CN113540937A - 一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种产生10‑15GHz电脉冲信号的装置，包括谐振腔腔长可调型的平—平腔抽运激光器、PIN管、TEC控温器、前置光阑和内置光阑，平—平腔抽运激光器发射纵模间隔频率为10‑15GHz的激光脉冲至PIN管，利用光电效应输出10‑15GHz的电脉冲信号；TEC控温器用于调节热沉的温度使激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布；前置光阑设于平—平腔抽运激光器的谐振腔前，用于控制克尔效应，改善光束的自聚焦现象；内置光阑设于平—平腔抽运激光器的谐振腔内，用于减小激光脉冲直径，削弱横模干扰。本发明的装置基于自锁模激光器实现10‑15GHz的电脉冲信号产生，结构小巧、容易在小型器件中实现，并且具有优秀的功率稳定性。

Description

一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置及方法
技术领域
本发明属于电磁波信号技术领域，具体涉及一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置及方法。
背景技术
随着无线电技术的发展，频率在10-15GHz的电脉冲信号在气象监测、卫星影像和雷达探测系统等领域有越来越广泛的应用。目前产生高频电脉冲信号的方法包括：模数转换法、电压控制法、频移键控法、带通滤波法、光电转换法等。但目前的装置都难以产生10-15GHz频率的高频电脉冲信号，如公开号为CN101726712A的射频信号产生装置中，就是采用FPGA控制电路、信号产生模块和三混频模块组成射频信号产生装置，通过数字化控制射频信号频率，但上述装置产生电信号的频率难以超过10GHz且所产生的电信号功率不够稳定。再如公开号为CN106817138A的一种射频发射机及其信号产生方法，对发射机产生的信号在调制器上分别进行高阶和低阶调制完成频率变换，再经过功率放大器和带通滤波器输出射频信号，同样有输出电信号频率不高及电信号不够稳定的问题。因此需要一种能够产生稳定的10-15GHz电脉冲信号的装置及方法。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置及方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，包括谐振腔腔长可调型的平-平腔抽运激光器、PIN管、TEC控温器、前置光阑和内置光阑，平-平腔抽运激光器发射纵模间隔频率为10-15GHz的激光脉冲至PIN管，利用光电效应输出10-15GHz的电脉冲信号；TEC控温器用于调节热沉的温度使激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布；前置光阑设于平-平腔抽运激光器的谐振腔前，用于控制克尔效应，改善光束的自聚焦现象；内置光阑设于平-平腔抽运激光器的谐振腔内，用于减小激光脉冲直径，削弱横模干扰。
作为优选方案，平-平腔抽运激光器的谐振腔的输入镜和输出镜安装在滑轨上，间距在5-10mm可调。
作为优选方案，平-平腔抽运激光器的光学腔长可调范围为10-15mm。
作为优选方案，平-平腔抽运激光器和PIN管之间安装反射镜，反射镜将激光脉冲反射至PIN管。
作为优选方案，TEC控温器与水冷散热器连通。
作为优选方案，热沉为紫铜镀金热沉。
另一方面，本发明还提供一种产生10-15GHz电脉冲信号的方法，应用如前述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，包括：
生成纵模间隔频率为10-15GHz的自锁模激光脉冲；
调谐平-平腔抽运激光器的热沉温度，使激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布；
调节平-平腔抽运激光器的抽运功率，使激光脉冲具有更多纵模，通过模间拍频使激光脉冲时间更短；
调节前置光阑的直径，控制克尔效应，改善光束的自聚焦现象；
调节内置光阑的直径，减小激光脉冲直径，削弱横模干扰；
使用PIN管将激光脉冲转换为10-15GHz的电脉冲信号。
作为优选方案，调节平-平腔抽运激光器的抽运功率使激光脉冲在激光晶体的增益带宽内具有5个纵模。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的装置及方法基于自锁模激光器实现10-15GHz的电脉冲信号产生，在激光器的谐振腔前设置前置光阑，并在谐振腔内设置内置光阑，稳定激光脉冲，使生成的电脉冲信号具有优秀的功率稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的脉冲信号时域波形图；
