CN111509541B - 一种时延平衡链路及锁相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时延平衡链路及锁相方法，所述时延平衡链路包含：微处理器、D/A转换模块、TEC驱动、光纤延迟线、A、B两个相位调制器、温控模块及光纤环；其中光纤延迟线与相位调制器A相连，构成一个链路；光纤环与相位调制器B相连，构成另一个链路。所述锁相方法主要是通过引入光纤延迟线来实现时延的粗略调节，通过调节相位调制器的控制电压来实现对激光脉冲的相位锁定。本发明的优点有：能实现激光脉冲合成的粗略调节和相位锁定；能有效应对持续缓慢的较大范围的时延变化，保证激光脉冲的持续相干合成；能获得更大的锁相调整范围。

Description

一种时延平衡链路及锁相方法
技术领域
本发明涉及一种链路及链路锁相方法，属激光合成技术领域，具体的说是涉及一种时延平衡链路及锁相方法。
背景技术
光纤激光器能量转换效率高、光束质量好，在激光加工、高能激光武器方面有广泛应用。更高的功率是高能激光系统的不懈追求。由于非线性效应、热透镜等因素限制，单纤可输出激光功率有限，为获得更高的激光功率，通常采用相干合成或光谱合成的方式。
在相干合成技术方案中，通常需要实现链路间激光相位的锁定。在连续光相干合成中，通常采用相位调制器来实现相位锁定，当控制电压超过相位调制器件的承受阈值时，通常采用复位方式来获得持续的相位锁定。由于复位时间很短，对于连续光相干合成，复位带来的影响不明显，因此相干合成可持续执行。
对于脉冲型激光系统，为获得高效的合成，要求合成的激光脉冲同步到达，并进行相位锁定。通常脉冲激光合成需要两路激光脉冲时延一致，因为在持续锁相过程中，若相位调制器出现复位次数过多，脉冲激光会发生错位，进而导致合成效率下降，甚至合成失败。
发明内容
针对背景技术中脉冲激光相干合成存在的持续锁相需求问题，本发明的目的在于提供一种能实现大范围调节和持续锁相，并能保证在脉冲激光合成时两路激光脉冲时延一致的时延平衡链路及锁相方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种时延平衡链路，包含微处理器、D/A转换模块、TEC驱动、光纤延迟线、相位调制器A、相位调制器B、温控模块及光纤环；所述微处理器与所述D/A转换模块相连，所述D/A转换模块分别与所述TEC驱动、光纤延迟线、相位调制器A及相位调制器B相连，所述TEC驱动还与所述温控模块相连，所述光纤延迟线还与所述相位调制器A相连，构成时延平衡链路的其中一个链路；所述相位调制器B还与所述光纤环相连，构成时延平衡链路的另一个链路；所述光纤环设置在所述温控模块上；
使用时，时延平衡链路的两个输入端口与输出ns级单频激光脉冲的两个激光脉冲发生器一一对应连通，两个输出端口对应与一个合束器相连通，两个激光脉冲发生器输出的两路ns级单频激光脉冲经时延平衡链路的两个链路输出到合束器中合成后，一部分合成激光经过光电探测器探测后形成光强度信号并返回到时延平衡链路的微处理器中，微处理器接收光强度信号，经D/A转换电路实现对光纤延迟线、相位调制器A、相位调制器B及TEC驱动)的控制，以实现对两个链路的平衡与相位的持续锁定；TEC驱动实现对温控模块调整，进而实现对光纤环温度的调整。
上述技术方案中，所述温控模块及光纤环均设置在光纤盘上。
上述技术方案中，所述光强度信号为两个链路激光脉冲合成后的脉冲激光所转换的电信号。
上述技术方案中，所述光纤延迟线为延时调整精度小于1ps的保偏光纤延迟线。
上述技术方案中，所述相位调制器A和相位调制器B均为带宽小于500MHz的铌酸锂相位调制器。
上述技术方案中，所述温控模块由半导体制冷片、盘纤块及热敏电阻构成，所述半导体制冷片与盘纤块长宽尺寸一致且均大于5cmx5cm。
上述技术方案中，所述光纤环为保偏光纤环，其长度为50cm～200cm。
一种时延平衡链路锁相方法，使用上述时延平衡链路来实现对脉冲激光相干合成过程中的持续锁相。
上述技术方案，包含如下步骤：
步骤1、将时延平衡链路的两个输入端口各与一个输出ns级单频激光脉冲的激光脉冲发生器连通，将时延平衡链路的两个输出端口连接到一个合束器的输入端中，将合束器的输出端通过一个光电探测器连接到时延平衡链路的微处理器中；
步骤2、将两个激光脉冲发生器输出的两路ns级单频激光脉冲通过时延平衡链路中的两个链路输送到合束器进行合成，形成合成脉冲激光，然后再将经合束器合成的合成脉冲激光一部分输送到光电探测器中，经光电探测器探测后形成光强度信号并返回到时延平衡链路的微处理器中；
