CN114976844B - 光纤激光放大器收发一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种光纤激光放大器收发一体化系统，包括种子源、前向泵浦源、前向泵浦合束器、增益光纤、自适应光纤准直器、泵浦臂探测器以及控制器。在阵列光束目标在回路相干合成时，控制器根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定目标散射/反射光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成自适应光纤准直器的控制信号，使自适应光纤准直器发射光轴与目标回光探测光轴重合，进一步实现阵列光束在目标处高精度重合。本发明不仅可以实现光纤激光放大器收发一体探测技术，而且具有很大的回光探测视场，大幅降低了回光探测难度，系统结构简单、紧凑、成本低。

Description

光纤激光放大器收发一体化系统
技术领域
本发明涉及光纤激光收发一体技术领域，尤其是涉及一种光纤激光放大器收发一体化系统。
背景技术
在光纤激光目标在回路相干合成技术中，要求多台激光器输出的阵列光束在目标上进行高精度重合。由于发射端机械振动和传输中大气湍流等因素影响，目标处的光斑存在随机漂移现象，重合精度差。为了在目标处获得尽可能高的光斑重合精度，通常需要对目标反射或散射光进行探测，并以此为判据实时调整各路光束的发射指向。因此，阵列中各单元如何高效稳定的探测目标散射或反射光并将自身发射光束准确的投射到目标上，是目标在回路相干合成的关键技术之一。
发明内容
本发明提供一种光纤激光放大器收发一体化系统，光纤放大器在发射激光的同时可以对目标反射或散射光进行同轴探测，而且具有很大的回光探测视场，大幅降低了回光探测难度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一方面，本发明提供一种光纤激光放大器收发一体化系统，包括种子源、前向泵浦源、前向泵浦合束器、增益光纤、自适应光纤准直器、泵浦臂探测器以及控制器；
所述前向泵浦合束器包括双包层光纤、单模信号纤和多根泵浦纤，泵浦纤均匀分布在单模信号纤的外围，单模信号纤纤芯与双包层光纤的纤芯对准，泵浦纤与双包层光纤的内包层对准；
所述前向泵浦合束器的其中一个泵浦纤连接泵浦臂探测器，所述前向泵浦合束器的其余泵浦纤分别对应连接一个前向泵浦源；
所述种子源连接前向泵浦合束器的单模信号纤，前向泵浦合束器的双包层光纤连接增益光纤，增益光纤连接自适应光纤准直器；
所述控制器接收泵浦臂探测器输出的探测信号，根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成自适应光纤准直器的控制信号，使自适应光纤准直器对准目标回光，使目标回光的聚焦光斑靠近前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至目标回光的聚焦光斑中心与前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，进一步使自适应光纤准直器发射光轴与目标回光探测光轴重合。
进一步地，所述种子源包括回光隔离器，所述回光隔离器连接在种子源的输出尾纤上。
进一步地，泵浦臂探测器将接收到的光信号转换为电信号后输出到控制器，控制器根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定当前目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：
通过控制自适应光纤准直器调整目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当目标回光的聚焦光斑逐渐进入前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当目标回光的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值，在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值不变；当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号将达到最小值；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0。
进一步地，所述前向泵浦合束器采用商用（N+1）×1前向泵浦合束器，其中N为泵浦纤数量，单模信号纤和双包层光纤均为单模光纤，泵浦纤为多模光纤。
进一步地，所述控制器采用单片机或DSP或计算机实现。
进一步地，前向泵浦源为光纤耦合的半导体泵浦激光器。
通过以上技术方案，本发明能够实现的有益技术效果是：
本发明提供的光纤激光放大器收发一体化系统，采用光纤激光放大器中前向泵浦合束器的一根泵浦纤用于回光信号探测，根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成自适应光纤准直器的控制信号，使自适应光纤准直器对准目标回光，使目标回光的聚焦光斑靠近前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至目标回光的聚焦光斑中心与前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合。当本发明的光纤激光放大器收发一体化系统应用于光纤激光放大器阵列收发一体化系统，其作为阵列中的一路光纤激光放大器，通过本发明上述方案将使本路光纤放大器的发射光束与其它路光纤放大器的发射光束在目标处良好重合。
本发明不仅在光纤激光放大器中实现了目标回光的一体化探测技术，而且具有很大的回光探测视场，大幅降低了回光探测难度，系统结构简单、紧凑、成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例中前向泵浦合束器处局部结构示意图；
图3为泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；
图4为本发明一实施例中控制聚焦光斑位置的过程图；
图中标号：
100、种子源；200、前向泵浦源；300、前向泵浦合束器；301、双包层光纤；302、单模信号纤；303、泵浦纤；304、熔接点；305、外包层；306、内包层；307、纤芯；308、聚焦光斑；400、增益光纤；500、自适应光纤准直器；600、泵浦臂探测器；700、控制器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1，一实施例中提供一种光纤激光放大器收发一体化系统，包括种子源100、前向泵浦源200、前向泵浦合束器300、增益光纤400、自适应光纤准直器500、泵浦臂探测器600以及控制器700。