图3是本发明实施例的激光脉冲信号平均输出功率随抽运功率的变化图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例：
本实施例提供一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其结构如图1所示，包括腔长可调型的平-平腔抽运激光器、反射镜14、PIN管15、TEC控温器12和与TEC控温器连通的水冷散热器13。平-平腔抽运激光器用于产生自锁模激光脉冲，包括共轴依次安装的抽运源1、多模光纤2、准直器3、可调前置光阑4、平凸透镜5和6、输入镜7、激光晶体8、热沉9、可调内置光阑10、输出镜11。TEC控温器12用于调谐平-平腔抽运激光器中热沉9的温度，水冷散热器13用于辅助TEC控温器12散热。反射镜用于将平-平腔抽运激光器输出的激光脉冲反射至PIN管15。
在本实施例中，上述结构中的抽运源1采用芯径为400μm的多模光纤输出中心波长为808nm的抽运光，平凸透镜5、6的焦距分别选用30mm和28mm。输入镜7和输出镜11分别作为谐振腔的输入镜和输出镜，输入镜7和输出镜11安装在滑轨上，使二者的间距在5-10mm内可调，构成腔长5-10mm、光学腔长10-15mm可调的平-平谐振腔。可调前置光阑4和可调内置光阑10选用孔径在1-6.8mm范围可调的光阑。激光晶体8选用尺寸为3mm×3mm×5mm、a-cut、2.0at.％的Nd:YVO4晶体，且前后端面镀有808nm增透膜(>99％)和1064nm增透膜(>99.8％)，后端面有2°切角，侧面采用铟箔包裹。热沉9选用紫铜镀金热沉，TEC控温器12的精度选用0.1℃。输入镜7选用前后端面镀有808nm增透膜(>98％)、前端面镀有1064nm高反膜(>99.8％)的平面镜。输出镜11选用前后端面镀有808nm高反膜(>99.8％)、后端面还镀有1064nm反射膜(R＝95％)的平面镜。PIN管选用Beijing Lightsensing Technologies LtdLSIHPD-A18。
本实施例还提供一种产生10-15GHz电脉冲信号的方法，利用腔长可调型的平-平腔抽运激光器生成纵模间隔频率为10-15GHz的自锁模激光脉冲，改变谐振腔的腔长便可以改变所输出的激光脉冲纵模间隔频率。假如使用主动锁模激光通过调制器获得高重频的激光脉冲信号，难以在小型器件中实现。使用被动锁模通过可饱和吸收体获得高重频激光脉冲信号容易发生调Q现象而导致输出功率不稳定。而自锁模激光具有稳定性好、结构简单的优点，无需额外的非线性器件就能获得高重频激光脉冲信号。
生成自锁模激光的计算如下：根据多纵模激光器的运行原理，激光脉冲的纵模间隔可表示为：
Figure BDA0003138341500000041
式(1)中，Lopt＝Lcav+(ncry-1)Lcry为光学腔长，Lcav为谐振腔腔长，ncry为晶体折射率，Lcry为晶体长度。纵模间隔与腔长成反比，改变腔长可以控制纵模间隔。对于输出波长为1064nm的激光器，当光学腔长Lopt在10-15mm时，纵模间隔的频率约为10-15GHz。
由于激光器中只有增益到达阈值的纵模才能起振，因此假设谐振腔内共包含N＝2M+1个纵模，合成电场强度可表示为：
Figure BDA0003138341500000051
式(2)中，ω0为中心纵模角频率，Δω＝πc/Lcav为纵模间隔角频率，
Figure BDA0003138341500000055
为初相位，E0为纵模振幅。进一步根据式(2)推导输出光强：
Figure BDA0003138341500000052
式(3)中E*(t)是E(t)的共轭函数，由式(3)可得，当初相位
Figure BDA0003138341500000053
处于
Figure BDA0003138341500000054
时，激光脉冲呈现稳定且具有周期性的状态，为自锁模激光。
根据上述公式，利用腔长可调型的平-平腔抽运激光器生成纵模间隔频率为10-15GHz的自锁模激光脉冲，然后调谐平-平腔抽运激光器的热沉温度，使激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布；并控制平-平腔抽运激光器的抽运功率改变，从而产生更多的纵模进行模间拍频以得到持续时间更短的激光脉冲；再调节前置光阑和内置光阑的孔径，前置光阑能够稳定光的传播特性，避免大幅改变激光晶体的折射率，对于脉冲激光，控制克尔效应可以改善光束的自聚焦现象，从而缓解光脉冲的自变陡现象；而内置光阑用于缩减激光光束的直径，较大的激光光束直径易引起高阶横模的干扰，导致输出激光光束质量的降低，调节内置光阑能够削弱横模干扰，进一步稳定激光脉冲。再将输出的激光脉冲采用高速PIN管进行光电转换，便可输出频率在10-15GHz稳定的电脉冲信号。
下面结合选用上述参数的装置，具体解释方法如下：
