本實(shí)用新型屬于激光脈沖產(chǎn)生及整形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置。

背景技術(shù)：

在激光加工、切割等生產(chǎn)過(guò)程以及相關(guān)的科研中，不同形狀的光脈沖可能表現(xiàn)出不同的特性。為了獲得更好的效果，往往需要獲得具有一定形狀的激光脈沖。

目前，光脈沖整形方法主要有三種，即基于半導(dǎo)體激光器的脈沖整形方法、基于脈沖堆積的脈沖整形方法和基于電光調(diào)制器的脈沖整形方法。

1、基于半導(dǎo)體激光器的脈沖整形方法利用任意形狀的整形電脈沖直接驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)生與電脈沖形狀一致的激光脈沖。此方法所用裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但其激光束質(zhì)量受半導(dǎo)體激光器影響，脈沖整形精度有限，最新的研究結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)脈寬10ns(納秒)、時(shí)域調(diào)節(jié)精度330ps(皮秒)任意形狀整形激光脈沖。

2、基于脈沖堆積的脈沖整形方法是采用多個(gè)短脈沖在時(shí)域上首尾相連，組合成一個(gè)長(zhǎng)脈沖。此方法可以產(chǎn)生亞ps到ns脈沖，堆積結(jié)果依賴于堆積的脈沖基元及延時(shí)大小。其產(chǎn)生的脈沖具有掃頻特性、上升沿陡峭、受環(huán)境和光程變化小等優(yōu)點(diǎn)，但該方法涉及超短脈沖的產(chǎn)生、放大、控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)難度大。

3、基于電光調(diào)制器的脈沖整形方法通過(guò)將整形電脈沖加載到電光調(diào)制器，對(duì)連續(xù)光進(jìn)行幅度調(diào)制，從而產(chǎn)生整形脈沖。此方法需要足夠快的調(diào)制信號(hào)源和電光調(diào)制器，一般用于百ps以上到ns或更長(zhǎng)時(shí)間的脈沖整形。主要受限于電光調(diào)制的響應(yīng)速率。電光調(diào)制器的脈沖整形技術(shù)比較成熟，整形能力強(qiáng)。其核心器件是電光調(diào)制器，所加的電調(diào)制信號(hào)使其輸出光強(qiáng)度發(fā)生 變化，即裝置輸出的光脈沖峰值改變，為了獲得高對(duì)比度的任意整形脈沖，需要精確控制高消光比電光調(diào)制器工作于最小的直流偏置電壓點(diǎn)上。但是隨著器件內(nèi)的靜電荷積累以及溫度的變化，直流偏置電壓點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，導(dǎo)致輸出光脈沖相位變化，消光比下降。為了解決該問(wèn)題，需要監(jiān)測(cè)控制電光調(diào)制器的偏置電壓。目前，監(jiān)測(cè)電光調(diào)制器直流偏置電壓點(diǎn)的方法主要有：擾頻法和功率探測(cè)法。

2011年電子科技大學(xué)楊志高的碩士論文“集成光學(xué)調(diào)制器工作點(diǎn)穩(wěn)定性研究”中介紹：擾頻法將一個(gè)低頻擾動(dòng)信號(hào)施加在直流偏置信號(hào)中，以調(diào)制后的信號(hào)中的基波信號(hào)和二次諧波信號(hào)幅度的比值作為反饋參量、控制穩(wěn)定電光調(diào)制器的偏置電壓。該方法引入擾動(dòng)，因此要求應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)該擾動(dòng)不敏感。

《光通信技術(shù)》2011年第7期的文章介紹了功率探測(cè)法通過(guò)使用低響應(yīng)速率的光電探測(cè)器，監(jiān)測(cè)基底累積能量，進(jìn)而獲取偏置點(diǎn)的信息。該方法能有效判斷偏置點(diǎn)漂移信息，但響應(yīng)速度稍慢，靈敏度低，只能應(yīng)用于產(chǎn)生低頻低占寬比的脈沖，輸出脈沖對(duì)比度不夠高。

