CN203932667U - 一种激光器调q开关的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种激光器调Q开关的驱动装置，该驱动装置用于对激光器中调Q开关输出驱动信号，包括：脉冲频率发生器，用于生成频率可调的脉冲信号；脉冲宽度发生器，用于对所述脉冲频率发生器输出的脉冲信号的脉冲宽度进行调节；脉冲斜率调节器，用于对所述脉冲宽度发生器输出的脉冲信号的脉冲斜率进行调节；脉冲幅度调节器，用于对所述脉冲斜率发生器输出的脉冲信号的幅值进行调节。

Description

一种激光器调Q开关的驱动装置

技术领域

本实用新型属于激光器调Q技术领域，尤其涉及一种激光器调Q开关的驱动装置。

背景技术

光纤技术的逐渐成熟引起了光通信技术中的革命。而高掺杂的激光光纤与大功率半导体激光器的发展使得光纤激光技术成为激光技术领域一个发展极快的热点领域。全光纤激光器的主要优势在于其高度集成化、稳定性和鲁棒性。

为了使激光器获得脉冲运作方式，通常使用调Q开关。具有调Q开关的全光纤激光器(可称为全光纤调Q激光器)的输出光谱外圈完全没有控制，而输出光脉冲经常出现多峰和劈裂的形状，激光器输出光的质量极大地降低。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种激光器调Q开关的驱动装置和驱动方法，能够通过调节消除激光器输出光脉冲的多峰现象，提高激光器输出光脉冲的质量。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供一种激光器调Q开关的驱动装置，用于对激光器中调Q开关输出驱动信号，包括：

脉冲频率发生器，用于生成频率可调的脉冲信号；

脉冲宽度发生器，用于对所述脉冲频率发生器输出的脉冲信号的脉冲宽度进行调节；

脉冲斜率调节器，用于对所述脉冲宽度发生器输出的脉冲信号的脉冲斜率进行调节；

脉冲幅度调节器，用于对所述脉冲斜率发生器输出的脉冲信号的幅值进行调节。

在一个优选的实施例中，还包括阻抗匹配单元，用于将脉冲幅度调节器输出的信号进行阻抗匹配。

在一个优选的实施例中，所述脉冲频率发生器包括时基电路模块、第一电阻、第二电阻、第三可调电阻、第一电容和第六电容；

其中，第二电阻、第一电阻和第三可调电阻依次组成的串联支路连接在电源和所述时基电路模块的触发信号输入端之间，所述所述时基电路模块的阈值信号输入端与所述触发信号输入端相连；所述第一电阻和第二电阻之间接出信号连接至时基电路模块的放电信号端之间；所述时基电路模块的控制电压信号输入端通过第六电容接地；所述时基电路模块的触发信号输入端通过第六电容接地；

所述时基电路模块的信号输出端作为所述脉冲频率发生器的信号输出端。

在一个优选的实施例中，所述脉冲频率发生器还包括第二电容，所述第二电容一端连接电源，另一端接地。

在一个优选的实施例中，所述脉冲宽度调节器包括：单稳态模块、至少两个档位开关、对每个档位开关相对应的电容、第四电阻和第五可调电阻；

所述每个档位开关控制将对应的电容可选择地连接在所述单稳态模块的两个元件扩展端之间，所述第四电阻和第五可调电阻组成的串联支路连接在所述单稳态模块的一个元件扩展端和复位信号输入端之间；

所述单稳态模块的信号输出端作为所述脉冲宽度调节器的信号输出端，所述单稳态模块的触发信号输入端作为脉冲开关调节器的信号输入端。

在一个优选的实施例中，所述至少两个档位开关采用集成在一起的多路直插开关器件。

在一个优选的实施例中，所述脉冲斜率调节器包括：第一放大器模块、第六电阻、第七电阻、第十四可调电阻和第十一电容；

所述第六电阻连接的信号输出端与第一放大器模块的反向信号输入端，所述第一放大器模块的正向信号输入端接地，所述第七电阻连接在第一放大器模块的反向信号输入端和信号输出端之间；第十四可调电阻与第十一电容串连并连接在所述第一放大器模块的反向信号输入端和信号输出端之间；

