CN206022882U - 全光纤脉冲激光声源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全光纤脉冲激光声源装置，包括激光器控制电路、激光器、电光调制器、直流偏置电源、信号发生装置、光纤激光放大系统，所述激光器控制电路与激光器连接，用以控制激光器的工作状态；所述电光调制器分别与激光器、直流偏置电源、信号发生装置和光纤激光放大系统连接，用于将激光器输出的连续激光调制为脉冲激光并传输至光纤激光放大系统，所述光纤激光放大系统将所述脉冲激光放大，获得高峰峰值功率的脉冲激光，使得在微米量级的纤芯内聚集极高的激光能量，所述光纤激光放大系统的输出光纤端面与液体媒质的接触点即为全光纤脉冲激光声源点。

Description

全光纤脉冲激光声源装置

技术领域

本实用新型涉及光声转换领域，具体涉及一种全光纤脉冲激光声源装置和通过全光纤系统实现激光声源的方案。

背景技术

早在1880年，A.G.Bell向美国科学进展协会递交的报告里简单叙述了偶然发现了固体中的光声效应的情况，这是关于光声学的首次报道。激光光束照射到固体表面或气体和液体中，会与被照射物质相互作用产生一定强度和频率的声波，这种光声转换的物理现象称为光声效应。20世纪70年代以后，随着大功率激光器技术的不断成熟，光声效应的研究得到了新的发展，光声效应已在物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域得到越来越多的研究，具有广阔的发展前景。

激光声源与传统声源相比，具有以下特点：

(a)激光在液体中激发声波，形成的光声源与液体周围的传声介质完全耦合；

(b)通过移动激光束，可以使光声源在液体中快速移动，因此，激光声源能够覆盖广阔的水域，且具有机动灵活的特点；

(c)激光是从液体外部射向液体，声波激发方式是非接触式的，因此，能够使得设备与水隔绝，且可实现远距离传输；

(d)可将其应用于各种恶劣环境，例如高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下；

(e)声脉冲窄，分辨精度高，频带宽；

(f)由于激光能在液体媒质中激发具有一定指向性的光声源，而且其指向性可通过调整激光器来控制，因此利用激光声源能够实现具有方向性的水声传播和水声通信；

(g)可用于舰载或机载，机载时搜索速度比吊放声纳或舰载旁视声纳水底测绘系统的搜索速度至少快十倍，而且可以达到船只不能到达或对其有危险的水域；

(h)把激光器放在飞行装置上，向海面发射激光束并且在海洋中激发向深水传播的声波，在空气-水的界面将光能量转化为声能量，这就有可能实现信息从空气中向深水中的传递。

早期的激光声技术研究是建立在将空间光束聚焦的技术路线之上，实验上这些装置复杂，光束聚焦和控制困难，很难获得高的光功率密度。光纤技术的发展为改变这种状态提供了理想的技术途径。近年来，光纤激光技术，特别是大功率光纤激光技术的发展十分迅速，单纤连续激光功率可达万瓦量级，在这些系统，光能量密度更高，光纤传输更加方便，系统装置更简单和接近实用化。目前大功率光纤激光技术的研究为激光光声技术的进一步发展提供了有力的技术支撑，光声技术的研究将上一个新的层次。

国内外现有的利用光纤实现脉冲激光声源的方案主要有以下几种：采用光纤束传输脉冲激光，这种方案中的光纤束能传输较高能量的激光，但是制作过程相当复杂，对工艺的要求非常严格；直接采用光纤激光器实现全光纤激光声源，但是系统稳定性不强，而且系统中是将激光分为几束，再与样品作用激发声波，需要采用功率很高的激光器；采用光纤激光器组成的激光器阵列，将输出光纤共同作用于液体媒质中的同一点，搭建激光与液体媒质作用激发声波的全光纤系统，但这种方案需要多个光纤激光器共同作用，造价很高。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种全光纤脉冲激光声源，采用的技术方案如下：

全光纤脉冲激光声源装置，包括激光器控制电路、激光器、电光调制器、直流偏置电源、信号发生装置、光纤激光放大系统；

所述激光器控制电路与激光器连接，用以控制激光器的工作状态；

所述电光调制器分别与激光器、直流偏置电源和光纤激光放大系统连接，用于将激光器输出的连续激光调制为脉冲激光并传输至光纤激光放大系统，所述光纤激光放大系统将所述脉冲激光放大，获得高峰峰值功率的脉冲激光，使得在微米量级的纤芯内聚集极高的激光能量，所述光纤激光放大系统的输出光纤端面与液体媒质的接触点即为全光纤脉冲激光声源点，所述直流偏置电源为电光调制器提供直流偏置。

作为优选，所述电光调制器还连接了信号发生装置，所述信号发生装置为电光调制器提供脉冲调制信号，利用脉冲调制控制电光调制器的工作点和调制深度，可提高获得的脉冲激光的峰峰值功率。

