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专利号: 2020103967939
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-11-06
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于MZM强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置,其特征在于:装置包括飞秒激光器(1)、马赫‑曾德调制器(2)、光纤分束器(3)、光电探测器(4)、低通滤波器(5)、高通滤波器(6)、低频放大器(7)、高频放大器(8)、第一模数转换器(9)、第二模数转换器(10)、现场可编程逻辑阵列处理器(11)、数模转换器(12)、电脉冲放大器(13);飞秒激光器(1)输出端连接至马赫‑曾德调制器(2)的一个输入端,马赫‑曾德调制器(2)的输出端连接至光纤分束器(3),光纤分束器(3)的两个输出端分为功率比90:10,光纤分束器(3)的功率占比10%的输出端连接至光电探测器(4)的输入端,光电探测器(4)的输出端连接至低通滤波器(5)和高通滤波器(6)的输入端,低通滤波器(5)经低频放大器(7)与第一模数转换器(9)依次级联,高通滤波器(6)经高频放大器(8)与第二模数转换器(10)依次级联,第一模数转换器(9)与第二模数转换器(10)的输出端连接至现场可编程逻辑阵列处理器(11)的两个输入端,现场可编程逻辑阵列处理器(11)的输出端分别连接至电脉冲放大器(13)与数模转换器(12)的输入端,电脉冲放大器(13)与数模转换器(12)的输出端连接至马赫‑曾德调制器(2)的另外两个输入端;

飞秒激光器(1)输出的激光输入马赫‑曾德调制器(2)中进行强度调制和脉冲同步提取,提取后的飞秒激光脉冲经光纤分束器分为功率比为90:10的两束激光,功率占比为90%的一束激光不作处理,其中功率占比为10%的一束激光照射至光电探测器(4),光电探测器(4)输出的拍频信号一方面依次经低通滤波器和低频放大器后获得频率与提取脉冲频率相同的低频信号,另一方面同时依次经高通滤波器和高频放大器后获得频率与激光器重复频率相同的高频信号;低频信号与高频信号分别通过第一模数转换器与第二模数转换器后转换为数字低频信号S1与数字高频信号S2,并输入到现场可编程逻辑阵列处理器(11),现场可编程逻辑阵列处理器(11)处理输出同步电脉冲信号Ep经电脉冲放大器后对马赫‑曾德调制器(2)进行强度调制,现场可编程逻辑阵列处理器(11)同时处理输出偏压补偿信号Vb经数模转换器后对马赫‑曾德调制器(2)进行偏压控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于MZM强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置,其特征在于:还包括原子钟(14),原子钟(14)的输出端连接至飞秒激光器(1)与现场可编程逻辑阵列处理器(11)的一个输入端。

3.根据权利要求1所述的一种基于MZM强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置,其特征在于:所述的现场可编程逻辑阵列处理器(11)内部具体包括同步电脉冲生成器(1101)、偏压控制器(1102)、第二锁相放大器(1103)、第一锁相放大器(1104)、延时控制器(1105)和锁相环(1106);原子钟(14)的输出端连接至同步电脉冲生成器(1101)的输入端,第一模数转换器(9)与第二模数转换器(10)的输出端分别连接至第一锁相放大器(1104)、第二锁相放大器(1103)的输入端,第一锁相放大器(1104)和第二锁相放大器(1103)的输出端分别连接到延时控制器(1105)、偏压控制器(1102)的输入端,延时控制器(1105)的输出端和锁相环(1106)的输出端一起连接到同步电脉冲生成器(1101)的输入端,同步电脉冲生成器(1101)的输出端和偏压控制器(1102)的输出端分别连接到电脉冲放大器(13)、数模转换器(12),数模转换器(12)、电脉冲放大器(13)的输出端再连接到马赫‑曾德调制器(2)的另外两个输入端。

4.根据权利要求3所述的一种基于MZM强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置,其特征在于:锁相环(1106)将从原子钟(14)输入的参考时钟倍频,产生时钟周期与飞秒激光脉冲对应的频率为fp的同步时钟和频率为fe的高频时钟,传输至同步脉冲生成器(1101);第一锁相放大器(1104)将从第一模数转换器(9)输入的数字低频信号S1进行正交解调获得低频信号幅值A1,低频信号幅值A1输入延时控制器(1105),延时控制器(1105)进行延时扫描查找使得低频信号幅值A1达到最大时的延时控制变量Td并传输至同步脉冲生成器(1101);同步脉冲生成器(1101)以频率为fe的高频时钟为工作时钟,在频率为fp的同步时钟的上升沿后延时Td个高频时钟fe的周期再输出同步电脉冲信号Ep至电脉冲放大器(13);第二锁相放大器(1103)将从第二模数转换器(10)输入的数字高频信号S2进行正交解调获得高频信号幅值A2,高信号幅值A2输入偏压控制器(1102),偏压控制器(1102)进行偏压扫描使得高频信号幅值A2降至最低后输出偏压控制信号Vb至数模转换器(12)。