總之目前尚未見到在進(jìn)行脈沖整形同時(shí)，快速有效地精確監(jiān)控電光調(diào)制器直流偏置電壓，使電光調(diào)制器能輸出高對(duì)比度任意整形光脈沖的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有的基于電光調(diào)制器的脈沖整形技術(shù)的不足，提出一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置，信號(hào)光接入電光調(diào)制器，其輸出經(jīng)分束器分為兩束，占比較大的光束作為本裝置的輸出，占比較小的光束作為監(jiān)測(cè)光送入光電探測(cè)器，反映輸出光光強(qiáng)的電信號(hào)送入微處理器，微處理器據(jù)此經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換單元和射頻驅(qū)動(dòng)器，控制電光調(diào)制器。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置包括電光調(diào)制器和射頻驅(qū)動(dòng)器，還包括分束器、光電探測(cè)器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。

信號(hào)光接入電光調(diào)制器，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生整形脈沖，電光調(diào)制器再連接分束器，分束器將調(diào)制后的信號(hào)光分為2束，其中占比較大的光束為本裝置的輸出，另一占比較小的光束作為監(jiān)測(cè)光接入光電探測(cè)器，光 電探測(cè)器的輸出經(jīng)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元接入微處理器，微處理器由光電探測(cè)器獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)，微處理器的控制信號(hào)接射頻驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，電調(diào)制信號(hào)接入射頻驅(qū)動(dòng)器；射頻驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出接入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動(dòng)器根據(jù)微處理器的控制信號(hào)對(duì)電調(diào)制信號(hào)放大后加載到電光調(diào)制器，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將微處理器的偏置電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送入到電光調(diào)制器，使電光調(diào)制器工作于適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?/p>

所述輸入的信號(hào)光為線偏振連續(xù)激光。本裝置輸出信號(hào)光為脈沖寬度ns級(jí)、頻率1～1kHz的低頻窄脈沖光。

所述電光調(diào)制器、分束器和光電探測(cè)器適用于信號(hào)光波長(zhǎng)，經(jīng)光纖連接。

所述的分束器分出的占比較大的輸出光束占90～99％，其余的作為監(jiān)測(cè)光輸出到光探測(cè)器。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣周期大于電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光的脈沖寬度，采樣頻率大于電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光的脈沖頻率5～15倍，從而本模數(shù)轉(zhuǎn)換器可在兩個(gè)脈沖間連續(xù)采樣5～15次，所得的5～15個(gè)采樣值中最多只會(huì)包含光脈沖的一個(gè)最大值，將其剔除，其余值即反映當(dāng)前偏置電壓下的透過(guò)光強(qiáng)。

所述電光調(diào)制器為波導(dǎo)型鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。

所述電調(diào)制信號(hào)由波形發(fā)生器產(chǎn)生。

所述的光電探測(cè)器為PIN型光電二極管。

本實(shí)用新型的基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置使用時(shí)先確認(rèn)最佳偏置電壓。

系統(tǒng)通電、啟動(dòng)進(jìn)行初始化，取將要進(jìn)行脈沖整形的某波長(zhǎng)信號(hào)光輸入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動(dòng)器正常工作。

在不同的偏置電壓下，透過(guò)電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光強(qiáng)弱不同。選擇信號(hào)光透過(guò)的強(qiáng)度最小時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置電壓為最佳偏置電壓。

本實(shí)用新型微處理器通過(guò)光電探測(cè)器得到監(jiān)測(cè)光強(qiáng)度變化，確定電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光強(qiáng)度。

微處理器搜索掃描該波長(zhǎng)信號(hào)光最佳偏置電壓點(diǎn)，遍歷電光調(diào)制器的各偏置電壓點(diǎn)，即從最高偏置電壓遍歷到最低偏置電壓，微處理器的電壓控制 指令經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后送入電光調(diào)制器，在各偏置電壓點(diǎn)監(jiān)測(cè)光在光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣送入微處理器，即微處理器接收對(duì)應(yīng)電光調(diào)制器輸出的監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)采樣值。