步骤3、将时延平衡链路中的温控模块设置到常温25℃，将相位调制器A和相位调制器B的控制电压置0；
步骤4、调整时延平衡链路中的光纤延迟线，使光强度信号出现短期波动PV大于20％的大幅起伏，实现对合成脉冲激光的初步对准；
步骤5、调整时延平衡链路中的相位调制器A和相位调制器B的控制电压，使光强度信号趋于最大，实现持续的相位锁定，即可实现持续的脉冲激光合成；
其中，调整相位调制器A和相位调制器B的顺序具体如下：
先调整相位调制器A，若相位调制器A达到正电压阈值+15V时，则调整相位调制器B；若相位调制器B达到负电压阈值-15V时，则将相位调制器B的控制电压复位到0V，并将复位次数减1；若相位调制器B达到正电压阈值+15V时，则调整相位调制器A；若相位调制器A的控制电压达到负电压阈值-15V时，则将相位调制器A的控制电压复位到0V，并将复位次数加1；
其中，复位次数的初始值为0；
其中，在持续锁相过程中，若复位次数为负，则隔一段时间将温控模块设置值减一定温度值；若复位次数为正，则隔一段时间将温控模块设置值增加一定温度值。
与现有技术相比，本发明的优点有：
(1)激光脉冲合成的粗略调节和相位锁定均能实现，其中引入的光纤延迟线能实现时延的粗略调节，采用的相位调制器能实现激光脉冲的相位锁定；
(2)采用两个相位调制器，分置于两个链路，利于平衡链路时延差异，并获得更大的锁相范围(即两个链路各包含一个相位调制器，器件引入的时延可相互平衡，而两者的相位调制范围可叠加，相当于拓展了相位锁定的调整范围)；
(3)引入温控模块，温控部分光纤，能有效应对持续缓慢的较大范围的时延变化，保证激光脉冲的持续相干合成。
附图说明
图1为本发明时延平衡链路的电路结构示意图；
图2为本发明时延平衡链路的使用状态图；
附图标记说明：
100、时延平衡链路；101、微处理器；102、D/A转换模块；103、TEC驱动；104、光纤延迟线；105、相位调制器A；106、相位调制器B；107、温控模块；109、光纤环；
200、激光脉冲发生器；
300、光强度信号；
400、合束器；
500、光电探测器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。
参阅图1所示，本发明提供的一种时延平衡链路，包含微处理器101、D/A转换模块102、TEC驱动103、光纤延迟线104、相位调制器A105、相位调制器B106、温控模块107及光纤环109；其中，微处理器101与D/A转换模块102相连，D/A转换模块102分别与TEC驱动103、光纤延迟线104、相位调制器A105及相位调制器B106相连，TEC驱动103还与温控模块107相连，光纤延迟线104还与相位调制器A105相连，构成时延平衡链路100其中一个链路；相位调制器B106还与光纤环109相连，构成时延平衡链路100的另一个链路光纤环109设置在温控模块107上；。
本发明链路使用时，参阅图2所示，时延平衡链路100的两个输入端口IN1、IN2与输出ns级单频激光脉冲的两个激光脉冲发生器200一一对应连通，两个输出端口UOT1、OUT2对应与一个合束器400相连通，两个激光脉冲发生器200输出的两路ns级单频激光脉冲经时延平衡链路100的两个链路输出到合束器400进行合成后，一部分合成激光经过光电探测器500探测后形成光强度信号300并返回到时延平衡链路100的微处理器101中，微处理器101接收光强度信号300，经D/A转换电路102实现对光纤延迟线104、相位调制器A105、相位调制器B106及TEC驱动103的控制(即对光纤延迟线104的时延调节，对相位调制器A105、相位调制器B106的控制电压调整，对光纤环109的温度控制)，以实现对两个链路的平衡与相位的持续锁定；TEC驱动103实现对温控模块107)调整，进而实现对光纤环109温度的调整(即利用温度对光纤环109的长度及折射率的影响，实现较大范围的持续调节，以补偿链路间的时延差异，实现时延的平衡调整)。
具体的说，在本发明中，温控模块107及光纤环109均设置在光纤盘108上；温控模块107的的作用是：可以实现对光纤环109温度较大范围的持续调节，以补偿链路间的时延差异。
具体的说，在本发明中，光强度信号300为两个链路激光合成后的激光所转换的电信号。
具体的说，在本发明中，光纤延迟线104为延时调整精度优于1ps的保偏光纤延迟线；光纤延迟线104的作用是：可以实现较大范围的时延补偿，从而实现两个链路间的时延粗略平衡。