5.应用于权利要求1‑4任一所述装置的一种基于MZM强度调制的飞秒激光脉冲同步提取方法,其特征在于:方法包括如下步骤:

1)通过原子钟(14)向飞秒激光器(1)提供参考时钟,飞秒激光器(1)输出的激光输入马赫‑曾德调制器(2)进行强度调制和脉冲同步提取,提取后的飞秒激光脉冲(1)经光纤分束器(3)为功率比为90:10的两束激光,其中仅功率占比为10%的一束激光照射至光电探测器(4),光电探测器(4)输出的拍频信号经低通滤波器(5)和低频放大器(7)后获得频率与提取脉冲频率相同的低频信号,输出的拍频信号同时经高通滤波器(6)和高频放大器(8)后获得频率与激光器重复频率相同的高频信号,低频信号与高频信号分别通过第一模数转换器与第二模数转换器后转换为数字低频信号S1与数字高频信号S2,公式如下:S1=A1sin(2πfpt)

S2=A2sin(2πfrt)

其中,A1与A2分别表示数字低频信号S1与数字高频信号S2的幅值,fp与fr分别表示数字低频信号S1与数字高频信号S2的频率;

2)数字低频信号S1与数字高频信号S2分别输入到现场可编程逻辑阵列处理器(11)的第一锁相放大器(1104)、第二锁相放大器(1103)中:

2.1)第一锁相放大器(1104)将输入的数字低频信号S1进行正交解调获得低频信号幅值A1,低频信号幅值A1输入延时控制器(1105),延时控制器(1105)进行延时扫描,将延时控制参数Td从零逐步增加至N‑1,步进值为1,记录增加后对应的低频信号幅值A1至数组{A1(0),A1(1),A1(2)……,A1(N‑1)}中;

每次延时扫描的最后,从数组中查找幅值最大值记为低频信号最大值A1max,对应的延时控制参数记为Tmax,将延时控制参数Td设置为Tmax,输出延时控制参数Td至同步脉冲生成器(1101),公式如下:

其中,Tmax表示最佳延时控制参数,Tmax初始值为零,在延时扫描后等于使得低频信号到达最大值A1max时对应的延时控制参数;

每次延时扫描完成后,实时检测低频信号幅值A1与低频信号最大值A1max的比例,当A1/A1max<0.95时,重新进行一次延时扫描,否则进行下一步;

2.2)第二锁相放大器(1103)将输入的数字低频信号S2进行正交解调获得高频信号幅值A2,高频信号幅值A2输入偏压控制器(1102),偏压控制器(1102)进行偏压扫描,将偏压控制参数Vb从‑1V逐步增加至+1V,步进值为0.01V,记录增加后对应的高频信号幅值A2至数组{A2(0),A2(1),A2(2)……,A2(199)}中;每次偏压扫描的最后,从数组中查找幅值最小值记为高频信号最小值A2min,对应的电压记为Vmin,将偏压控制参数Vb设置为Vmin,输出偏压控制参数Vb输出至数模转换器(12),公式如下:其中,Vmin表示最佳偏压控制参数,Vmin初始值为零,在偏压扫描后等于使得高频信号到达最小值A2min时对应的偏压值;

每次延时扫描完成后,实时检测高频信号幅值A2与最小值A2min的比例,当A2/A2min>1.05时,重新进行一次偏压扫描,否则进行下一步;

3)在现场可编程逻辑阵列处理器(11)内,锁相环(1106)接收原子钟(14)的参考时钟后,将输入的参考时钟倍频,产生时钟周期与飞秒激光脉冲一一对应的频率为fp的同步时钟和频率为fe的高频时钟并发送到同步脉冲生成器(1101),与原子钟(14)的参考时钟频率fr的关系如下:

fp=N1fr

fe=N2fr

N2=5N1

其中,N1与N2表示倍频系数,N1和N2分别表示同步时钟和高频时钟的倍频系数,均为正整数;

4)同步脉冲生成器(1101)以高频时钟fe为工作时钟,初始化离散时间k为0,在每个高频时钟fe的上升沿k加1,在第一个同步时钟fp的上升沿时k等于初始值0;

在同步时钟fp的上升沿后延时Td个高频时钟fe的周期后,同步电脉冲信号Ep从0跳变至1并持续Tg个高频时钟fe的周期,然后从1恢复至0,完成单个同步电脉冲的生成,公式如下:N=fe/fp

其中,Td表示延时的高频时钟fe的时钟周期数,Tg表示每个电脉冲持续的高频时钟fe的时钟周期数,N飞秒激光脉冲时间间隔数,M表示飞秒激光脉冲提取系数,仅本公式中的%表示取余数运算;

5)偏压控制参数Vb输入到数模转换器(12)经转换后再输入到到马赫‑曾德调制器(2)进行偏压控制,同步电脉冲信号Ep输入到电脉冲放大器(13)后经放大再输入到马赫‑曾德调制器(2)进行强度调制,反馈实时控制对飞秒激光器(1)输出激光的强度调制和脉冲同步提取。