作为优选，所述光纤激光放大系统包括一级以上光纤激光放大器，每一级光纤激光放大器之间通过光纤连接，在抽运光一定的条件下，当脉冲激光入射至光纤放大器时，可以引起反转粒子数增加，脉冲激光得到放大，并消耗大量的反转粒子。

使用两级以上光纤激光放大器级联以降低单级放大器的增益，避免单级光纤激光放大器因高增益产生寄生振荡。

作为优选，每个光纤激光放大器前置光纤隔离器，其通过光纤与光纤激光放大器连接，光纤隔离器不仅能够保护前面的光学系统，避免放大器产生的放大的后向自发辐射光进入电光调制器和激光器，而且能够防止端面反射和瑞利散射与输入脉冲产生干涉，破坏脉冲波形的时间稳定性。

作为优选，激光器采用光纤激光器或半导体激光器，激光器输出连续激光，其波长可根据液体媒质对不同波长的激光的吸收系数确定。

作为优选，本实用新型还包括用于计量激发的光声波强度的水声计量系统。作为优选，所述水声计量系统包括信号发生器、采集卡、滤波器、数据处理系统和置于液体媒质中的水听器，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡分别与数据处理系统和滤波器连接，所述滤波器与水听器连接，所述信号发生器用于产生水声计量测试所需的电信号波形，所述采集卡用于采集模拟电压信号，使之变成数字信号，所述滤波器用于滤除干扰噪声，无畸变地通过有用信号；所述数据处理系统对数字信号进行处理；所述水听器用于把声信号变换成电信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本实用新型利用电光调制器对连续光进行强度调制，将连续激光调制为脉冲激光，再利用由多级光纤激光放大器组成的光纤激光放大系统对调制得到的脉冲激光进行放大，从而得到高峰峰值功率的脉冲激光，脉冲激光与液体媒质作用，激发光声源，用本实用新型的方案搭建的全光纤脉冲激光声源与现有的采用光纤实现脉冲激光声源的各方案相比，系统相对简化，制作过程相对简单，对工艺的要求较低，系统稳定性较强，只需要一个激光器，系统造价较低，容易实现。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的测量装置示意图；

图3为本实用新型实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，全光纤脉冲激光声源装置，包括激光器控制电路、激光器、电光调制器、直流偏置电源、信号发生装置和光纤激光放大系统，所述激光器控制电路与激光器连接，用以控制激光器的工作状态；所述电光调制器分别与激光器、直流偏置电源和光纤激光放大系统连接，用于将激光器输出的连续激光调制为脉冲激光并传输至光纤激光放大系统，所述光纤激光放大系统将所述脉冲激光放大，获得高峰峰值功率的脉冲激光，使得在微米量级的纤芯内聚集极高的激光能量，所述光纤激光放大系统的输出光纤端面与液体媒质的接触点即为全光纤脉冲激光声源点，所述直流偏置电源为电光调制器提供直流偏置。

所述电光调制器还连接了信号发生装置，所述信号发生装置为电光调制器提供脉冲调制信号，利用脉冲调制控制电光调制器的工作点和调制深度，可提高获得的脉冲激光的峰峰值功率。

所述光纤激光放大系统包括一级以上光纤激光放大器，每一级光纤激光放大器之间通过光纤连接，在抽运光一定的条件下，当脉冲激光入射至光纤放大器时，可以引起反转粒子数增加，脉冲激光得到放大，并消耗大量的反转粒子。

每个光纤激光放大器前置光纤隔离器，其通过光纤与光纤激光放大器连接，光纤隔离器不仅能够保护前面的光学系统，避免放大器产生的放大的后向自发辐射光进入电光调制器和激光器，而且能够防止端面反射和瑞利散射与输入脉冲产生干涉，破坏脉冲波形的时间稳定性。

激光器采用光纤激光器或半导体激光器，激光器输出连续激光，其波长可根据液体媒质对不同波长的激光的吸收系数确定。

本实施例还包括用于计量激发的光声波强度的水声计量系统。

所述水声计量系统包括信号发生器、采集卡、滤波器、数据处理系统和置于液体媒质中的水听器，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡分别与数据处理系统和滤波器连接，所述滤波器与水听器连接，所述信号发生器用于产生水声计量测试所需的电信号波形，所述采集卡用于采集模拟电压信号，使之变成数字信号，所述滤波器用于滤除干扰噪声，无畸变地通过有用信号；所述数据处理系统对数字信号进行处理；所述水听器用于把声信号变换成电信号。

本实施例所用水听器的声压灵敏度为，滤波器的通带可设置为到，这样既能够滤掉的电噪声，同时又能够采集到较高频率的声信号，设置滤波器的增益为，采集卡的采样率为，采样长度为。脉冲调制信号与同步触发信号的时延为，也就是采集卡开始工作后的时刻光脉冲与液体媒质作用激发声脉冲，这样能够准确地判断出光声信号，并且能够确保采集卡能够完整地采集到激发的声信号。

