CN112582872A - 抑制波形畸变的功能模块及方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制波形畸变的功能模块，其特点在于包括脉冲输入模块、波形畸变抑制模块和脉冲放大模块，本发明通过编辑脉冲上升沿为特定的函数，将上升沿放缓，延长上升沿吸收放大器中反转粒子数的时间，平衡脉冲前沿与后沿的增益，进而改善因增益差引起的脉冲畸变。本发明具有结构简单、功能模块化、集成度高、成本低和操作简单的特点，可有效改善输出脉冲波形畸变。

Description

抑制波形畸变的功能模块及方法

技术领域

本发明涉及激光技术，特别是一种抑制波形畸变的功能模块及方法。

背景技术

高功率、长脉冲光纤激光器在3D扫描、激光打标、大气探测、激光清洗等领域具有很大的应用前景。MOPA技术，是将低功率的激光作为种子光，注入到大模场直径光纤放大器中，通过功率放大获得同等波长的高功率激光输出。该技术可以获得重复频率、脉冲宽度灵活可调的高功率激光输出，其输出的激光波长、重复频率、频谱宽度和时域脉宽均由种子源决定，而实现高功率的任务主要交给了放大器，是一种非常有效的获得高功率脉冲的技术手段。

但在光纤放大器中，脉冲到达之前积累了较多反转粒子数，光脉冲的上升沿首先进入增益光纤，消耗上能级粒子数并获得放大增益，而后到达的脉冲后沿，因为光纤中剩余的上能级粒子数减少，导致其获得的增益减少。因此，方形脉冲经过放大器后，由于前后沿增益差的存在，导致时域波形发生畸变，表现为脉冲前沿幅值高，脉冲后沿部分幅值呈指数衰减分布，如图1和2。而且，光纤增益越大，畸变越大；种子脉宽越宽，畸变越大。由于光纤非线性阈值较低，在同一单脉冲能量下和脉宽下，如果脉冲畸变较大，会导致放大后脉宽变窄、峰值功率过高，从而限制单脉冲能量的提高，影响激光加工的应用效果及范围。

为了解决上述技术问题，现有技术提供了一种基于电光调制的脉冲整形的MOPA光纤激光器，它通过电光调整器对信号波形进行补偿，改善输出波形从而提高输出激光的单脉冲能量。但是，电光调制器会引入较大的损耗且成本高昂，高损耗导致进入放大器的种子光功率下降，若要获得高功率脉冲激光输出，需加入多级预放大器，这会增加系统结构的复杂性且降低可靠性。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种抑制波形畸变的功能模块。该功能模块通过编辑脉冲上升沿为特定的函数，将上升沿放缓，延长上升沿吸收放大器中反转粒子数的时间，来平衡脉冲前沿与后沿的增益，进而改善因增益差引起的脉冲畸变。

本发明的技术解决方案如下：

一种抑制波形畸变的功能模块，其特点在于包括脉冲输入模块、波形畸变抑制模块和脉冲放大模块，所述的波形畸变抑制模块包括上升沿函数发生器和脉冲上升沿编辑器，所述的脉冲输入模块输出端与所述的波形畸变抑制模块的脉冲上升沿编辑器的第一输入端相连，所述的上升沿函数发生器的输出端与所述的脉冲上升沿编辑器的第二输入端相连，所述的脉冲上升沿编辑器的输出端与所述的脉冲放大模块的输入端相连，所述的脉冲输入模块输出种子脉冲光进入所述的脉冲上升沿编辑器，在所述的上升沿函数发生器产生的函数作用下，在所述的脉冲上升沿编辑器编辑所述的种子脉冲光的上升沿后，经所述的脉冲放大模块，使脉冲激光的功率放大及单脉冲能量提升。

所述的函数发生器包括用于N个产生时延的开关组、信号叠加器和低通滤波器，所述的N≥3，开关数量越多，函数精度越高，所述的信号叠加器将所述的N个产生时延的开关组产生的不同时延的信号叠加起来，再通过所述的低通滤波器滤除噪声后经所述的脉冲上升沿编辑器的第二输入端输入所述的脉冲上升沿编辑器。

一种抑制波形畸变的功能模块，包括脉冲输入模块：用于出射种子光；

脉冲输入模块出射特定波形的种子光，经过波形畸变抑制模块后，种子脉冲的上升沿被编辑成任意目标函数(包括但不限于线性函数、指数函数、阶梯函数等)，再通过脉冲放大模块，进行脉冲激光的功率放大及能量提升。

