出的光脉冲间连续的自发辐射噪声。

所述高频信号源4用于为电光强度调制器32提供频率灵活可调的GHz量级高频正弦信号。高频信号源4可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种，也可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种与功率放大器的组合。要求高频信号源4输出的电压大于电光强度调制器32的半波电压。

电光强度调制器32的工作带宽大于等于10GHz。电光强度调制器32根据高频信号源输出的高频正弦信号，将从声光调制器31接收的预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，使得预设包络波形脉冲簇激光内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源1接收的高频正弦信号相同，并将调制后的脉冲簇激光发送给光纤放大器6。

所述光纤放大器6对从电光强度调制器接收的预设包络波形脉冲簇激光进行放大，输出矩形包络脉冲簇。光纤放大器6由N(N≥2)级光纤放大器组成。光纤放大器6的输出端熔接有光纤端帽或者隔离器，防止端面回光对高能脉冲簇激光器的损坏。

图3是预设波形电信号产生示意图。如图3所示，所述预设波形电信号采用以下方法得到：

第一步，将第二可编辑波形信号板72的输出信号设置为矩形，即第二可编辑波形信号板72输出信号使得声光调制器31不改变光纤预放大器2输出的激光脉冲波形。在此条件下用高速示波器、光电探测器和功率计测试光纤放大器6的输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形和脉冲簇能量，由脉冲簇能量和输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形计算得到含时输入脉冲簇瞬时功率P_in(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率P_out(t)。

第二步，将得到的含时输入脉冲簇瞬时功率和含时输出脉冲簇瞬时功率导入Matlab程序(内含随机并行梯度下降优化算法)，提取包络波形，作为随机并行梯度下降算法计算预补偿波形时的初始输入和输出波形，如图3(a)光纤放大器6输入脉冲簇包络波形，纵坐标为瞬时功率，单位为瓦，横坐标为时间，单位为纳秒，图3(b)为光纤放大器6输出脉冲簇包络波形，纵坐标为瞬时功率，因为功率被光纤放大器6放大了，单位为千瓦，横坐标为时间，单位为纳秒。

第三步，通过公式G(t)＝P_out(t)/P_in(t)计算得到与时间相关的增益函数G(t)，根据放大器F-N模型中增益公式(1)，

G(t)＝1+(G₀-1)exp[-E_out(t)/E_sat] (1)

曲线拟合得到初始增益G₀和放大器的饱和能流E_sat参数；

第四步，将矩形包络波形设为Matlab程序的目标输出包络波形，归一化目标输出矩形包络波形如图3(c)所示，图3(c)中，纵坐标为归一化值，横坐标为时间，单位为纳秒；

第五步，运行MATLAB程序得到预设波形，归一化预设波形如图3(d)所示，图3(d)中，纵坐标为归一化值，横坐标为时间，单位为纳秒。

本发明的一个实施例为，同步控制电路5输出两路脉宽可调，重频可调，幅值为5V的标准数字信号且第一同步时序信号和第二同步时序信号脉冲间时间抖动小于5ns。

激光种子源1为半导体激光器，中心波长为1064nm。可编辑波形信号板71输出脉宽为100ns的矩形电信号。由此，激光种子源1输出的光脉冲参数为脉冲宽度为100ns,脉冲重复频率为50kHz，脉冲波形如图4(a)所示，这种光脉冲重频、脉宽均可调。

光纤预放大器2采用一级(即M＝1)纤芯泵浦方式。光纤预放大器2将种子光平均功率由3mW提升至120mW。由于增益饱和效应，种子脉冲波形经过光纤预放大器2输出的时域波形发生改变，示意如图4(b)所示，波形由于增益饱和效应发生了畸变。

可编辑波形信号板72为外触发工作模式，当从同步控制电路5接收到第二同步时序信号时向声光调制器31发送预设波形电信号。可编辑波形信号板72输出的预设波形和声光调制器调制后的光脉冲波形如图4(c)所示，该预设波形可补偿光纤放大器6的增益饱和效应，使得光纤放大器6输出的脉冲包络为矩形。

高频信号源4采用压控频变振荡器，输出的电压大于电光强度调制器32的半波电压。

电光强度调制器32根据高频信号源4提供的信号将入射光脉冲调制为相同频率的高频正弦脉冲，输出脉冲簇时域如图4(d)所示，高频正弦脉冲重频由于高频信号源4的灵活可调而可调，包络波形可预补偿光纤放大器6增益饱和效应引起的脉冲畸变，使得光纤放大器6输出矩形包络脉冲簇。

光纤放大器6由一级双向泵浦纤芯放大器和两级前向泵浦包层放大器(N＝3)组成。经过光纤放大器6输出的矩形包络脉冲簇时域特性如图4(e)所示。此脉冲簇重频、脉宽、包络波形、GHz高频脉冲重频均可调谐。

此实施例输出的图4(e)所示的矩形包络脉冲簇重频为50kHz，脉冲簇脉宽为100ns，高频脉冲重频为1GHz，平均功率为10W，对应的峰值功率为4kW，时域波形如图5所示，横坐标是时间，单位为纳秒，纵坐标是脉冲簇的瞬时功率，单位为千瓦，包络为矩形。

Claims (8)