本实用新型中，光电光调制器为铌酸锂电光电光调制器。

半导体激光器输出波长为的连续激光，连续激光耦合进单根输出光纤，连续激光通过光纤输入到铌酸锂电光电光调制器，直流偏置电源和信号发生器分别为铌酸锂电光电光调制器提供直流偏置和脉冲调制信号，铌酸锂电光电光调制器将输入的连续激光调制为脉冲激光，利用脉冲调制控制电光调制器的工作点和调制深度，可获得较高峰峰值功率的脉冲激光。调制得到的脉冲激光通过光纤输入到光纤激光放大系统，光纤激光放大系统将脉冲激光放大，获得高峰峰值功率的脉冲激光，在微米量级的纤芯内聚集极高的激光能量。光纤激光放大系统由两级掺铒光纤激光放大器组成，每一级掺铒光纤激光放大器前置一个光纤隔离器，不仅能够保护前面的光学系统，避免光纤激光放大器产生的放大的后向自发辐射光进入电光电光调制器和激光器，而且能够防止端面反射和瑞利散射与输入脉冲产生干涉，破坏脉冲波形的时间稳定性。第一级掺铒光纤激光放大器用来放大经铌酸锂电光电光调制器调制得到的脉冲激光，第二级掺铒光纤激光放大器用来放大经第一级掺铒光纤激光放大器得到的脉冲激光。当放大脉冲激光序列时，在抽运功率较高的情况下，掺铒光纤激光放大器的增益能够迅速恢复到接近初始状态，因此光纤激光放大系统对每个脉冲的增益可近似为相同。经光纤激光放大系统得到的放大后的高峰峰值功率的脉冲激光用来与液体媒质作用，产生光声源，与液体媒质作用的脉冲激光能量都聚集于光纤端面，因此，激发的声源为球面光声源，激发的声脉冲为球面光声脉冲。整个光学系统即构成了全光纤脉冲激光声源系统。

产生的全光纤脉冲激光声源强度可通过图2所示的测量装置测量，测量装置中所用水听器的声压灵敏度为，滤波器的通带可设置为到，这样既能够滤掉的电噪声，同时又能够采集到较高频率的声信号，设置滤波器的增益为。设置采集卡的采样率为，采样长度为。脉冲调制信号与同步触发信号的时延为，也就是采集卡开始工作后的时刻光脉冲与液体媒质作用激发声脉冲，这样能够准确地判断出光声信号，并且能够确保采集卡能够完整地采集到激发的声信号。

实施例2

本实施例中，光纤激光放大系统包括两级掺铒光纤激光放大器和一级铒镱共掺光纤激光放大器，每级放大器前面都前置了隔离器，如图3所示，其它与实施例1相同。

Claims (6)

1.全光纤脉冲激光声源装置，其特征在于，包括激光器控制电路、激光器、电光调制器、直流偏置电源、信号发生装置和光纤激光放大系统，所述激光器控制电路与激光器连接，用以控制激光器的工作状态；所述电光调制器分别与激光器、直流偏置电源和光纤激光放大系统连接，用于将激光器输出的连续激光调制为脉冲激光并传输至光纤激光放大系统，所述光纤激光放大系统将所述脉冲激光放大，获得高峰峰值功率的脉冲激光，使得纤芯内聚集激光能量，光纤激光放大系统的输出光纤端面与液体媒质的接触点即为全光纤脉冲激光声源点，所述直流偏置电源为电光调制器提供直流偏置。

2.根据权利要求1所述的全光纤脉冲激光声源装置，其特征在于，所述电光调制器还连接了信号发生装置，所述信号发生装置为电光调制器提供脉冲调制信号，利用脉冲调制控制电光调制器的工作点和调制深度，可提高获得的脉冲激光的峰峰值功率。

3.根据权利要求1所述的全光纤脉冲激光声源装置，其特征在于，所述光纤激光放大系统包括一级以上光纤激光放大器，每一级光纤激光放大器之间通过光纤连接。

4.根据权利要求3所述的全光纤脉冲激光声源装置，其特征在于，每个光纤激光放大器都前置了光纤隔离器，其通过光纤与光纤激光放大器连接。

5.根据权利要求1所述的全光纤脉冲激光声源装置，其特征在于，还包括用于计量激发的光声波强度的水声计量系统。

6.根据权利要求5所述的全光纤脉冲激光声源装置，其特征在于，所述水声计量系统包括信号发生器、采集卡、滤波器、数据处理系统和置于液体媒质中的水听器，所述信号发生器与采集卡连接，所述采集卡分别与数据处理系统和滤波器连接，所述滤波器与水听器连接，所述信号发生器用于产生水声计量测试所需的电信号波形，所述采集卡用于采集模拟电压信号，使之变成数字信号，所述滤波器用于滤除干扰噪声，无畸变地通过有用信号；所述数据处理系统对数字信号进行处理；所述水听器用于把声信号变换成电信号。