微處理器依次獲得各偏置電壓下的監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值，比較各監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值，以監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值最小的所對(duì)應(yīng)的偏置電壓為最佳偏置電壓值。

微處理器存儲(chǔ)針對(duì)該波長(zhǎng)信號(hào)光所得最佳偏置電壓值和該最佳偏置電壓對(duì)應(yīng)的、由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元所得的監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值。

本裝置對(duì)該波長(zhǎng)的信號(hào)光進(jìn)行脈沖整形，自動(dòng)跟蹤調(diào)整偏置電壓。該波長(zhǎng)信號(hào)光輸入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動(dòng)器放大電調(diào)制信號(hào)并送入電光調(diào)制器。微處理器指令數(shù)模轉(zhuǎn)換單元向電光調(diào)制器送出步驟1所得的最佳偏置電壓。

由于電調(diào)制信號(hào)和輸出脈沖之間的變換不是線性的，為了獲得指定波形的輸出脈沖，需針對(duì)電調(diào)制信號(hào)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)正常工作時(shí)，電調(diào)制信號(hào)與輸出脈沖間有以下變換關(guān)系：

$I=I_{\max }{\cos }^2(\frac{1}{2}\·(\frac{kM}{V_{\mathrm{\π}}}\·\mathrm{\π}+\mathrm{\π}\left)\right)$

其中，I為輸出脈沖的光強(qiáng)，I_max為電光調(diào)制器透過(guò)的最大光強(qiáng)，k為射頻驅(qū)動(dòng)器的放大倍數(shù)，M為電調(diào)制信號(hào)，V_π為電光調(diào)制器的半波電壓，即透過(guò)光最大時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置電壓與透過(guò)光最小時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置電壓之差。對(duì)于指定的脈沖波形，可逆向求取對(duì)應(yīng)的電調(diào)制信號(hào)。

微處理器設(shè)置閾值。微處理器實(shí)時(shí)比較由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元送入的當(dāng)前監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值與步驟1所得的信號(hào)光最佳偏置電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值，當(dāng)二者差的絕對(duì)值大于或等于設(shè)置閾值時(shí)，對(duì)當(dāng)前偏置電壓進(jìn)行小步長(zhǎng)修正，并根據(jù)監(jiān)測(cè)光采樣值的變動(dòng)判斷修正效果，如果小步長(zhǎng)增加偏置電壓后當(dāng)前監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值與步驟1所得的信號(hào)光最佳偏置電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)光光強(qiáng)度采樣值的差縮小，說(shuō)明增加偏置電壓的修正正確，繼續(xù)增加偏置電壓，使當(dāng)前監(jiān)測(cè)光采樣值與信號(hào)光最佳偏置電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)光采樣值的差的絕對(duì)值小于設(shè)置閾值；反之，則小步長(zhǎng)減小偏置電壓，以達(dá)到二者 差小于設(shè)置閾值。所述當(dāng)前偏置電壓修正的小步長(zhǎng)為0.001～0.003V。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置的有益效果是：1、突破現(xiàn)有技術(shù)的局限，無(wú)需引入擾動(dòng)，不影響輸出狀態(tài)；2、設(shè)計(jì)分束器得到監(jiān)測(cè)光束，由監(jiān)測(cè)光獲得最佳偏置電壓，并通過(guò)監(jiān)測(cè)光的當(dāng)前光強(qiáng)度采樣值、掌握信號(hào)光經(jīng)電光調(diào)制后的當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整電光調(diào)制器的偏置電壓，有效克服靜電荷積累及溫度變化引起的偏置電壓漂移影響，以保證輸出高對(duì)比度任意整形光脈沖；3、微處理器采樣時(shí)采取多次采樣、剔除最大值后再進(jìn)行平均的方法，準(zhǔn)確獲取了反映偏置點(diǎn)漂移的信息，有利于微處理器的正確調(diào)整；4、本實(shí)用新型工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)任意波形脈沖整形，時(shí)域整形精度小于100ps，輸出脈沖對(duì)比度大于200:1。