1.一种作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器由激光种子源(1)、光纤预放大器(2)、光学调制模块(3)、高频信号源(4)、同步控制电路(5)、光纤放大器(6)、2块可编辑波形信号板(7)即第一可编辑波形信号板(71)和第二可编辑波形信号板(72)组成；光学调制模块(3)由声光调制器(31)和电光强度调制器(32)组成，声光调制器(31)和电光强度调制器(32)以光纤熔接器件尾纤的方式连接；激光种子源(1)的输出端与光纤预放大器(2)的输入端、光纤预放大器(2)的输出端与光学调制模块(3)的光纤输入端即声光调制器(31)的光纤输入端、光学调制模块(3)的输出端即电光强度调制器(32)的光纤输出端与光纤放大器(6)的输入端均通过光纤熔接的方式连接；激光种子源(1)的信号输入端与第一可编辑波形信号板(71)的信号输出端通过同轴信号线相连；第一可编辑波形信号板(71)的外部触发信号输入端与同步控制电路(5)的第一输出端通过同轴信号线连接；第二可编辑波形信号板(72)的外部触发信号输入端与同步控制电路(5)的第二输出端通过同轴信号线相连，第二可编辑波形信号板(72)的信号输出端与声光调制器(31)的信号输入端通过同轴信号线相连，电光强度调制器(32)的射频信号输入端与高频信号源(4)的信号输出端以同轴信号线连接；

同步控制电路(5)为第一可编辑波形信号板(71)和第二可编辑波形信号板(72)提供同步时序信号；第一输出端输出的第一同步时序信号用于触发第一可编辑波形信号板(71)，第二输出端输出的第二同步时序信号用于触发第二可编辑波形信号板(72)；

第一可编辑波形信号板(71)为外触发工作模式，当从同步控制电路(5)接收到第一同步时序信号时，根据微波系统光导器件对信号源脉宽的要求编辑电脉冲宽度，向激光种子源(1)发送重频和脉宽都可调的矩形信号；

激光种子源(1)采用半导体脉冲激光种子源，根据第一可编辑波形信号板(71)输出的矩形信号产生脉冲重频、脉宽、幅值、时域波形均灵活可调的激光种子脉冲；

光纤预放大器(2)对从激光种子源(1)产生的激光种子脉冲进行功率提高，并提升作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器的信噪比；光纤预放大器(2)由M级光纤放大器组成，M≥1；

第二可编辑波形信号板(72)为外触发工作模式，当从同步控制电路(5)接收到第二同步时序信号时向声光调制器(31)发送预设波形电信号；

声光调制器(31)是光纤耦合声光调制器，声光调制器(31)一方面从第二可编辑波形信号板(72)接收预设波形电信号，将光纤预放大器(2)输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器(32)；另一方面声光调制器(31)关断光纤预放大器(2)输出的光脉冲间连续的自发辐射噪声；

所述高频信号源(4)用于为电光强度调制器(32)提供频率可调的GHz量级高频正弦信号，要求高频信号源(4)输出的电压大于电光强度调制器(32)的半波电压；

电光强度调制器(32)根据高频信号源(4)输出的高频正弦信号，将从声光调制器(31)接收的预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，使得预设包络波形脉冲簇激光内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源(4)接收的高频正弦信号相同，并将调制后的脉冲簇激光发送给光纤放大器(6)；

光纤放大器(6)对从电光强度调制器(32)接收的预设包络波形脉冲簇激光进行放大，输出矩形包络脉冲簇，光纤放大器(6)由N级光纤放大器组成，N≥2；光纤放大器(6)的输出端熔接有光纤端帽或者隔离器。

2.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述同步控制电路(5)输出的第一同步时序信号和第二同步时序信号为脉宽可调、重频可调，幅值为2.5V～5V的标准数字触发信号，且第一同步时序信号和第二同步时序信号脉冲间时间抖动小于5ns。

3.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述激光种子源(1)的中心波长范围为1030nm～1065nm，脉宽范围为10ns～200ns，重频范围为10Hz～200kHz。

4.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述光纤预放大器(2)输出激光脉冲的平均功率和峰值功率小于等于电光强度调制器(32)的最大承受功率。

5.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述第二可编辑波形信号板(72)的预设波形电信号采用以下方法得到：

第一步，将第二可编辑波形信号板(72)的输出信号设置为矩形，在此条件下用高速示波器、光电探测器和功率计测试光纤放大器(6)的输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形和脉冲簇能量E_out(t)，由脉冲簇能量和输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形计算得到含时输入脉冲簇瞬时功率P_in(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率P_out(t)，t是时间；

第二步，将P_in(t)和P_out(t)测试得到的输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形导入内含随机并行梯度下降优化算法的Matlab程序，提取包络波形，作为Matlab程序中随机并行梯度下降优化算法计算预补偿波形时的初始输入和输出波形；

第三步，通过公式G(t)＝P_out(t)/P_in(t)计算得到与时间相关的增益函数G(t)，根据放大器F-N模型中增益公式(1)，

G(t)＝1+(G₀-1)exp[-E_out(t)/E_sat] (1)

曲线拟合得到初始增益G₀和放大器的饱和能流E_sat参数；

第四步，将矩形包络波形设为Matlab程序的目标输出包络波形；

第五步，运行MATLAB程序得到预设波形电信号。

6.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述声光调制器(31)带宽大于100MHz。

7.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述高频信号源(4)为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种，或为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种与功率放大器的组合。

8.如权利要求1所述的作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，其特征在于所述电光强度调制器(32)的工作带宽大于等于10GHz。