所述第一放大器模块的信号输出端作为所述脉冲斜率调节器的信号输出端。

在一个优选的实施例中，所述脉冲宽度调节器包括：第二放大器模块、第八可调电阻、第九电阻、第十电阻、第七电容、第八电容和功率管；

所述第九电阻连接在脉冲斜率调节器的信号输出端和所述第二放大器模块的反向信号输入端之间；所述第二放大器模块的正向信号输入端接地；第七电容连接在第二放大器模块的反向信号输入端和信号输出端之间；所述功率管的基极与所述第二放大器模块的信号输出端相连，所述功率管的发射极通过第十电阻接地；所述第八可调电阻连接在第二放大器模块的反向输入端和功率管的发射极之间，第八电容连接在第二放大器模块的反向输入端和功率管的发射极之间；

所述功率管的发射极作为所述脉冲幅度调节器的信号输出端。

根据本实用新型所提供的技术方案，对特定光学腔长和泵浦光强度，通过调节调Q开关的具体工作参数，实现质量较高的光滑单脉冲输出。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型提供的驱动装置结构框图示意图；

图2为本实用新型实施例中的驱动装置的一种具体实现的部分电路示意图。

图3为本实用新型实施例中的驱动装置的一种具体实现的另一部分电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

发明人经过大量实验和理论分析发现，根据激光调Q中的动力学过程，激光是光辐射在光学腔中来回传播由放大自发辐射(ASE)发展而来。在主动调Q的条件下，调Q动力学过程决定了ASE转换为脉冲的形式，而这一脉冲形式反过来又对调Q开关构成反作用，由此形成全光纤调Q激光器中的多峰现象。其物理过程如下：与固体调Q激光器不同，全光纤调Q激光器中的声光调制器采用一级衍射，在调Q开关关闭时，光纤激光器中几乎不存在激光过程。因此，调Q脉冲的出现几乎是完全的“无中生有”。由于有源光纤形成的光纤放大器中具有极高的增益，这种特性使得在全光纤调Q激光器中脉冲的形成中由ASE转化而来的激光脉冲特征非常明显，而ASE的逐渐增长是在光腔中来回传播形成的，这样就导致了所谓的台阶。而随着激光的加速成长和泵浦功率的增加，这种台阶逐渐演化为多峰结构。此外，无论是环形腔还是线形腔的全光纤调Q激光器，其都是由一系列光纤元件组成，其中例如光纤耦合器、光纤光栅等元件都会使得光纤激光器的有效腔长大大增加。而较长的光学腔造成的往返光程较长也是多峰现象的主要来源。

实验发现与理论模拟均证实多峰的形状与结构和激光腔的结构以及调Q的过程决定，具体来说与激光器光学腔腔长、泵浦激光强度、调Q开关的工作参数有直接关系，因此本实用新型所提出的方案对特定光学腔长和泵浦光强度，通过调节调Q开关的具体工作参数，实现质量较高的单脉冲输出。

图1示例性地示出了本实用新型提供的驱动装置的模块化示意图，需要说明的是，在实际中该驱动装置可以驱动设置在激光器中的任何一种类型的调Q开关，例如声光调制Q开关、电光调Q开关等。调Q开关置于激光器的光学腔内。这种控制调Q脉冲成形过程的方法基于对外触发信号的控制是用以上模块化的驱动装置硬件实现的，其实现方法如下。对于监测到的台阶式或多峰式的不光滑脉冲形状，通过对物理过程的理论模拟，要求改变调制深度、脉冲宽度、上升与下降沿或其他参数。依据理论模拟指导对于物理参数的调节，实验结果显示，所设计的模块化的驱动装置具有强大的调节能力和宽广的调节范围，在短至数米、长达几十米光程的激光腔中均可成功消除高阶与多峰结构，由此获得了单一光滑的调Q脉冲。

驱动装置11对调Q开关进行驱动，驱动装置11具体包括按信号流向排布的脉冲频率发生器111、脉冲宽度发生器112、脉冲斜率调节器113和脉冲幅度调节器114，此外为了更好地控制激光器输出光的质量，还可以在驱动装置11中加入输出阻抗匹配单元115。

脉冲频率发生器111对脉冲驱动信号的频率进行调节，脉冲宽度发生器112对脉冲驱动信号的脉冲宽度进行调节，脉冲斜率调节器113对脉冲驱动信号的斜率进行调节，即可以对脉冲驱动信号的上升时间和下降时间进行调节。脉冲幅度调节器114对脉冲信号的幅值进行调节。

阻抗匹配单元115提供输出阻抗匹配，例如可以实现50欧姆的阻抗匹配。

图2示出了为了实现上述功能的驱动装置11的一种具体实现电路的一部分电路示意图，，图3为另一部分电路示意图。请同时参见图2和图3，脉冲频率发生器111主要包括时基电路模块，在图2中，该时基电路模块选用了LM555型的时基电路芯片1111，本领域技术人员应该清楚，LM555型的时基电路芯片具有8个引脚，图2中对于这8个引脚的序号标注与本领域中对于LM555型时基电路芯片的引脚序号定义相一致。

