CN107248693B - 一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，包括相干合成激光器，还包括信号采集模块、信号处理模块、信号运算模块和信号功率放大模块，相干合成激光器包括若干激光介质以及与各个激光介质对应的泵浦源，各个激光介质设置在输出镜和角锥棱镜之间，激光介质产生的激光经过角锥棱镜反射后注入到对应的激光介质，输出镜输出相干激光。本发明提高了控制精度，解决基于角锥的多路激光相干合成的同步问题，提高相干合成效率。

Description

一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别涉及一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，适用于多路激光器驱动及控制领域。
背景技术
高功率激光器在科学研究、工业加工和军事武器等领域具有重要的应用，而要实现高功率激光器，目前大多采用多路激光相干合成的方案，为了保证激光器输出能量最集中，避免能量损失，多路激光的同步是非常重要的。在实际应用过程中，由于受到线路、电子元器件以及其他电磁干扰等因素的影响，要想做到多路激光的绝对同步是非常困难的。因此，需要一种对多路激光进行同步驱动的装置及方法，能够对激光器的驱动进行控制，并根据具体的应用条件，自适应地改变驱动的延时及脉宽，实现最大的能量输出。
基于角锥棱镜的相干合成激光器利用角锥棱镜的反射特性，即不管入射光线与其底面成何种角度入射，光线经棱镜的三个反射面依次全反射后，出射光线始终是反向平行于入射光线，并以锥顶呈中心对称分布。利用角锥棱镜，以互注入锁相的方式实现多根激光介质的相位锁定，使得多路激光的频率、相位、脉宽尽可能保持一致，从而实现高功率、高光束质量的相干合成激光输出。但在实际应用中，频率、相位、脉宽不可能保证完全一致，传统的方法是根据实验结果或经验手动改变各路激光的驱动参数，耗时耗力，且存在一定误差，而采用自适应的驱动方法可以避免手动调节的误差输入，且快速稳定，大幅提高激光器的相干性，从而保证高功率、高光束质量的输出。
发明内容
本发明的目的是针对角锥棱镜相干合成激光器，提供一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，可以对各路相干激光进行自动调整，解决激光相干合成输出的同步问题，实现高功率、高光束质量的激光输出。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，包括相干合成激光器，还包括信号采集模块、信号处理模块、信号运算模块和信号功率放大模块，相干合成激光器包括若干激光介质以及与各个激光介质对应的泵浦源，各个激光介质设置在输出镜和角锥棱镜之间，激光介质产生的激光经过角锥棱镜反射后注入到对应的激光介质，输出镜输出相干激光，
信号采集模块将每路相干激光转换为相干激光电信号输出到信号处理模块；
信号处理模块将相干激光电信号滤波后获得相干激光频率方波；
信号运算模块通过各个相干激光频率方波的首波时间计算各个相干激光的相位差；根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号输出到信号功率放大模块；
信号功率放大模块根据补偿后的泵浦驱动信号驱动泵浦源使得各个相干激光的相位差减小。
如上所述的信号采集模块个数与相干激光的路数对应，每个信号采集模块包括滤光片、第一差分光电二极管、第二差分光电二极管和运算放大器，第一差分光电二极管和第二差分光电二极管分别对经过滤光片过滤自然光后的同一相干激光进行采集并转换为差值信号输出到运算放大器，运算放大器对差值信号进行放大获得相干激光电信号并将相干激光电信号输出到信号处理模块。
如上所述的信号处理模块个数与相干激光的路数对应，每个信号处理模块包括滤波器和比较器，相干激光电信号通过滤波器滤波处理后输入到比较器中，比较器将滤波后的相干激光电信号与设定阈值比较获得相干激光频率方波。
如上所述的信号运算模块个数与相干激光的路数对应，信号运算模块包括触发单元、计数单元和泵浦驱动信号产生单元，相干激光频率方波输入到触发单元，计数单元计算各个相干激光频率方波的首波触发触发单元的时间相对于基准时间的时间差，进而获得各个相干激光的相位差，泵浦驱动信号产生单元根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号通过隔离单元输出到信号功率放大模块。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1. 采用双路差分光电二极管将光信号转换为电信号，解决了传统光电转换存在的响应速度慢、杂散光干扰、过饱和等问题，提高了控制精度。
2. 通过改变激光器的驱动参数，解决基于角锥的多路激光相干合成的同步问题，提高激光器的相干合成效率，避免人工调整参数带来的误差，提高了激光器的稳定性和工作效率。
3. 通过闭环反馈，提高多路激光器驱动参数的自适应性，克服因线路、电子元器件以及其他电磁干扰等因素造成的不同步问题，提高相干合成效率。
附图说明
图1是本发明的整体原理示意图；
图2是相干合成激光器的结构示意图；
图3是导光管的结构示意图；
图4是信号采集模块的原理示意图；
图5是信号处理模块的原理示意图；
图6是信号运算模块的原理示意图；
图7是信号功率放大模块的原理示意图。
图中：1-相干合成激光器；2-信号采集模块；3-信号处理模块；4-信号运算模块；5-信号功率放大模块；