设置谐振腔的光学腔长为10mm，使抽运源1产生抽运光，抽运光耦合进入多模光纤2并传输至准直器3准直。抽运光从准直器3的输出端输出，被可调前置光阑4过滤后通过平凸透镜5、6组成的会聚透镜组合将抽运光会聚，会聚后的抽运光通过输入镜7进入平-平腔抽运激光器的谐振腔。
通过TEC控温器12调谐热沉温度至26.8℃，使抽运光在谐振腔中被激光晶体8增益且纵模关于激光晶体8的荧光谱中心对称分布，输出持续时间34.18ps、脉冲周期99.6ps的激光脉冲，即10GHz的激光脉冲。
控制抽运源1的抽运功率，在本实施例中可选用将抽运功率控制为6788mW，使激光脉冲在激光晶体8的增益带宽内产生5个纵模，然后通过纵模的模间拍频获得时间更短的自锁模激光脉冲。再经可调内置光阑10过滤，从输出镜11出射。可调前置光阑4的孔径设置为3.2mm，可调内置光阑10的孔径设置为1mm，使100μs内脉冲功率的波动为3.2％，具体的激光脉冲时域波形图如图2所示，结果显示采用本实施例装置及方法产生的激光脉冲具有良好的稳定性。
出射的激光脉冲被反射镜14反射至PIN管15产生与谐振腔的光学腔长相对应、在10-15GHz范围内可调的电脉冲信号。
图3显示了采用本实施例方法的激光脉冲平均输出功率随抽运功率的变化图。在本实施例中，激光器的平均输出功率采用光功率计如Thorlabs PM100A测量。当谐振腔腔长为10mm、抽运功率为6788mW时，激光器的平均输出功率高达1603mW，对应的斜效率为31％、光转换效率为24％。结果显示，采用本发明方法产生激光脉冲的激光器的斜效率高，有利于在低抽运功率下获得高强度的电脉冲信号。
利用上述装置及方法产生的电脉冲信号，调节热沉的温度使激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布，再使用前置光阑和内置光阑稳定激光脉冲，使产生的10-15GHz电脉冲信号更加稳定。
应当说明的是，以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其特征在于，包括谐振腔腔长可调型的平—平腔抽运激光器、PIN管、TEC控温器、前置光阑和内置光阑，所述平—平腔抽运激光器发射纵模间隔频率为10-15GHz的激光脉冲至所述PIN管，利用光电效应输出10-15GHz的电脉冲信号；所述TEC控温器用于调节热沉的温度使激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布；所述前置光阑设于平—平腔抽运激光器的谐振腔前，用于控制克尔效应，改善激光脉冲的自聚焦现象；所述内置光阑设于平—平腔抽运激光器的谐振腔内，用于减小激光脉冲直径，削弱横模干扰。
2.如权利要求1所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其特征在于，所述平—平腔抽运激光器的谐振腔的输入镜和输出镜安装在滑轨上，间距在5-10mm可调。
3.如权利要求1所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其特征在于，所述平—平腔抽运激光器的光学腔长可调范围为10-15mm。
4.如权利要求1所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其特征在于，所述平—平腔抽运激光器和所述PIN管之间安装反射镜，所述反射镜将所述激光脉冲反射至PIN管。
5.如权利要求1所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其特征在于，所述TEC控温器与水冷散热器连通。
6.如权利要求1所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，其特征在于，所述热沉为紫铜镀金热沉。
7.一种产生10-15GHz电脉冲信号的方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的装置，包括：
生成纵模间隔频率为10-15GHz的自锁模激光脉冲；
调谐所述平—平腔抽运激光器的热沉温度，使所述激光脉冲的纵模关于激光晶体的荧光谱中心对称分布；
调节所述平—平腔抽运激光器的抽运功率，使激光脉冲具有更多纵模，通过模间拍频使激光脉冲时间更短；
调节前置光阑的直径，控制克尔效应，改善激光脉冲的自聚焦现象；
调节内置光阑的直径，减小激光脉冲直径，削弱横模干扰；
使用PIN管将激光脉冲转换为10-15GHz的电脉冲信号。
8.如权利要求7所述的一种产生10-15GHz电脉冲信号的方法，其特征在于，所述调节所述平—平腔抽运激光器的抽运功率使激光脉冲在激光晶体的增益带宽内具有5个纵模。
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