CN112928582B - 一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法，同时采集多路激光光信号，并将激光光信号转换为激光电信号；将首先采集到的激光电信号作为基准激光电信号，其他的激光电信号作为待校正激光电信号，根据待校正激光电信号和基准激光电信号的超前或者滞后关系，调节待校正激光电信号；本发明适用于两路或多路激光器的被动相干合成，并且非相位测量，即不测量多路激光的相位(时间)差，通过对整个激光器系统实行电‑电闭环控制，自动实现同步。

Description

一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法

技术领域

本发明属于激光同步技术领域，具体涉及一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法。适用于两路或多路激光被动相干合成领域。

背景技术

功率合成是获得大能量脉冲激光的有效方案，其中,多台脉冲激光器在时域上实现纳秒量级同步是功率合成的关键技术。通过查阅已有文献，例如《一种自适应高精度脉冲激光同步时域控制技术的研究》，以及《高精度多路激光发射同步控制技术研究》，均提到如何控制多路激光同步，但是都存在以下问题：

1、现有技术均需要测量多路脉冲激光之间的时间差，再进行补偿。由于激光为纳秒量级，现有的测量手段很难精确测量出多路激光之间的时间差。

2、现有技术测量出时间差后，再补偿驱动脉冲的时间差，驱动脉冲经过隔离、放大后作用于激光工作物质，再产生激光，这是一个开环过程，极易受到干扰，且整个过程存在器件延时，补偿后的激光仍不能做到完全同步。

3、现有技术在补偿不同步造成的时间差时，多采用光学器件，如压电陶瓷等，通过延长或缩短光程，补偿不同步的时间差，这是典型的光-光闭环控制。由于激光的持续时间多为ns量级，要测量出时间差并用来反馈控制光学器件，补偿光程差，在调试上难度很大，且抗干扰能力差。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法，适用于两路或多路激光器的被动相干合成，并且非相位测量，即不测量多路激光的相位(时间)差，通过对整个激光器系统实行电-电闭环控制，自动实现同步。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法，包括以下步骤：

步骤1、同时采集多路激光光信号，并将激光光信号转换为激光电信号；

步骤2、将首先采集到的激光电信号作为基准激光电信号，其他的激光电信号作为待校正激光电信号，根据待校正激光电信号和基准激光电信号的超前或者滞后关系，利用设定调节时间调整待校正激光电信号对应的待校正激光电源驱动信号，基准激光电信号对应的基准激光电源驱动信号不调整；

步骤3、待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号输入到激光器驱动电源，激光器驱动电源根据待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号产生对应的待校正驱动电源和基准驱动电源；

步骤4、待校正驱动电源和基准驱动电源驱动对应的激光器的工作物质产生激光。

如上所述的步骤2根据待校正激光电信号和基准激光电信号的超前或者滞后关系，利用设定调节时间调整待校正激光电信号对应的待校正激光电源驱动信号包括以下步骤：

步骤2.1：将待校正激光电源驱动信号进行第一次调整，即将待校正激光电源驱动信号提前设定时间间隔T₀，将待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号输入到激光器驱动电源，激光器驱动电源根据待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号产生对应的待校正驱动电源和基准驱动电源，待校正驱动电源和基准驱动电源驱动对应的激光器的工作物质产生激光；

步骤2.2：再利用光电传感器，检测基准激光电信号和待校正激光电信号，

判断待校正激光电信号是否仍滞后于基准激光电信号，

如果待校正激光电信号仍滞后于基准激光电信号，提前待校正激光电源驱动信号T₀/2^(n-1)；

如果待校正激光电信号超前于基准激光电信号，滞后待校正激光电源驱动信号T₀/2^(n-1)；

其中，n为待校正激光电源驱动信号的调整次数，

如果待校正激光电源驱动信号的调整次数n大于设定最大调整次数，则进入步骤3；

如果连续出现2次待校正激光电信号超前基准激光电信号或连续出现2次待校正激光电信号滞后基准激光电信号，调整增大设定时间间隔T₀后，返回步骤2.1。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.现有技术都采用相位测量的方法，先测出不同步激光的时间差，再通过技术手段改变光程差，以此补偿时间差。本发明采用非相位测量，通过多次逼近的方法，缩短多路激光的时间差，实现多路激光的同步，避免测量误差；

