CN110752507A - 脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，包括输出镜、色心晶体、工作介质、高功率激光二极管、可控恒流源驱动电路、干涉滤色片、快响应光电探测组件、脉冲计数电路、脉冲周期计时电路、程控控制器和上位机，该装置通过控制恒流源输出电流实现激光脉冲序列时间周期的控制，通过恒流源泵浦时间长短的调节实现激光脉冲个数的控制，利用实际激光脉冲输出个数和周期的实时监测反馈精确控制激光脉冲序列参数。本发明具有激光脉冲周期及序列长度可程控、精度高、系统工作稳定速度快、结构简单、体积小等优点，在激光探测领域具有广阔应用前景。

Description

脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置

技术领域

本发明涉及脉冲激光序列发生技术，特别是一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置。

背景技术

随着激光发生装置的飞速发展，激光雷达以其分辨率高、抗干扰能力强、优异的低空探测能力、体积小、质量轻等优势在民用，军事和科研等领域中逐渐有了较为广泛的应用。激光雷达对于激光信号发生装置的要求也不断提高。

对于传统的激光信号发生装置，其能够产生的激光信号由驱动电路和激光器共同决定，只能产生特定的一种或几种激光信号。专利公布号为CN 169861070A的发明专利中公布了一种激光发生装置，包括激光器，声光晶体、准直镜和选择光阑，可以同时实现同步锁模双波长皮秒脉冲输出，以及双波长非同步飞秒脉冲输出，但是其只能输出超短脉冲激光、输出激光周期不可调节。

在具体的激光雷达使用过程中，为了应对更为复杂的测量环境和要求，激光雷达需要能够产生多种不同的激光序列，在这种应用环境下，只能输出单一或几种固定周期的激光序列发生装置已不能够满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，包括输出镜、色心晶体、工作介质、激光二极管、可控恒流源驱动电路、干涉滤色片、光电探测组件、脉冲计数电路、脉冲周期计时电路、程控控制器和上位机；

其中激光二极管、工作介质、色心晶体和输出镜放置在一个密封腔体中，组成一个端面泵浦式的激光器，元件放置顺序依次为激光二极管、工作介质、色心晶体和输出镜，安装时保证所有器件的光轴在同一条直线上；可控恒流源驱动电路与激光器中的激光二极管连接，提供脉冲电流信号输出；所述干涉滤色片嵌于激光器的外部壳体中，干涉滤色片处于在色心晶体后，输出镜之前，位于激光器外壳的侧面，不在激光器主光轴光路上；光电探测器组件放置在干涉滤色片的光轴上，并分别与脉冲计数电路、脉冲周期计时电路相连接；脉冲计数电路、脉冲周期计时电路同时连接到程控控制器；程控控制器与上位机相连；上位机和可控恒流源驱动电路相连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明中的激光器使用的是LD端面泵浦激光器，内部采用新式的激光二极管紧贴式泵浦结构，这种结构利用了激光二极管的近场特性，在保证输出的前提下进一步缩小激光器的体积，使得整体装置能够进一步小型化；(2)本发明在传统的多脉冲激光序列发生装置的基础上增加了一条反馈电路，这条反馈电路首先能够完成与激光探测器类似的工作，也就是完成对发生装置所产生信号的检测功能，使得使用者能够实时得到激光信号的数据；与此同时，这条反馈电路利用程控控制器还能够对激光器驱动电路进行控制从而更改发生的激光信号的脉冲个数、脉宽、占空比等重要参数，使得本发明可以完成多种复杂情况下激光雷达的信号发生任务。

附图说明

图1为本发明脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置示意图。

图2为本发明的单脉冲激光周期反馈控制流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，包括输出镜1、色心晶体2、工作介质3、激光二极管4、可控恒流源驱动电路5、干涉滤色片6、光电探测组件7、脉冲计数电路8、脉冲周期计时电路9、程控控制器10和上位机11；

其中激光二极管4、工作介质3、色心晶体2和输出镜1放置在一个密封腔体中，组成一个端面泵浦式的激光器，元件放置顺序依次为激光二极管4、工作介质3、色心晶体2和输出镜1，安装时保证所有器件的光轴在同一条直线上；可控恒流源驱动电路5与激光器中的激光二极管4连接，提供脉冲电流信号输出；所述干涉滤色片6嵌于激光器的外部壳体中，干涉滤色片6处于在色心晶体2后，输出镜1之前，位于激光器外壳的侧面，不在激光器主光轴光路上；光电探测器组件7放置在干涉滤色片6的光轴上，并分别与脉冲计数电路8、脉冲周期计时电路9相连接；脉冲计数电路8、脉冲周期计时电路9同时连接到程控控制器10；程控控制器10与上位机11相连；上位机11和可控恒流源驱动电路5相连接。