本发明的工作原理如下：

脉冲输入模块出射波形为方波的种子光，种子脉冲进入波形畸变抑制模块，脉冲被模块中的脉冲上升沿编辑器修改了脉冲上升沿，其中，上升沿的形状由函数发生器产生。经过波形畸变抑制模块后的脉冲，通过脉冲放大模块进行功率放大及能量提升。由于脉冲上升沿可以被编辑为任意函数，若将上升沿放缓，延长上升沿吸收放大器中反转粒子数的时间，这就可以平衡脉冲前沿与后沿的增益，进而改善因增益差引起的脉冲畸变。

另一方面，本发明还提供了一种采用上述抑制波形畸变的功能模块实现抑制波形畸变的方法，包括如下步骤：

①对每一组开关通道预设对应电流值，该电流值由串入该开关组的电阻值决定，开关通断由可编程逻辑门芯片控制；

②设开关组总数为n，第一开关组在t₀时刻闭合，t_n时刻断开，产生第一开关组预设电流波形；第二开关组在t₁时刻闭合，t_n时刻断开，产生第二开关组预设电流波形；以此类推，第n开关组在t_n－1时刻闭合，t_n时刻断开，产生第n开关组预设电流波形，其中，Δt₁＝t₁-t₀,称为第二开关组相对第一开关组的相位差，并以此类推；

③将第一开关组预设电流波形、第二开关组预设电流波形、……、和第n开关组预设电流波形采用运算放大器构建的加法电路进行叠加，输出叠加波形；

④对叠加波形进行低通滤波处理后，通过电流放大直接驱动所述种子激光器，通过调整每个开关的预设电流，调整每个开关组的闭合周期，改变开关组间的闭合周期相位差合成多个脉冲形状。

本发明的技术效果如下：

(1)目前市场上均以高采样率DA构建，成本高，结构复杂，本发明结构简单，功能模块化，集成度高；成本低，操作简单，运行可靠。

(2)采用上述波形电流驱动种子激光，使注入放大级的能量在一个脉宽时间内呈指数变化，有效抑制放大级对信号前沿的高增益，使脉冲畸变得到改善。

附图说明

图1为现有技术中的输入波形示意图；

图2为现有技术中的输出波形示意图；

图3为本发明的函数发生器产生的函数一；

图4为本发明的函数一相应输入波形经放大后的输出波形示意图；

图5为本发明抑制波形畸变的功能模块的结构示意图；

图6为本发明函数发生器的结构示意图；

图7为本发明开关组与预设电流的关系示意图；

图8为本发明开关组叠加后波形示意图；

图9为本发明滤波后输出波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图5和图6，图5为本发明抑制波形畸变的功能模块的结构示意图，图6为本发明函数发生器的结构示意图，由图可见，本发明抑制波形畸变的功能模块，包括脉冲输入模块1、波形畸变抑制模块2和脉冲放大模块3，所述的波形畸变抑制模块2包括上升沿函数发生器2-1和脉冲上升沿编辑器2-2，所述的脉冲输入模块1的输出端与所述的波形畸变抑制模块2的脉冲上升沿编辑器2-2的第一输入端相连，所述的上升沿函数发生器2-1的输出端与所述的脉冲上升沿编辑器2-2的第二输入端相连，所述的脉冲上升沿编辑器2-2的输出端与所述的脉冲放大模块3的输入端相连，所述的脉冲输入模块1输出的种子脉冲光进入所述的脉冲上升沿编辑器2-2，在所述的上升沿函数发生器2-1产生的函数作用下，在所述的脉冲上升沿编辑器2-2编辑种子脉冲光的上升沿后，经所述的脉冲放大模块3，使脉冲激光的功率放大及单脉冲能量提升。

所述的函数发生器2-1包括用于N个产生时延的开关组2-1-1、信号叠加器2-1-2和低通滤波器2-1-3，所述的N≥3，开关数量越多，函数精度越高，所述的信号叠加器2-1-2将所述的N个产生时延的开关组2-1-1产生的不同时延的信号叠加起来，再通过所述的低通滤波器2-1-3滤除噪声后经所述的脉冲上升沿编辑器2-2的第二输入端输入所述的脉冲上升沿编辑器2-2。

实施例

如图5所示，一种抑制波形畸变的功能模块，包括脉冲输入模块1：用于出射种子光；在本实施例中，所述的脉冲输入模块1包括半导体激光器及其驱动板；

所述的波形畸变抑制模块2：用于调整输入脉冲上升沿，进而抑制波形畸变；在本实施例中，包括函数发生器2-1(函数为指数函数)和脉冲上升沿编辑器2-2；

所述的函数发生器2-1如图6所示，包括用于产生时延的“开关组”2-1-1(开关组数量N＝7，开关数量越多，函数精度越高)，用于将不同时延的信号叠加起来的“信号叠加器”2-1-2，和用于滤除噪声的“低通滤波器”2-1-3。通过“开关组”设置各开关闭合时间及电流，配合“信号叠加器”和“低通滤波器”可以将脉冲上升沿模拟成不同函数。