101-激光介质；102-泵浦源；103-输出镜；104-角锥棱镜；105-驱动电极；106-固定支架；107-导光管；108-导光孔；
201-滤光片；202-第一差分光电二极管；203-第二差分光电二极管；204-运算放大器；205-第一偏置基准电压源；206-第二偏置基准电压源；207-第一限流电阻；208-第二限流电阻；
301-滤波器；302-比较器；
401-触发单元；402-计数单元；403-泵浦驱动信号产生单元；404-隔离单元；
501-电流源；502-储能电容；503-开关管；504-采样电阻。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1：
一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，包括相干合成激光器1，还包括信号采集模块2、信号处理模块3、信号运算模块4和信号功率放大模块5，相干合成激光器1包括若干激光介质101以及与各个激光介质101对应的泵浦源102，各个激光介质101设置在输出镜103和角锥棱镜104之间，激光介质101产生的激光经过角锥棱镜104反射后注入到对应的激光介质101，输出镜103输出相干激光，
信号采集模块2将每路相干激光转换为相干激光电信号输出到信号处理模块3；
信号处理模块3将相干激光电信号滤波后获得相干激光频率方波；
信号运算模块4通过各个相干激光频率方波的首波时间计算各个相干激光的相位差；根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源102的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号输出到信号功率放大模块5；
信号功率放大模块5根据补偿后的泵浦驱动信号驱动泵浦源102使得各个相干激光的相位差减小。
信号采集模块2个数与相干激光的路数对应，每个信号采集模块2包括滤光片201、第一差分光电二极管202、第二差分光电二极管203和运算放大器204，第一差分光电二极管202和第二差分光电二极管203分别对经过滤光片201过滤自然光后的同一相干激光进行采集并转换为差值信号输出到运算放大器204，运算放大器204对差值信号进行放大获得相干激光电信号并将相干激光电信号输出到信号处理模块3。
信号处理模块3个数与相干激光的路数对应，每个信号处理模块3包括滤波器301和比较器302，相干激光电信号通过滤波器301滤波处理后输入到比较器302中，比较器302将滤波后的相干激光电信号与设定阈值比较获得相干激光频率方波。
信号运算模块4个数与相干激光的路数对应，信号运算模块4包括触发单元401、计数单元402和泵浦驱动信号产生单元403，相干激光频率方波输入到触发单元401，计数单元402计算各个相干激光频率方波的首波触发触发单元401的时间相对于基准时间的时间差，进而获得各个相干激光的相位差，泵浦驱动信号产生单元403根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源102的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号通过隔离单元404输出到信号功率放大模块5。
实施例2：
如图2所示，一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，包括相干合成激光器1、信号采集模块2、信号处理模块3、信号运算模块4和信号功率放大模块5。
相干合成激光器1包括若干激光介质101以及与各个激光介质101对应的泵浦源102，各个激光介质101设置在输出镜103和角锥棱镜104之间，激光介质101产生的激光经过角锥棱镜104反射后注入到对应的激光介质101，输出镜103输出相干激光。
在本实施例中，激光介质101为6路，且相互平行设置。6路激光介质101安装在固定支架106上，泵浦源102可以采用氪灯，每个泵浦源102两端均设置有驱动电极105，通过给两个驱动电极105加驱动电流，使泵浦源102（氪灯）发光，激光介质101受激产生激光，6路激光经过角锥棱镜101互注入作用后，再经过输出镜103形成谐振腔，从而产生6路相干激光输出，6路相干激光分别进入导光管107的6个导光孔108中，在各个导光孔108内均分别安装滤光片201、第一差分光电二极管202、第二差分光电二极管203，每个导光孔108内的两个光电二极管（202、203）紧密排列，每个导光孔108内的第一差分光电二极管202、第二差分光电二极管203同时采集经过滤光片201滤光后的相干激光，经过6个导光孔108后，可同时采集6路相干激光，并转换成相干激光电信号，采用第一差分光电二极管202、第二差分光电二极管203对同一相干激光进行采集的优点是可以消除光电二极管的瞬态干扰，避免由于光电二极器件自身的差异造成信号采集不准的问题。
如图3所示，将第一偏置基准电压源205加到第一差分光电二极管202上，将第二偏置基准电压源206加到第二差分光电二极管203上，经过第一限流电阻207和第二限流电阻208将第一差分光电二极管202、第二差分光电二极管203输出的电流限定在20mA以内，当相干激光出光时，6路相干激光分别经过6个导光孔108，每个导光孔108内安装的第一差分光电二极管202、第二差分光电二极管203同时采集该路相干激光，并将相干激光转换成差值信号，差值信号经过运算放大器204后生成相干激光电信号传输到信号处理模块3。