具体的说，在本发明中，相位调制器A105和相位调制器B106均为带宽小于500MHz的铌酸锂相位调制器。
具体的说，在本发明中，温控模块107由半导体制冷片(TEC)、盘纤块及热敏电阻构成，半导体制冷片(TEC)与盘纤块长宽尺寸一致且均大于5cmx5cm。
具体的说，在本发明中，光纤环109为保偏光纤环，其长度为50cm～200cm。
作为本发明的一种实施例：光纤延迟线104为延时调整范围0～500ps，延时调整精度优于1ps的保偏光纤延迟线；相位调制器A105和相位调制器B06均为带宽100MHz的铌酸锂相位调制器；光纤环109为长度约90cm的保偏光纤环；温控模块107中半导体制冷片(TEC)与盘纤块的长宽尺寸为12cmx6cm。
本发明提供的一种时延平衡链路锁相方法，具体是使用上述时延平衡链路100来实现对脉冲激光相干合成过程中的持续锁相方法。
具体的说，该时延平衡链路锁相方法，包含如下步骤：
步骤1、将延平衡链路100的两个输入端口各与一个输出ns级单频激光脉冲的激光脉冲发生器200连通，将时延平衡链路100的两个输出端口连接到一个合束器400的输入端中，将合束器400的输出端通过一个光电探测器500连接到时延平衡链路100的微处理器101中；
步骤2、将两个激光脉冲发生器200输出的两路ns级单频激光脉冲通过时延平衡链路100中的两个链路输送到合束器400进行合成，形成合成脉冲激光，然后再将经合束器400合成的合成脉冲激光一部分输送到光电探测器500中，经光电探测器500探测后形成光强度信号300并返回到时延平衡链路100的微处理器101中；
步骤3、将时延平衡链路100中的温控模块107设置到常温25℃，将相位调制器A105和相位调制器B106的控制电压置0(即实现相位调制器工作状态初始化)；
步骤4、调整时延平衡链路100中的光纤延迟线104，使光强度信号300出现大幅起伏(如短期波动PV大于20％)，实现对合成脉冲激光的初步对准；
步骤5、调整时延平衡链路100中的相位调制器A105和相位调制器B106的控制电压，使光强度信号300趋于最大，实现持续的相位锁定，即可实现持续的脉冲激光合成；
其中，调整相位调制器A105和相位调制器B106的顺序具体如下：
先调整相位调制器A105，若相位调制器A105达到正电压阈值+15V时，则调整相位调制器B106；若相位调制器B106达到负电压阈值-15V时，则将相位调制器B106的控制电压复位到0V，并将复位次数减1；若相位调制器B106达到正电压阈值+15V时，则调整相位调制器A；若相位调制器A105的控制电压达到负电压阈值-15V时，则将相位调制器A105的控制电压复位到0V，并将复位次数加1；
其中，复位次数的初始值为0；
其中，在持续锁相过程中，若复位次数为负，则隔一段时间(如1秒)将温控模块107设置值减一定温度值(如0.1℃)；若复位次数为正，则隔一段时间如1秒)将温控模块107设置值增加一定温度值(如0.1℃)。
作为本发明时延平衡链路锁相方法的一种实施例：假设步骤5中，在持续锁相过程中，当复位次数为负数时，每隔1秒将温控模块107设置值减0.05℃；当复位次数为正数时，每隔1秒将温控模块107设置值增加0.05℃；这样由两个激光脉冲发生器200输出的两路ns级单频激光脉冲在经过时延平衡链路100的两个输出端口OUT1、OUT2输出到合束器400进行合成后，合成后的一部分合成激光经光电探测器探测500后形成光强度信号300返回到时延平衡链路100，经调整后，可以在1小时内持续实现激光脉冲的合成。
本发明提供的一种时延平衡链路及锁相方法，针对脉冲激光相干合成存在的持续锁相需求而设计的，主要是通过引入光纤延迟线、2个相位调制器和温控的光纤环，来实现大范围调节和持续的锁相。
最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种时延平衡链路锁相方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤1、将时延平衡链路(100)的两个输入端口各与一个输出ns级单频激光脉冲的激光脉冲发生器(200)连通，将时延平衡链路(100)的两个输出端口连接到一个合束器(400)的输入端中，将合束器(400)的输出端通过一个光电探测器(500)连接到时延平衡链路(100)的微处理器(101)中；