参照图2，前向泵浦合束器300包括双包层光纤301、单模信号纤302和多根泵浦纤303，泵浦纤303均匀分布在单模信号纤302的外围，经熔融拉锥后熔接到双包层光纤301上，熔接形成熔接点304。双包层光纤301包括外包层305、内包层306和纤芯307。单模信号纤302的纤芯与双包层光纤301的纤芯307精确对准，泵浦纤303与双包层光纤301的内包层306对准。在双包层光纤301中，纤芯307的尺寸与单模光纤相同，内包层306直径约数百微米，是纤芯307尺寸的十倍以上。
所述前向泵浦合束器300的其中一个泵浦纤连接泵浦臂探测器600，所述前向泵浦合束器300的其余泵浦纤分别对应连接一个前向泵浦源200。
所述种子源100连接前向泵浦合束器300的单模信号纤302，前向泵浦合束器300的双包层光纤301连接增益光纤400，增益光纤400连接自适应光纤准直器500的双包层传能光纤。
所述控制器700接收泵浦臂探测器600输出的探测信号，根据泵浦臂探测器600输出的探测信号大小确定目标回光（目标反射/散射光）的聚焦光斑308在前向泵浦合束器300其双包层光纤端面上的位置，进而生成自适应光纤准直器500的控制信号，使自适应光纤准直器500对准目标回光，使目标回光的聚焦光斑308靠近前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的纤芯直至目标回光的聚焦光斑中心与前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的纤芯中心重合，进一步使自适应光纤准直器500发射光轴与目标回光探测光轴重合。
所述目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，泵浦臂探测器输出的探测信号大小不同，可以根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定当前目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置。通过自适应光纤准直器调整聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，使目标回光的聚焦光斑靠近前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至目标回光的聚焦光斑中心与前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，进一步使自适应光纤准直器发射光轴与目标回光探测光轴重合。
参照图3，图3为泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；图中横坐标为聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，纵坐标为泵浦臂探测器输出的探测信号，原点位于双包层光纤端面的光纤中心位置，R为双包层光纤其内包层半径，r为双包层光纤其纤芯半径。参照图3，通过控制自适应光纤准直器调整目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当目标回光的聚焦光斑逐渐进入前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当目标回光的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值（图3中的A值），在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值（图3中的A值）不变。当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号将达到最小值（图3中的B值）；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0（即图3中的B值为0）。
本发明利用泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律，可以快速控制自适应光纤准直器对准目标回光，从而调整目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，使本路光纤放大器的发射光束与其它路光纤放大器的发射光束在目标处良好重合。本领域技术人员可以基于上述变化规律，得到控制自适应光纤准直器对准目标回光的方法，该方法根据聚焦光斑的调整路径分为很多种，本发明的聚焦光斑的调整路径不限，本领域技术人员可以自由设计和选择。
考虑到双包层光纤其内包层尺寸远大于双包层光纤其纤芯尺寸，双包层光纤其内包层接收视场也远大于双包层光纤其纤芯视场，从而使光束捕获难度大幅降低。输入到双包层光纤其内包层的目标回光主要由泵浦纤输出，可以先根据泵浦臂探测器输出的探测信号对自适应光纤准直器进行控制，然后结合泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律，确定合适的聚焦光斑的调整路径，使目标回光的聚焦光斑靠近前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至目标回光的聚焦光斑中心与前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合。当本发明的光纤激光放大器收发一体化系统应用于光纤激光放大器阵列收发一体化系统，其作为阵列中的一路光纤激光放大器，通过本发明上述方案将使本路光纤放大器的发射光束与其它路光纤放大器的发射光束在目标处良好重合。
不失一般性，一实施例中的控制过程如下：
（1）当聚焦光斑308进入前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的内包层306时，泵浦臂探测器600将会探测到光信号，输出一个电压值，但并不知道聚焦光斑308的具体位置，双包层光纤端面的情况如图4所示。此时可以通过接下来的步骤将聚焦光斑308调节到纤芯位置；
（2）控制自适应光纤准直器朝任意一个方向移动，比如图4中的a方向所示，当泵浦臂探测器600输出的电压值开始变小时停止运动，并记录下当前坐标值，作为第一坐标；