如图4所示，信号处理模块3个数与相干激光的路数对应，每个信号处理模块3包括滤波器301和比较器302，相干激光电信号通过滤波器301滤波处理后输入到比较器302中，比较器302将滤波后的相干激光电信号与设定阈值比较获得相干激光频率方波。
滤波器301包括低通滤波器和高通滤波器，由于激光器工作频率为1Hz-100Hz，因此设计低通滤波器的截止频率为1kHz，高通滤波器的截止频率为1Hz，低通滤波器和高通滤波器组成一个通带范围为1Hz-1kHz的二阶压控电压源带通滤波器，主要滤除信号中1kHz频率以上的高频杂波，再经过比较器302，得到适合信号运算模块4处理的相干激光频率方波。
如图5所示，信号运算模块4个数与相干激光的路数对应，信号运算模块4包括触发单元401、计数单元402和泵浦驱动信号产生单元403，相干激光频率方波输入到触发单元401，计数单元402计算各个相干激光频率方波的首波触发触发单元401的时间相对于基准时间的时间差，进而获得各个相干激光的相位差，泵浦驱动信号产生单元403根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源102的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号通过隔离单元404输出到信号功率放大模块5。
在本实施例中，6路相干激光频率方波分别进入信号运算模块4的触发单元401，以最先触发触发单元401的1路相干激光频率方波的首波的触发时间为基准时间，依次计算接下来的5路相干激光频率方波的首波触发触发单元401的时间与基准时间的时间差，进而获得各个相干激光的相位差。如果6路相干激光绝对相干时，各个相干激光应该同步，但是由于受一些因素的影响，相干激光不可能同步，这也就是上述会产生相位差的原因。泵浦驱动信号产生单元403将各个相干激光对应的相位差进行PID运算获得补偿后的泵浦驱动信号。通过补偿后的泵浦驱动信号驱动泵浦源102，使再次输出的相干激光自适应同步。
如图6所示，信号功率放大模块5包括电流源501、储能电容502、开关管503和采样电阻504。
泵浦驱动信号与开关管503的驱动极连接，电流源501的能量存储在储能电容502中，泵浦驱动信号为低电平时，开关管503始终关闭，当有泵浦驱动信号为高电平时，开关管503开通，开关管503的开关两端与泵浦源102（氪灯）的驱动电极105按照正负极的顺序串联，并经过采样电阻504后接地，形成完整的回路，采样电阻504上产生的电压反馈给电流源501，从而形成闭环，使流经泵浦源102的电流保持恒定。
其他与实施例1一致。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于角锥棱镜相干合成激光器的自适应驱动装置，包括相干合成激光器(1)，其特征在于，还包括信号采集模块(2)、信号处理模块(3)、信号运算模块(4)和信号功率放大模块(5)，相干合成激光器(1)包括若干激光介质(101)以及与各个激光介质(101)对应的泵浦源(102)，各个激光介质(101)设置在输出镜(103)和角锥棱镜(104)之间，激光介质(101)产生的激光经过角锥棱镜(104)反射后注入到对应的激光介质(101)，输出镜(103)输出相干激光，
信号采集模块(2)将每路相干激光转换为相干激光电信号输出到信号处理模块(3)；
信号处理模块(3)将相干激光电信号滤波后获得相干激光频率方波；
信号运算模块(4)通过各个相干激光频率方波的首波时间计算各个相干激光的相位差；根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源(102)的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号输出到信号功率放大模块(5)；
信号功率放大模块(5)根据补偿后的泵浦驱动信号驱动泵浦源(102)使得各个相干激光的相位差减小，
所述的信号运算模块(4)个数与相干激光的路数对应，信号运算模块(4)包括触发单元(401)、计数单元(402)和泵浦驱动信号产生单元(403)，相干激光频率方波输入到触发单元(401)，计数单元(402)计算各个相干激光频率方波的首波触发触发单元(401)的时间相对于基准时间的时间差，进而获得各个相干激光的相位差，泵浦驱动信号产生单元(403)根据各个相干激光的相位差补偿各个相干激光对应的泵浦源(102)的泵浦驱动信号获得补偿后的泵浦驱动信号，补偿后的泵浦驱动信号通过隔离单元(404)输出到信号功率放大模块(5)，
信号采集模块(2)个数与相干激光的路数对应，每个信号采集模块(2)包括滤光片(201)、第一差分光电二极管(202)、第二差分光电二极管(203)和运算放大器(204)，第一差分光电二极管(202)和第二差分光电二极管(203)分别对经过滤光片(201)过滤自然光后的同一相干激光进行采集并转换为差值信号输出到运算放大器(204)，运算放大器(204)对差值信号进行放大获得相干激光电信号并将相干激光电信号输出到信号处理模块(3)，
信号处理模块(3)个数与相干激光的路数对应，每个信号处理模块(3)包括滤波器(301)和比较器(302)，相干激光电信号通过滤波器(301)滤波处理后输入到比较器(302)中，比较器(302)将滤波后的相干激光电信号与设定阈值比较获得相干激光频率方波。
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