2.现有技术测量时间差，再利用光程差补偿时间差，是一个开环过程，极度依赖时间差的精度。本发明为闭环控制，且不测量时间差，不受测量精度限制，能够有效抵抗干扰；

3.现有技术在调试阶段即将整套系统参数固化，系统运行后不能实时调节，遇到震动冲击或者电磁干扰造成系统参数发生改变时需要重新校正。本发明由于采用自动调节，系统参数一直在实时更改，增强了系统的抗干扰性和适应性，也避免人工调节对系统带来的影响；

附图说明

图1是实施例1实现自动同步的原理图。

图2是实施例2实现自动同步的原理图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法，包括以下步骤：

步骤1，同时采集多路激光光信号，并将激光光信号转换为激光电信号，包括但不限于采用光电二极管、光电传感器等，其主要目的是将光信号转换成电信号，便于后续获取光信号的时序。步骤1还包括光信号转换成电信号的后续处理，例如降噪、滤波、放大等；

利用单片机或其他处理器，采集多路激光电信号，首先获取的激光电信号设为基准激光电信号，其他的激光电信号作为待校正激光电信号，理想的同步情况是，基准激光电信号和待校正激光电信号同时获取，但是实际工作过程中，总会出现不同时的情况，即待校正激光电信号必定会滞后于基准激光电信号，同步的终极目的是将校准信号尽可能地逼近基准信号，待校正激光电信号对应于待校正激光以及待校正激光电源驱动信号，基准激光电信号对应于基准激光以及基准激光电源驱动信号。

步骤2，同时采集多路输出激光，将首先采集到的激光电信号作为基准激光电信号，其他的激光电信号作为待校正激光电信号，根据待校正激光电信号和基准激光电信号的超前或者滞后关系，利用设定调节时间调整待校正激光电信号对应的待校正激光电源驱动信号，其目的是改变多路激光电源驱动信号之间的时间差，使激光器的输出激光同步，基准激光电信号对应的基准激光电源驱动信号不调整。

传统方法是，测得2路或多路输出激光的相位差，以一束输出激光为标准，延长另一路输出激光的光程，从而补偿另一路输出激光的相位。这种方法抗干扰能力差，如果激光器驱动电源受到干扰或者延长光程的器件(压电陶瓷等)受到震动等影响，就会造成不同步的问题，且由于光程补偿在调试阶段已经补偿完毕，该不同步问题不易修复。

利用设定调节时间调整待校正激光电信号对应的待校正激光电源驱动信号包括以下步骤：

步骤2.1：将待校正激光电源驱动信号进行第一次调整，即将待校正激光电源驱动信号提前设定时间间隔T₀，将待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号输入到激光器驱动电源，激光器驱动电源根据待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号产生对应的待校正驱动电源和基准驱动电源，待校正驱动电源和基准驱动电源驱动对应的激光器的工作物质产生激光。设定时间间隔T₀为经验值，是预先设定的一个固定时间，可根据具体的系统进行调整。

步骤2.2：再利用光电传感器，检测基准激光电信号和待校正激光电信号，判断待校正激光电信号是否仍滞后于基准激光电信号，

如果待校正激光电信号仍滞后于基准激光电信号，说明上次调整的设定时间间隔T₀仍不能实现同步的目的，需要继续提前待校正激光电源驱动信号，提前待校正激光电源驱动信号T₀/2^(n-1)；

如果待校正激光电信号超前于基准激光电信号，说明上次调整的设定时间间隔T₀过大，造成待校正激光电信号超前于基准激光电信号，需要滞后待校正激光电源驱动信号T₀/2^(n-1)；

其中，n为待校正激光电源驱动信号的调整次数，

如果待校正激光电源驱动信号的调整次数n大于设定最大调整次数，本实施例中，最大调整次数为10次，则停止循环，避免陷入死循环。由于该方法每次缩小一半，经过10次循环后，相当于基准激光和待校正激光之间缩小了2的10次方，足以保证待校正激光非常接近于基准激光，足以满足工程的需要。10次循环可以根据工程需要做适当修改。

待校正激光电源驱动信号的调整次数，理想状态下，待校正激光电信号应该相对于基准激光电信号超前或者滞后震荡，即上次待校正激光电信号超前基准激光电信号，下次待校正激光电信号滞后基准激光电信号。如果连续出现2次待校正激光电信号超前基准激光电信号或连续出现2次待校正激光电信号滞后基准激光电信号，说明待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号之间的时间差很大了，这种情况很大可能是干扰导致，为提高系统的抗干扰能力，调整增大设定时间间隔T₀后，从步骤2.1重新开始。