进一步的，可控恒流源驱动电路5用于输出稳定的脉冲电流，且电流大小和持续时间可调节。

进一步的，干涉滤光片6的中心波长为1535nm，带宽为10nm，且对1535nm激光透过率高，能够过滤激光器中产生的杂散光，使得1535nm波段的激光信号能够进入到光电探测器组件中。

程控控制器10采用串联电流循环反馈的控制方法，具有动态响应快，动态误差小，输出稳定性好的优点。

进一步的，激光二极管4、工作介质3、色心晶体2和输出镜1组成一个LD端面泵浦激光器，可以发射中心波长为1535nm的激光信号，带宽为10nm，发射角范围为1-1.5个毫弧度，这种激光器具有对人眼安全，峰值功率大，体积小，结构简单等优势。

进一步的，快响应光电探测器组件7的响应时间为0.5ns，用于探测激光装置发生的ns量级脉宽的激光信号。

本装置由电源产生电流信号输入可控恒流源驱动电路5，再由可控恒流源驱动电路5对电流信号进行调制以后接入激光二极管4产生泵浦光。泵浦光进入由工作介质3、色心晶体2和输出镜1构成的谐振腔后产生激光信号。装置中的干涉滤色片6针对激光器泵浦产生的杂散光进行选择，筛选1535nm波段的激光信号通过干涉滤色片6，经由干涉滤色片6选择的激光信号进入到光电探测器7中生成电信号输入到脉冲计数电路8和脉冲周期计时电路9中并根据程控控制器10中预先设定的反馈控制程序生成反馈信号，并将生成的反馈信号输出到上位机11中，最后由上位机11对可控恒流源驱动电路5发出操控命令，以改变其脉冲个数、脉宽、频率等参数，最后完成对激光器发射的激光信号占空比等关键参数的调节。

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例

结合图1，一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，包括输出镜1、色心晶体2、工作介质3、激光二极管4、可控恒流源驱动电路5、干涉滤色片6、快响应光电探测组件7、脉冲计数电路8、脉冲周期计时电路9、程控控制器10和上位机11。激光二极管4、工作介质3、色心晶体2和输出镜1紧贴放置在一个密封腔体中，组成一个端面泵浦式的激光器，元件放置顺序如图1所示，安装时保证所有器件的光轴在同一条直线上；可控恒流源驱动电路5与激光器中的激光二极管4连接，提供脉冲电流信号输出；装置中的干涉滤色片6嵌于激光器的外部壳体中，滤色片所在位置处于色心晶体2后，输出镜1之前，如图1所示位于激光器外壳的侧面，不在激光器主光轴光路上；快响应光电探测器组件7放置在干涉滤色片6的光轴上，并分别与脉冲计数电路8、脉冲周期计时电路9相连接；脉冲计数电路8、脉冲周期计时电路9之间不连接，但它们同时连接到程控控制器10；程控控制器10与上位机11相连；上位机11和可控恒流源驱动电路5相连接。

本装置中的LD端面泵浦激光器采用新式的激光二极管紧贴式泵浦结构，即在激光器中取消的整形透镜的设计，由激光二极管发出的泵浦光直接进入到增益介质中，这是利用了激光二极管的近场特性，本装置采用的激光二极管在近场处的发散角较小，其激光束腰可以近似视为高斯光束。这种设计可以在保证激光器输出的前提下进一步缩小激光器的体积，使得整体装置小型化。

本装置由电源产生电流信号输入可控恒流源驱动电路5，再由可控恒流源驱动电路5对电流信号进行调制以后接入激光二极管4产生泵浦光。泵浦光进入由工作介质3、色心晶体2和输出镜1构成的谐振腔后产生激光信号。装置中的干涉滤色片6针对激光器泵浦产生的杂散光进行选择，筛选1535nm波段的激光信号通过干涉滤色片6，经由干涉滤色片6选择的激光信号进入到光电探测器7中生成电信号输入到脉冲计数电路8和脉冲周期计时电路9中并根据程控控制器10中预先设定的反馈控制程序生成反馈信号，并将生成的反馈信号输出到上位机11中，最后由上位机11对激光器驱动电路发出操控命令，以改变其脉冲个数、脉宽、频率等参数，最后完成对激光器发射的激光信号占空比等关键参数的调节。

