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CN111024370A - 一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法 - Google Patents

一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法，包括激光器驱动电路、光脉冲调制器、光放大器、光环行器、光纤、光谱检测单元、计算机、可调谐激光器；在实际扫描工作的波长范围、波长点数、每个波长点保持时间、波长扫描周期等参数下进行激光器工作曲线标定；将激光器输出光调制成光脉冲，测量光脉冲在光纤中传输的瑞利散射光，从而获得不同控制信号下的激光波长和边模抑制比，保证激光器扫描工作和标定状态的一致性。

Description

一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法
技术领域
本发明涉及激光器波长——控制信号工作曲线的标定装置和方法，特别是一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法。
背景技术
采用可调谐激光器进行光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器等的光谱检测和信号解调，具有测量精度高、测点数目多、成本适中等优点，广泛应用于航天、航空、海洋等多个领域的光纤传感信号检测。为了获得光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器的准确光谱信号，需要通过标定获取激光器波长——控制信号工作曲线(以下将“波长——控制信号工作曲线”简称为“工作曲线”)。
现有的激光器工作曲线标定方法通常在静态(不扫描)或准静态(低速扫描)下进行，即：对激光器施加某一组控制信号，维持控制信号不变，测量激光器在该控制信号下的激光波长；对激光器施加另一组控制信号，维持控制信号不变，测量激光器在该控制信号下的激光波长；最终获得激光器在多组不同控制信号下的激光波长。将静态或准静态标定的激光器工作曲线应用于激光器扫描工作过程的波长控制，激光器扫描工作曲线相对于静态或准静态标定工作曲线的偏离采用较简单的多项式或分段多项式来补偿。
采用压电陶瓷、微机械、液晶、电机等作为驱动机构来调谐波长的可调谐激光器，工作曲线通常可以用较低阶的多项式来描述，现有标定方法可以保证较高的波长控制精度。
但是，采用驱动电流改变折射率来调谐波长的可调谐DBR激光器，激光器波长——驱动电流工作曲线表现为多个不规则的周期，难以用多项式或分段多项式来准确描述；将静态或准静态标定的可调谐DBR激光器工作曲线用于扫描工作过程的波长控制，波长控制精度、边模抑制比等难以满足光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器光谱检测的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的静态或准静态标定的可调谐DBR激光器工作曲线用于扫描工作过程的激光波长控制，激光波长控制精度、边模抑制比难以满足光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器光谱检测需求的问题；提出了一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法，在实际扫描工作的波长范围、波长点数、每个波长点保持时间、波长扫描周期等参数下进行激光器工作曲线标定，通过光脉冲调制和测量光脉冲在光纤中传输的瑞利散射光来获得激光波长和边模抑制比，保证激光器扫描工作和标定状态的一致性，保证激光器扫描工作时的波长控制精度和边模抑制比。
本发明的技术解决方案是：
一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置，包括：激光器驱动电路、光脉冲调制器、光放大器、光环行器、光纤、光谱检测单元、计算机、可调谐激光器；激光器驱动电路包括总线接口、微控制器、驱动电流模块、温控模块、同步信号模块；激光器驱动电路的输出端口，即驱动电流端口、温控端口连接到可调谐激光器，激光器驱动电路的同步信号端口连接到光脉冲调制器，激光器驱动电路的总线端口连接到计算机；可调谐激光器的输出端口连接到光脉冲调制器的输入端口，光脉冲调制器的输出端口连接到光放大器的输入端口，光放大器的输出端口连接到光环行器的输入端口，光环行器的双向传输端口连接到光纤，光环行器的输出端口连接到光谱检测单元的输入端口，光谱检测单元连接到计算机；光谱检测单元为基于探测器阵列和电荷积分放大信号检测的光谱分析仪。