此外，在脉冲频率发生器111中还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三可调电阻R3、第一电容C1、第二电容C2和第六电容C6。这些元件与LM555型时基电路芯片1111的具体电路连接关系是：

LM555型时基电路芯片1111的电源引脚VCC(图2中序号为8的引脚)与电源相连，第二电阻R2、第一电阻R1和第三可调电阻R3依次组成的串联支路连接在电源VCC和LM555型时基电路芯片1111的触发信号引脚TRG(图2中序号为2的引脚)之间，且第二电阻R2靠近电源VCC一侧，而第三可调电阻R3靠近LM555型时基电路芯片1111一侧，另外，第二电阻R2、第一电阻R1和第三可调电阻R3组成的串联电阻也连接在电源VCC和LM555型时基电路芯片1111的阈值信号引脚THR(图2中序号为6的引脚)之间。

第一电阻R1和第二电阻R2之间接出信号连接至LM555型时基电路芯片1111的放电信号引脚DSCHG(图2中序号为7的引脚)。

电源VCC通过第二电容C2接地，LM555型时基电路芯片1111的控制电压信号引脚CV(图2中序号为5的引脚)通过第一电容C1接地。同时LM555型时基电路芯片1111的触发信号引脚TRG和阈值信号引脚THR通过第六电容C6接地。

电源VCC与LM555型时基电路芯片1111的复位信号引脚RST(图2中序号为4的引脚)相连。

第一电容C1的电容值可以为10nF，第二电容C2的电容值可以为0.1uF，第六电容C6的电容值可以为10nF。

在图2中的上述脉冲频率发生器111中，频率信号主要由LM555型时基电路芯片1111产生，通过输出信号引脚OUT(图2中序号为3的引脚)输出。通过调节第三可调电阻R3的组织，可以调节整个脉冲频率发生器111输出信号的频率。通过电路分析可知，输出信号的频率F可以通过下式计算得出：

F＝1.43/(2*(R1+R3)+R2)*C6

脉冲宽度发生器112主要包括单稳态触发电路，在图2中，该单稳态触发电路选用了74HC123型单稳态电路芯片1121，本领域技术人员应该清楚，74HC123型单稳态电路芯片具有16个引脚，图2中对于这16个引脚的序号标注与本领域中对于74HC123型单稳态电路芯片的引脚序号定义相一致。

此外，脉冲宽度发生器112中还包括第一三路开关SW1、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第四电阻R4和第五可调电阻R5。这些元件与74HC123型单稳态电路芯片1121的具体电路关系是：

第三电容C3与第一开关元件组成的串联支路连接在74HC123型单稳态电路芯片1121的电阻扩展/电容扩展引脚REXT/CEXT(图2中序号为15的引脚)和电容扩展引脚CEXT(图2中序号为14的引脚)之间；第四电容C4和第二开关元件组成的串联支路连接在74HC123型单稳态电路芯片1121的电阻扩展/电容扩展引脚REXT/CEXT和电容扩展引脚CEXT之间；第五电容C5和第三开关元件组成的串联支路连接在74HC123型单稳态电路芯片1121的电阻扩展/电容扩展引脚REXT/CEXT和电容扩展引脚CEXT之间。在实际中第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件可以集成在一个电路器件中，例如选用三路直插(DIP-3)开关SW1。

第四电阻R4和第五可调电阻R5组成的串联支路连接在74HC123型单稳态电路芯片1121的电阻扩展/电容扩展引脚REXT/CEXT和负边缘复位引脚CLR(图2中序号为3的引脚)之间。此外，电源VCC与74HC123型单稳态电路芯片1121的负边缘复位引脚CLR相连。

脉冲频率发生器111中的LM555型时基电路芯片1111的信号输出引脚OUT(图2中序号为3的引脚)与脉冲宽度发生器112中的74HC123型单稳态电路芯片1121的正边沿触发信号引脚(图2中序号为2的引脚)相连。

脉冲宽度发生器112中的74HC123型单稳态电路芯片1121的有源高电压输出引脚Q(图2中序号为13的引脚)作为脉冲宽度发生器112的信号输出端。

第三电容C3的电容值可以为1nF，第四电容C4的电容值可以为100nF、第五电容C5的电容值可以为10nF；第四电阻R4的电阻值可以为1K欧姆，第五可调电阻R5的最大电阻值可以为10K欧姆。