脉冲放大模块3：用于脉冲激光的功率放大及单脉冲能量提升；在本实施例中，脉冲放大模块3包括隔离器、有源光纤(双包层掺镱光纤)、泵浦合束器等器件。

利用抑制波形畸变的功能模块实现抑制波形畸变的方法，包括如下步骤：

步骤1.如图6，本实施方式中开关组数量为7，对每一组开关通道预设对应电流值，该电流值由串入该开关组的电阻值决定。开关通断由可编程逻辑门芯片控制，本实施方式中所述芯片工作频率达500MHz,时间分辨率2ns。

步骤2.如图7所示，开关组1，t₀时刻闭合，t₇时刻断开，产生开关组1预设电流波形；

开关组2，t₁时刻闭合，t₇时刻断开，产生开关组2预设电流波形；类似的，开关组7，t₆时刻闭合，t₇时刻断开，产生开关组7预设电流波形。其中定义Δt₁＝t₁-t₀,称为开关组2相对开关组1的相位差，并以此类推。

对上述所述波形叠加，可输出如图8所示波形，本实施方式中叠加电路采用运算放大器构建的加法电路实现，所述运算放大器带宽350MHz。

对上述所述波形进行低通滤波处理，本实施方式采用二阶RC滤波衰减掉50MHz以上频率分量，可输出如图9所示波形，并对所示波形电流放大直接驱动所述种子激光器。

类似的，调整每个开关的预设电流，调整每个开关组的闭合周期，调整开关组间的闭合周期相位差可以合成多个脉冲形状。

步骤3采用上述波形电流驱动种子激光，使注入放大级的能量在一个脉宽时间内呈指数变化，有效抑制放大级对信号前沿的高增益，使脉冲畸变得到改善。

实验表明，本发明抑制波形畸变的功能模块具有结构简单、功能模块化、集成度高、成本低和操作简单的特点，可有效改善输出脉冲波形畸变。

Claims (5)

1.一种抑制波形畸变的功能模块，其特征在于，包括：

脉冲输入模块：用于出射种子脉冲光；

波形畸变抑制模块：用于调整输入种子脉冲光上升沿，抑制波形畸变；

脉冲放大模块：用于放大脉冲激光的功率，并提升单脉冲能量提升。

2.根据权利要求1所述的抑制波形畸变的功能模块，其特征在于，包括所述的波形畸变抑制模块(2)包括上升沿函数发生器(2-1)和脉冲上升沿编辑器(2-2)，所述的脉冲输入模块(1)的输出端与所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)的第一输入端相连，所述的上升沿函数发生器(2-1)的输出端与所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)的第二输入端相连，所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)的输出端与所述的脉冲放大模块(3)的输入端相连，所述的脉冲输入模块(1)输出的种子脉冲光进入所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)，在所述的上升沿函数发生器(2-1)产生的函数作用下，在所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)编辑种子脉冲光的上升沿后，经所述的脉冲放大模块(3)，使脉冲激光的功率放大及单脉冲能量提升。

3.根据权利要求2所述的抑制波形畸变的功能模块，其特征在于，所述的函数发生器(2-1)包括用于N个产生时延的开关组(2-1-1)、一个信号叠加器(2-1-2)和一个低通滤波器(2-1-3)，所述的信号叠加器(2-1-2)将所述的N个产生时延的开关组(2-1-1)产生的不同时延的信号叠加起来，再通过所述的低通滤波器(2-1-3)滤除噪声后经所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)的第二输入端输入所述的脉冲上升沿编辑器(2-2)。

4.根据权利要求3所述的抑制波形畸变的功能模块，其特征在于，所述的N≥3。

5.利用权利要求1-4任一所述的抑制波形畸变的功能模块实现抑制波形畸变的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①对每一组开关通道预设对应电流值，该电流值由串入该开关组的电阻值决定，开关通断由可编程逻辑门芯片控制；

②设开关组总数为n，第一开关组在t₀时刻闭合，t_n时刻断开，产生第一开关组预设电流波形；第二开关组在t₁时刻闭合，t_n时刻断开，产生第二开关组预设电流波形；以此类推，第n开关组在t_n－1时刻闭合，t_n时刻断开，产生第n开关组预设电流波形，其中，Δt₁＝t₁-t₀,称为第二开关组相对第一开关组的相位差，并以此类推；

③将第一开关组预设电流波形、第二开关组预设电流波形、……、和第n开关组预设电流波形采用运算放大器构建的加法电路进行叠加，输出叠加波形；

④对叠加波形进行低通滤波处理后，通过电流放大直接驱动所述种子激光器，通过调整每个开关的预设电流，调整每个开关组的闭合周期，改变开关组间的闭合周期相位差合成多个脉冲形状。

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