一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定方法，为：
1)可调谐激光器在激光器驱动电路的控制下，按照实际扫描工作的波长范围、波长点数、每个波长点保持时间、波长扫描周期进行工作，输出波长随时间变化的激光；
2)在计算机的指令控制下，激光器驱动电路输出触发信号的时刻发生变化，在波长扫描至待标定波长点的时刻输出触发信号，控制光脉冲调制器将待标定波长点的激光调制成光脉冲；
3)光脉冲经过光放大器放大后，经过光环行器输入光纤；光脉冲调制器输出的光脉冲周期等于可调谐激光器的波长扫描周期，光脉冲上升沿位于波长扫描至待标定波长点的时刻，光脉冲宽度小于等于可调谐激光器的每个波长点保持时间；光纤的长度大于等于2cT/n，其中c为真空中的光速，n为光纤折射率，T为可调谐激光器的波长扫描周期；光脉冲在光纤中传输产生的瑞利散射光，经过光环行器输入光谱检测单元；
4)计算机接收光谱检测单元测量的瑞利散射光的光谱，根据光谱计算出可调谐激光器在待标定波长点的激光波长和边模抑制比，进一步计算出激光波长和目标值的差值；计算机通过总线发送命令给激光器驱动电路，调节激光器驱动电路在待标定波长点上输出给可调谐激光器的驱动电流，使激光波长和目标值的差值的绝对值减小、边模抑制比大于等于边模抑制比阈值；当激光波长和目标值之间的差值的绝对值小于等于波长偏差阈值、或者调节次数大于调节次数阈值时，记录激光器驱动电路输出可调谐激光器的驱动电流、以及对应的激光波长；
5)重复步骤2)～4)，获得激光器驱动电路在每个波长点上输出给可调谐激光器的驱动电流、以及对应的激光波长，实现可调谐激光器工作曲线的动态标定。
本发明的优点在于：
(1)本发明公开的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法，在实际扫描工作参数下进行激光器工作曲线标定，保证激光器最终工作状态和标定状态的一致性，保证激光器最终扫描工作时的波长控制精度和边模抑制比。
(2)本发明公开的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法，将特定时刻或控制信号下的激光调制成光脉冲，通过测量瑞利散射光的光谱，可以获得波长、边模抑制比等较丰富的信息。
(3)本发明公开的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置和方法，采用光谱检测单元实现了激光波长和边模抑制比的测量，降低了光电信号检测带宽和实现难度。
附图说明
图1为可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置的一种具体实施方案；
图2为激光器驱动电路组成示意图；
图3为激光器波长、光脉冲强度随时间变化的示意图。
具体实施方式
本发明公开的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置，一种具体实施方式如图1所示；包括激光器驱动电路1、光脉冲调制器2、光放大器3、光环行器4、光纤5、光谱检测单元6、计算机7；激光器驱动电路1的组成如图2所示，包括总线接口、微控制器、驱动电流模块、温控模块、同步信号模块；激光器驱动电路1输出的驱动电流端口11、温控端口12连接到可调谐激光器8，激光器驱动电路1的同步信号端口13连接到光脉冲调制器2，激光器驱动电路1的总线端口14连接到计算机7；可调谐激光器8的输出端口连接到光脉冲调制器2的输入端口，光脉冲调制器2的输出端口连接到光放大器3的输入端口，光放大器3的输出端口连接到光环行器4的输入端口，光环行器4的双向传输端口连接到散射光纤5，光环行器4的输出端口连接到光谱检测单元6的输入端口，光谱检测单元6连接到计算机7；光谱检测单元6为通用光谱分析仪或光波长计。
一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定方法，待标定的可调谐激光器8在激光器驱动电路1的控制下，按照实际扫描工作的波长范围λ0～λN-1、波长点数N、每个波长点保持时间t、波长扫描周期T等参数进行工作，输出波长随时间变化的激光，如图3所示；
在计算机7的指令控制下，激光器驱动电路1输出触发信号的时刻发生变化，在波长扫描至第k(k＝0,1,2…N-1)个待标定波长点的时刻tk+mT(m为整数)输出触发信号，控制光脉冲调制器2将第k个待标定波长点的激光调制成光脉冲；光脉冲的宽度tpw小于等于每个波长点保持时间t；
光脉冲经过光放大器3放大后，经过光环行器4输入光纤5，光纤5的长度大于等于2cT/n，其中c为真空中的光速，n为光纤折射率，T为可调谐激光器8的波长扫描周期；光脉冲在光纤5中传输产生的瑞利散射光，经过光环行器4输入光谱检测单元6；