在实际使用中，通过第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件的开合，实现不同级别容量的电容并入电路中，实现脉冲宽度发生器112输出的脉冲信号宽度的档位调节，即实现粗调；而通过调节第五电阻R5的电阻值，可以实现对脉冲宽度发生器112输出的脉冲信号宽度的微调。

这里的微调范围例如可以实现为2ns到30ns之间。而加上粗调手段，本实施例中的脉冲宽度发生器112调节脉冲信号宽度的范围可以实现为50ns-5000ns。

需要说明的是，在图2中的脉冲宽度发生器112中，通过开关元件实现了将三路电容(第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5)选择性地并入电路中，从而实现三个档位的调节。在实际中还可以根据调节的精度和范围需要，设置其他路数的电容选择性并入电路中，只要每路电容能够与一个开关元件串联并连接在74HC123型单稳态电路芯片1121的电阻扩展/电容扩展引脚REXT/CEXT和电容扩展引脚CEXT之间。

脉冲斜率调节器113主要包括放大器，在图3中该放大器选用了LM7171型的放大器1131。此外脉冲斜率调节器113还包括第六电阻R6、第七电阻R7、第十四可调电阻R14和第十一电容C11。

图3中的脉冲斜率调节器113内部各个元件的电气连接关系如下：第六电组R6连接图2中脉冲宽度发生器112的信号输出端(即74HC123型单稳态电路芯片1121的有源高电压输出引脚Q)和LM7171型的放大器1131的反向信号输入端(图3中序号为4的输入端)，LM7171型的放大器1131的正向信号输入端(图3中序号为3的输入端)接地。

第七电阻R7连接在LM7171型的放大器1131的反向信号输入端和信号输出端(图3中序号为1的输出端)之间，第十四可调电阻R14与第十一电容C11串连在LM7171型的放大器1131的反向信号输入端和信号输出端之间。

LM7171型的放大器1131的信号输出端作为整个脉冲斜率调节器113的信号输出端。通过调节第十四可调电阻R14的电阻值，可以调节脉冲斜率调节器113输出的脉冲信号的上升时间和下降时间，即可以调节该输出脉冲信号的斜率。在该电路中，LM7171型的放大器1131实现了一级反向放大，放大倍数由第七电阻R7和第六电阻R6的电阻值的比值决定，而第十四可调电阻R14和第十一电容C11构成了补偿单元，实现输出信号上升沿和下降沿的调节。

在实际中，上述脉冲斜率调节器113中的第十一电容C11的电容值可以为100pF，LM7171型的放大器1131的正向电源端(图3中序号为5的电源输入端)可以接+12V的电压，反向电源端(图3中序号为2的反向输入端)可以接-12V的电压。

图3中的脉冲幅度调节器114主要包括放大器，在图3中选用了LM7171型放大器1141作为该放大器。此外，脉冲幅度调节器114还包括第八可调电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第七电容C7、第八电容C8和功率管Q1。在图3中，功率管Q1选用了2SC3356型晶体管。

脉冲幅度调节器114内各个元件的电气连接关系如下：

第九电阻R9连接在脉冲斜率调节器113的信号输出端(即LM7171型放大器1131的信号输出端)和LM7171型放大器1141的反向信号输入端(图3中序号为4的信号输入端)之间。LM7171型放大器1141的正向信号输入端(图3中序号为3的信号输入端)接地。

第七电容C7连接在LM7171型放大器1141的反向信号输入端和信号输出端(图3中序号为1的信号输出端)之间。

功率管Q1的基极与LM7171型放大器1141的信号输出端相连，功率管Q1的集电极与+12V的电源相连，功率管Q1的发射极通过第十电阻R10接地。

第八可调电阻R8连接在LM7171型放大器1141的反向输入端和功率管Q1的发射极之间，第八电容C8连接在LM7171型放大器1141的反向输入端和功率管Q1的发射极之间。

功率管Q1的发射极作为整个脉冲幅度调节器114的信号输出端。通过调节第八可调电阻R8的阻值，实现脉冲幅度调节器114输出信号幅度的调节，其幅度放大倍数通过第八可调电阻R8和第九电阻R9的阻值的比例决定。功率管Q1实现扩流。

在实际中，第八电容C8的电容值可以为10pF，第七电容C7的电容值可以为10pF。

图3中的输出阻抗匹配单元115包括第九电容C9、第十电容C10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13。