（3）控制自适应光纤准直器朝a方向的相反方向移动，比如图4中的b方向所示，当泵浦臂探测器600输出电压值开始变小时停止运动，并记录下当前坐标值，作为第二坐标；
（4）控制自适应光纤准直器移动到上述记录的第一坐标和第二坐标的中间位置，之后沿垂直于第一坐标和第二坐标连线的方向移动，比如图4中的c方向所示。在移动过程中，如果出现泵浦臂探测器输出电压值减小且随后增大情况，则表明聚焦光斑308已经耦合进入前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的纤芯307，之后通过精确调节，将泵浦臂探测器输出电压值调到最小即可；否则，如果出现泵浦臂探测器输出电压值一直减小的情况，则表明移动方向相反，需马上反向移动，直到聚焦光斑308耦合进入前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的纤芯307。
进一步地，当聚焦光斑308耦合进入前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的纤芯307后，仍需根据泵浦臂探测器输出电压值实时控制自适应光纤准直器，确保泵浦臂探测器输出电压值最小。
在探测装置正常工作时，由于受到机械振动、环境温度、大气湍流等因素的扰动，目标回光聚焦后的聚焦光斑308有可能偏离出包层光纤端面的纤芯307，造成无信号光输出，但是很难偏离出包层光纤端面的内包层306，因为双包层光纤其内包层尺寸远大于双包层光纤其纤芯尺寸。此时泵浦臂探测器的输出信号会出现异常。此时，可根据泵浦臂电压值按照前述步骤再次操作，也可采用其它优化路径，使得聚焦光斑308耦合进入前向泵浦合束器300其双包层光纤端面的纤芯307。
上述实施例中，前向泵浦合束器与泵浦臂探测器之间采用光纤方式连接，泵浦臂探测器与控制器之间采用电线方式连接。
所述前向泵浦合束器采用商用（N+1）×1前向泵浦合束器，其中N为泵浦纤数量，“+1”中的“1”为1根单模信号纤，“×1”中的“1”为1根双包层合成光纤。其中，单模信号纤和双包层光纤为单模光纤，纤芯直径根据通信系统使用需求确定。泵浦纤为多模光纤，纤芯直径及光纤数量根据通信系统使用需求确定。
所述泵浦臂探测器采用商用光纤耦合光电探测器，所述泵浦臂探测器光纤型号与前向泵浦合束器的泵浦纤型号匹配。
所述控制器可采用单片机、DSP、计算机等控制设备实现，具备接收信号臂和泵浦臂探测器输出电信号功能，并生成控制信号加载到自适应光纤准直器上，实现对自适应光纤准直器的指向控制。
所述自适应光纤准直器用于实现目标回光的精确对准，具体的类型和结构不限，本领域技术人员可以根据情况自由选择。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于，包括种子源、前向泵浦源、前向泵浦合束器、增益光纤、自适应光纤准直器、泵浦臂探测器以及控制器；
所述前向泵浦合束器包括双包层光纤、单模信号纤和多根泵浦纤，泵浦纤均匀分布在单模信号纤的外围，单模信号纤纤芯与双包层光纤的纤芯对准，泵浦纤与双包层光纤的内包层对准；
所述前向泵浦合束器的其中一个泵浦纤连接泵浦臂探测器，所述前向泵浦合束器的其余泵浦纤分别对应连接一个前向泵浦源；
所述种子源连接前向泵浦合束器的单模信号纤，前向泵浦合束器的双包层光纤连接增益光纤，增益光纤连接自适应光纤准直器；
所述控制器接收泵浦臂探测器输出的探测信号，根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成自适应光纤准直器的控制信号，使目标回光的聚焦光斑靠近前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至目标回光的聚焦光斑中心与前向泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，进一步使自适应光纤准直器发射光轴与目标回光探测光轴重合；
泵浦臂探测器将接收到的光信号转换为电信号后输出到控制器，控制器根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定当前目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：
通过控制自适应光纤准直器调整目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当目标回光的聚焦光斑在前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当目标回光的聚焦光斑逐渐进入前向泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当目标回光的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值，在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值不变；当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号将达到最小值；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0。
2.根据权利要求1所述的光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于：单模信号纤和双包层光纤均为单模光纤，泵浦纤为多模光纤。
3.根据权利要求2所述的光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于：所述控制器采用单片机或DSP或计算机实现。
4.根据权利要求1或3所述的光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于：前向泵浦源为光纤耦合的半导体泵浦激光器。
5.根据权利要求1所述的光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于：所述种子源包括回光隔离器，所述回光隔离器连接在种子源的输出尾纤上。
6.根据权利要求1或3或5所述的光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于：所述泵浦臂探测器的光纤型号与前向泵浦合束器的泵浦纤型号匹配。
7.根据权利要求6所述的光纤激光放大器收发一体化系统，其特征在于：所述前向泵浦合束器与泵浦臂探测器之间采用光纤方式连接，泵浦臂探测器与控制器之间采用电线方式连接。
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