附圖說(shuō)明

圖1為本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置1實(shí)施例1的信號(hào)光輸出波形。

圖3為本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例2的信號(hào)光輸出波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例1

本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例1如圖1所示，圖中虛線連線表示光纖連接，實(shí)線連線表示導(dǎo)線連接。信號(hào)光λ_IN接入電光調(diào)制器，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生整形脈沖，再接入分束器，將調(diào)制后的信號(hào)光分為2束，其中占比較大的光束為本裝置的輸出λ_OUT1，另一占比較小的光束作為監(jiān)測(cè)光λ_OUT2接入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器的輸出經(jīng)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元接入微處理器，微處理器由光電探測(cè)器獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)，微處理器的控制信號(hào)接射頻驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，電調(diào)制信號(hào)M接入射頻驅(qū)動(dòng)器；射頻驅(qū)動(dòng)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出接入電光調(diào)制器，射頻驅(qū)動(dòng)器根據(jù)微處理器的控制信號(hào)對(duì)電調(diào)制信號(hào)放大后加載到電光調(diào)制器，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將微處理器的偏置電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送入到電光調(diào)制器，使電光調(diào)制器工作于適當(dāng)?shù)钠秒?壓。

本例輸入的信號(hào)光λ_IN為線偏振連續(xù)激光，波長(zhǎng)1053nm，輸入平均功率為10mW。本例裝置輸出信號(hào)光脈沖寬度為3.09ns級(jí)、頻率為1kHz的低頻窄脈沖光。

本例的分束器分出的較大的輸出光束占99％，其余的1％作為監(jiān)測(cè)光輸出到光探測(cè)器。

本例電光調(diào)制器、分束器和光電探測(cè)器適用于信號(hào)光波長(zhǎng)1053nm，經(jīng)光纖連接。

本例模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣周期為10μs大于電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光的脈沖寬度，采樣頻率為100kHz，大于電光調(diào)制器輸出的信號(hào)光的脈沖頻率10倍。

本例電光調(diào)制器為波導(dǎo)型鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。電調(diào)制信號(hào)M由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生，為重復(fù)頻率1kHz的3ns凹型脈沖。

本例的光電探測(cè)器為PIN型光電二極管。具體為GCPD-1P系列光電探測(cè)器，飽和功率≥2mW，響應(yīng)時(shí)間為1ns，響應(yīng)度≥0.8A/W。

本例正常工作狀態(tài)下，得到3ns信號(hào)光輸出，信號(hào)光輸出波形見圖2，與電調(diào)制信號(hào)的波形相同。圖2的橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為ns/div，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的電壓值，單位為50mV/div。

基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例2

本基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例2與上述基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相同，本例中，信號(hào)光為線偏振連續(xù)激光，波長(zhǎng)1053nm，輸入平均功率為10mW。電調(diào)制信號(hào)由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生，具體為重復(fù)頻率1kHz的經(jīng)特殊設(shè)計(jì)可變換為3ns指數(shù)增長(zhǎng)型脈沖的電調(diào)制脈沖。本例信號(hào)光輸出波形見圖3，與電調(diào)制信號(hào)的波形相同。圖3橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為1ns/div，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的電壓值，單位為50mV/div。

上述實(shí)施例表明，本實(shí)用新型的一種基于電光調(diào)制器的光脈沖整形裝置具備優(yōu)秀的光脈沖整形能力，能夠保證長(zhǎng)時(shí)高穩(wěn)定工作狀態(tài)，適應(yīng)連續(xù)光的輸入。

上述實(shí)施例，僅為對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的具體個(gè)例，本實(shí)用新型并非限定于此。凡在本實(shí)用新型的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。