其中，第九电容C9的第一端连接脉冲幅度调节器114的信号输出端，其第二端与第十一电阻R11的第一端相连，第十一电阻R11的第二端接地。第九电容C9的第二端与第十电容C10的第一端相连，第十电容C10的第二端与第一信号输出连接端J1相接。第十二电阻R12的第一端与第九电容C9的第二端相接，第十二电容C12的第二端与第十三电阻R13的第一端相接，第十三电阻R13的第二端接地。第十三电阻R13的第一端与第二信号输出连接端J2相接。

第一信号输出端J1和第二信号输出端J2在实际中可以采用SMA接头，第一信号输出端J1用于输出最终的调Q开关驱动信号，第二信号输出端J2用于完成信号采样。

通过输出阻抗匹配单元115可以实现阻抗匹配，例如可以实现50欧姆的阻抗匹配。

本实用新型实施例还相应提供一种激光器调Q开关的驱动方法，包括如下步骤：

生成频率可调的脉冲信号；

对所述脉冲信号的脉冲宽度进行调节；

对所述脉冲信号的斜率进行调节；

对所述脉冲信号的幅度进行调节；

直至所述激光器输出单峰脉冲。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光器调Q开关的驱动装置，用于对激光器中调Q开关输出驱动信号，其特征在于，包括：

脉冲频率发生器，用于生成频率可调的脉冲信号；

脉冲宽度发生器，用于对所述脉冲频率发生器输出的脉冲信号的脉冲宽度进行调节；

脉冲斜率调节器，用于对所述脉冲宽度发生器输出的脉冲信号的脉冲斜率进行调节；

脉冲幅度调节器，用于对所述脉冲斜率发生器输出的脉冲信号的幅值进行调节。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括阻抗匹配单元，用于将脉冲幅度调节器输出的信号进行阻抗匹配。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述脉冲频率发生器包括时基电路模块、第一电阻、第二电阻、第三可调电阻、第一电容和第六电容；

其中，第二电阻、第一电阻和第三可调电阻依次组成的串联支路连接在电源和所述时基电路模块的触发信号输入端之间，所述所述时基电路模块的阈值信号输入端与所述触发信号输入端相连；所述第一电阻和第二电阻之间接出信号连接至时基电路模块的放电信号端之间；所述时基电路模块的控制电压信号输入端通过第六电容接地；所述时基电路模块的触发信号输入端通过第六电容接地；

所述时基电路模块的信号输出端作为所述脉冲频率发生器的信号输出端。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述脉冲频率发生器还包括第二电容，所述第二电容一端连接电源，另一端接地。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述脉冲宽度调节器包括：单稳态模块、至少两个档位开关、对每个档位开关相对应的电容、第四电阻和第五可调电阻；

所述每个档位开关控制将对应的电容可选择地连接在所述单稳态模块的两个元件扩展端之间，所述第四电阻和第五可调电阻组成的串联支路连接在所述单稳态模块的一个元件扩展端和复位信号输入端之间；

所述单稳态模块的信号输出端作为所述脉冲宽度调节器的信号输出端，所述单稳态模块的触发信号输入端作为脉冲开关调节器的信号输入端。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少两个档位开关采用集成在一起的多路直插开关器件。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述脉冲斜率调节器包括：第一放大器模块、第六电阻、第七电阻、第十四可调电阻和第十一电容；

所述第六电阻连接的信号输出端与第一放大器模块的反向信号输入端，所述第一放大器模块的正向信号输入端接地，所述第七电阻连接在第一放大器模块的反向信号输入端和信号输出端之间；第十四可调电阻与第十一电容串连并连接在所述第一放大器模块的反向信号输入端和信号输出端之间；

所述第一放大器模块的信号输出端作为所述脉冲斜率调节器的信号输出端。

8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述脉冲宽度调节器包括：第二放大器模块、第八可调电阻、第九电阻、第十电阻、第七电容、第八电容和功率管；

所述第九电阻连接在脉冲斜率调节器的信号输出端和所述第二放大器模块的反向信号输入端之间；所述第二放大器模块的正向信号输入端接地；第七电容连接在第二放大器模块的反向信号输入端和信号输出端之间；所述功率管的基极与所述第二放大器模块的信号输出端相连，所述功率管的发射极通过第十电阻接地；所述第八可调电阻连接在第二放大器模块的反向输入端和功率管的发射极之间，第八电容连接在第二放大器模块的反向输入端和功率管的发射极之间；

所述功率管的发射极作为所述脉冲幅度调节器的信号输出端。