计算机7接收光谱检测单元6测量的瑞利散射光的光谱，根据光谱计算出可调谐激光器8在第k个待标定波长点的波长和边模抑制比，进一步计算出激光波长和目标值的差值；计算机7通过总线发送命令给激光器驱动电路1，调节激光器驱动电路1在待标定波长点上输出给可调谐激光器8的驱动电流，使激光波长和目标值的差值的绝对值减小、边模抑制比大于等于边模抑制比阈值；边模抑制比阈值取值范围为20～45dB，典型地设置为30dB；波长偏差阈值的范围为1pm～10pm，典型地设置为5pm；调节次数阈值的范围为10～100次，典型地设置为50次；当激光波长和目标值之间的差值的绝对值小于等于波长偏差阈值、或者调节次数大于调节次数阈值时，记录激光器驱动电路1输出可调谐激光器8的驱动电流、以及对应的激光波长，获得在第k个待标定波长点上的激光波长、驱动电流对应关系；
最终获得第0,1,2…N-1共N个波长点上的激光波长、驱动电流对应关系，实现可调谐激光器8工作曲线的动态标定。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置，其特征在于，包括：激光器驱动电路(1)、光脉冲调制器(2)、光放大器(3)、光环行器(4)、光纤(5)、光谱检测单元(6)、计算机(7)、可调谐激光器(8)；
激光器驱动电路(1)的输出端口，即驱动电流端口(11)、温控端口(12)连接到可调谐激光器(8)，激光器驱动电路(1)的同步信号端口(13)连接到光脉冲调制器(2)，激光器驱动电路(1)的总线端口(14)连接到计算机(7)；可调谐激光器(8)的输出端口连接到光脉冲调制器(2)的输入端口，光脉冲调制器(2)的输出端口连接到光放大器(3)的输入端口，光放大器(3)的输出端口连接到光环行器(4)的输入端口，光环行器(4)的双向传输端口连接到光纤(5)，光环行器(4)的输出端口连接到光谱检测单元(6)的输入端口，光谱检测单元(6)连接到计算机(7)。
2.一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定方法，其特征在于：
1)可调谐激光器(1)在激光器驱动电路(2)的控制下，按照实际扫描工作的波长范围、波长点数、每个波长点保持时间、波长扫描周期进行工作，输出波长随时间变化的激光；
2)在计算机(7)的指令控制下，激光器驱动电路(1)输出触发信号的时刻发生变化，在波长扫描至待标定波长点的时刻输出触发信号，控制光脉冲调制器(2)将待标定波长点的激光调制成光脉冲；
3)光脉冲经过光放大器(3)放大后，经过光环行器(4)输入光纤(5)；光脉冲在光纤(5)中传输产生的瑞利散射光，经过光环行器(4)输入光谱检测单元(6)；
4)计算机(7)接收光谱检测单元(6)测量的瑞利散射光的光谱，根据光谱得到可调谐激光器(8)在待标定波长点的激光波长和边模抑制比，进一步计算得到激光波长和目标值的差值；计算机(7)通过总线发送命令给激光器驱动电路(1)，调节激光器驱动电路(1)在待标定波长点上输出给可调谐激光器(8)的驱动电流，使激光波长和目标值的差值的绝对值减小、边模抑制比大于等于边模抑制比阈值；当激光波长和目标值之间的差值的绝对值小于等于波长偏差阈值、或者调节次数大于调节次数阈值时，记录激光器驱动电路(1)输出给可调谐激光器(8)的驱动电流、以及对应的激光波长；
5)重复步骤2)～4)，获得激光器驱动电路(1)在每个波长点上输出给可调谐激光器(8)的驱动电流、以及对应的激光波长，实现可调谐激光器(8)工作曲线的动态标定。
3.根据权利要求书1所述的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置，其特征在于：所述激光器驱动电路(1)包括总线接口、微控制器、驱动电流模块、温控模块、同步信号模块。
4.根据权利要求书1所述的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定装置，其特征在于：所述光谱检测单元(6)为基于探测器阵列和电荷积分放大信号检测的光谱分析仪，光放大器(3)的输出端口连接到光谱检测单元(6)的输入端口。
5.根据权利要求书1所述的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定方法，其特征在于：所述光脉冲调制器(2)输出的光脉冲周期等于可调谐激光器(8)的波长扫描周期，光脉冲上升沿位于波长扫描至待标定波长点的时刻，光脉冲宽度小于等于可调谐激光器(8)的每个波长点保持时间。
6.根据权利要求书1所述的一种可调谐激光器波长扫描工作曲线的动态标定方法，其特征在于：所述光纤(5)的长度大于等于2cT/n，其中c为真空中的光速，n为光纤折射率，T为可调谐激光器(8)的波长扫描周期。
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