程控控制器控制脉冲周期方法如下：

步骤1、脉冲计数电路8读取激光信号脉冲个数，传输到程控控制器10中；

步骤2、脉冲个数的信息输入到采样比较电路中与预先的设定值比较，得到已有信号脉冲个数与预设值的相对关系，在经译码逻辑变为一组控制信号；

步骤3、将步骤2得到的控制信号输入到电源通断反馈控制电路中，通过控制电流信号的通断来控制单个脉冲序列的周期个数，最后达到设定预值。

如图2所示，程控控制器控制控制脉冲周期T方法如下：

步骤1、脉冲周期计时电路9读取激光信号周期时间，传输到程控控制器10中；

步骤2、脉冲个数的信息输入到采样比较器中与预先的设定值比较，得到已有信号脉冲个数与预设值的相对关系；

步骤3、本装置以步进法方式进行电流信号的调整，首先根据步进法要求生成电流控制信号，并传输给上位机11；

步骤4、上位机11由DA转换电路完成对恒流源驱动电路5的电流控制，生成调整后的激光信号；

步骤5、不断进行上述反馈循环，直到采样比较器的比较结果确认检测到激光信号的单脉冲周期与预设值保持一致，此时向外输出调节完成的信号并停止对电流进行调节，但光电探测器与采样比较器不停止工作。若收到其他外界环境因素影响导致单脉冲周期发生变化，则继续进行调节直到稳定至预设值。

本实施例中采用的是中心波长为940nm的激光二极管，增益介质采用的是铒镱共掺杂的磷酸盐玻璃，其掺杂浓度为1wt.％Er³⁺、21wt.％Yb³⁺，全反镀膜为940nm增透膜和1535nm全反膜。调Q晶体选择CO²⁺:Mg Al₂O₄，输出耦合镜上的镀膜选择为1535nm部分反射膜和940nm全反膜。干涉滤色片的中心波长为1535，镀940nm全反膜。光电转换器使用的是半导体PIN光电二极管。周期计时电路主要采用德国ACAM公司的TDC-GPX的时间数字转换芯片，使用以51单片机为主要构成的周期个数计数电路。采用意法半导体公司出品的STM32F103C8T6微控制器作为可编程控制器。STM32F103C8T6微控制器是32位处理器，它的内核采用ARM Cortex-M3，该芯片与所有ARM工具和软件兼容。泵浦激光器恒流LD驱动电路由P沟道增强型场效应管、大功率三极管、运算放大器、两个阻值大小相等的保护电阻。设计采用MOS管与大功率三极管串联方式驱动LD发光，其中通过可编程控制器输出控制信号控制场效应管的栅极电平，进而控制泵浦激光器恒流LD电路是否导通。同时可编程控制器还可以通过改变输送给D/A的数字量的大小，进而调节泵浦激光器的LD的发光功率。

Claims (6)

1.一种脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，其特征在于，包括输出镜(1)、色心晶体(2)、工作介质(3)、激光二极管(4)、可控恒流源驱动电路(5)、干涉滤色片(6)、光电探测组件(7)、脉冲计数电路(8)、脉冲周期计时电路(9)、程控控制器(10)和上位机(11)；

其中激光二极管(4)、工作介质(3)、色心晶体(2)和输出镜(1)放置在一个密封腔体中，组成一个端面泵浦式的激光器，元件放置顺序依次为激光二极管(4)、工作介质(3)、色心晶体(2)和输出镜(1)，安装时保证所有器件的光轴在同一条直线上；可控恒流源驱动电路(5)与激光器中的激光二极管(4)连接，提供脉冲电流信号输出；所述干涉滤色片(6)嵌于激光器的外部壳体中，干涉滤色片(6)处于在色心晶体(2)后，输出镜(1)之前，位于激光器外壳的侧面，不在激光器主光轴光路上；光电探测器组件(7)放置在干涉滤色片(6)的光轴上，并分别与脉冲计数电路(8)、脉冲周期计时电路(9)相连接；脉冲计数电路(8)、脉冲周期计时电路(9)同时连接到程控控制器(10)；程控控制器(10)与上位机(11)相连；上位机(11)和可控恒流源驱动电路(5)相连接。

2.根据权利要求书1所述的脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，其特征在于，可控恒流源驱动电路(5)用于输出脉冲电流，且电流大小和持续时间可调节。

3.根据权利要求书1所述的脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，其特征在于，干涉滤光片(6)的中心波长为1535nm，带宽为10nm。

4.根据权利要求书1所述的脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，其特征在于，激光二极管(4)的中心波长为940nm。

5.根据权利要求书1所述的脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，其特征在于，激光二极管(4)、工作介质(3)、色心晶体(2)和输出镜(1)组成一个LD端面泵浦激光器，发射中心波长为1535nm的激光信号，带宽为10nm，发射角范围为1-1.5个毫弧度。

6.根据权利要求书1所述的脉冲周期和序列长度可控的多脉冲激光序列发生装置，其特征在于，光电探测器组件的响应时间为0.5ns。

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