步骤3，将经过步骤2调整获得的待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号输入到激光器驱动电源，激光器驱动电源根据待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号产生对应的待校正驱动电源和基准驱动电源(电压或电流)，待校正驱动电源的触发时刻已经得到校正。步骤3还包括激光器驱动的脉冲宽度、频率、电压或电流大小等的调节。

步骤4，待校正驱动电源和基准驱动电源驱动对应的激光器的工作物质产生激光；多路输出激光的触发时刻已经得到校正，再开始步骤1，形成闭环。多路激光器同步处于动态调整过程，可以克服外界干扰、线路延时等造成的不同步问题。由于整个系统处于一个闭环系统，多路激光触发时刻一直在动态调整，这与目前已知的测量相位，补偿光程差来实现同步的方法相比，能够显著降低突发干扰造成的不同步问题，具有创新性。

实施例2：

如图2所示，一种自动同步方法，包括以下步骤：

步骤1，同实施例1的步骤1。

步骤2，将实施例1的步骤2中的待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号分别替换为待校正调Q脉冲信号和基准调Q脉冲信号，

另外，步骤2.3中，调整后的待校正调Q脉冲信号和基准调Q脉冲信号分别驱动对应的待校正激光器的调Q晶体和基准激光器的调Q晶体。

利用算法校正调Q脉冲信号。在一些调Q激光器中，虽然其驱动电源产生的驱动脉冲不同步，但是由于调Q晶体的存在，通过调Q脉冲信号控制调Q晶体的开门时刻，仍然可以控制输出激光的同步。调Q晶体的控制都是由调Q板驱动，调Q板的作用是将调Q脉冲信号经过隔离放大后产生几千伏的高压，作用于调Q晶体，产生激光。所以利用一定的算法，改变调Q脉冲信号的时序，就可改变调Q晶体的开门时刻，也就可以控制激光的同步。具体算法包括但不限于实施例1的算法。

步骤3，调整后的待校正调Q脉冲信号和基准调Q脉冲信号分别输入到对应调Q电源板产生脉冲高压。

步骤4，待校正调Q脉冲信号和基准调Q脉冲信号对应的脉冲高压作用于待校正激光器的调Q晶体和基准激光器的调Q晶体，产生激光，再开始步骤1，形成闭环。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种被动相干合成激光器的非相位测量自动同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、同时采集多路激光光信号，并将激光光信号转换为激光电信号；

步骤2、将首先采集到的激光电信号作为基准激光电信号，其他的激光电信号作为待校正激光电信号，根据待校正激光电信号和基准激光电信号的超前或者滞后关系，利用设定调节时间调整待校正激光电信号对应的待校正激光电源驱动信号，基准激光电信号对应的基准激光电源驱动信号不调整；

步骤3、待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号输入到激光器驱动电源，激光器驱动电源根据待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号产生对应的待校正驱动电源信号和基准驱动电源信号；

步骤4、待校正驱动电源信号和基准驱动电源信号驱动对应的激光器的工作物质产生激光，

所述的步骤2根据待校正激光电信号和基准激光电信号的超前或者滞后关系，利用设定调节时间调整待校正激光电信号对应的待校正激光电源驱动信号包括以下步骤：

步骤2.1：将待校正激光电源驱动信号进行第一次调整，即将待校正激光电源驱动信号提前设定时间间隔T₀，将待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号输入到激光器驱动电源，激光器驱动电源根据待校正激光电源驱动信号和基准激光电源驱动信号产生对应的待校正驱动电源信号和基准驱动电源信号，待校正驱动电源信号和基准驱动电源信号驱动对应的激光器的工作物质产生激光；

步骤2.2：再利用光电传感器，检测基准激光电信号和待校正激光电信号，

判断待校正激光电信号是否仍滞后于基准激光电信号，

如果待校正激光电信号仍滞后于基准激光电信号，提前待校正激光电源驱动信号T₀/2^(n-1)；

如果待校正激光电信号超前于基准激光电信号，滞后待校正激光电源驱动信号T₀/2^{(n -1)}；

其中，n为待校正激光电源驱动信号的调整次数，

如果待校正激光电源驱动信号的调整次数n大于设定最大调整次数，则进入步骤3；

如果连续出现2次待校正激光电信号超前基准激光电信号或连续出现2次待校正激光电信号滞后基准激光电信号，调整增大设定时间间隔T₀后，返回步骤2.1。

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