其中，所述时延平衡链路(100)包含微处理器(101)、D/A转换模块(102)、TEC驱动(103)、光纤延迟线(104)、相位调制器A(105)、相位调制器B(106)、温控模块(107)及光纤环(109)；所述微处理器(101)与所述D/A转换模块(102)相连，所述D/A转换模块(102)分别与所述TEC驱动(103)、光纤延迟线(104)、相位调制器A(105)及相位调制器B(106)相连，所述TEC驱动(103)还与所述温控模块(107)相连，所述光纤延迟线(104)还与所述相位调制器A(105)相连，构成时延平衡链路(100)的其中一个链路；所述相位调制器B(106)还与所述光纤环(109)相连，构成时延平衡链路(100)的另一个链路；所述光纤环(109)设置在所述温控模块(107)上；
步骤2、将两个激光脉冲发生器(200)输出的两路ns级单频激光脉冲通过时延平衡链路(100)中的两个链路输送到合束器(400)进行合成，形成合成脉冲激光，然后再将经合束器(400)合成的合成脉冲激光一部分输送到光电探测器(500)中，经光电探测器(500)探测后形成光强度信号(300)并返回到时延平衡链路(100)的微处理器(101)中；
步骤3、将时延平衡链路(100)中的温控模块(107)设置到常温25℃，将相位调制器A(105)和相位调制器B(106)的控制电压置0；
步骤4、调整时延平衡链路(100)中的光纤延迟线(104)，使光强度信号(300)出现短期波动PV大于20％的大幅起伏，实现对合成脉冲激光的初步对准；
步骤5、调整时延平衡链路(100)中的相位调制器A(105)和相位调制器B(106)的控制电压，使光强度信号(300)趋于最大，实现持续的相位锁定，即可实现持续的脉冲激光合成；
其中，调整相位调制器A(105)和相位调制器B(106)的顺序具体如下：
先调整相位调制器A(105)，若相位调制器A(105)达到正电压阈值+15V时，则调整相位调制器B(106)；若相位调制器B(106)达到负电压阈值-15V时，则将相位调制器B(106)的控制电压复位到0V，并将复位次数减1；若相位调制器B(106)达到正电压阈值+15V时，则调整相位调制器A(105)；若相位调制器A(105)的控制电压达到负电压阈值-15V时，则将相位调制器A(105)的控制电压复位到0V，并将复位次数加1；
其中，复位次数的初始值为0；
其中，在持续锁相过程中，若复位次数为负，则隔一段时间将温控模块(107)设置值减一定温度值；若复位次数为正，则隔一段时间将温控模块(107)设置值增加一定温度值。
2.根据权利要求1所述的时延平衡链路锁相方法，其特征在于：所述温控模块(107)及光纤环(109)均设置在光纤盘(108)上。
3.根据权利要求1所述的时延平衡链路锁相方法，其特征在于：所述光强度信号(300)为两个链路激光脉冲合成后的脉冲激光所转换的电信号。
4.根据权利要求1所述的时延平衡链路锁相方法，其特征在于：所述光纤延迟线(104)为延时调整精度小于1ps的保偏光纤延迟线。
5.根据权利要求1所述的时延平衡链路锁相方法，其特征在于：所述相位调制器A(105)和相位调制器B(106)均为带宽小于500MHz的铌酸锂相位调制器。
6.根据权利要求1所述的时延平衡链路锁相方法，其特征在于：所述温控模块(107)由半导体制冷片、盘纤块及热敏电阻构成，所述半导体制冷片与盘纤块长宽尺寸一致且均大于5cmx5cm。
7.根据权利要求1所述的时延平衡链路锁相方法，其特征在于：所述光纤环(109)为保偏光纤环，其长度为50cm～200cm。
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Denomination of invention: A delay balanced link and phase locking method

Effective date of registration: 20220310

Granted publication date: 20210423

Pledgee: Wuhan area branch of Hubei pilot free trade zone of Bank of China Ltd.

Pledgor: Baoyu (Wuhan) laser technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2022420000056