一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及整形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光脉冲产生及整形技术领域，具体涉及一种基于电光调制器的光脉 冲整形装置及其整形方法。
【背景技术】
[0002] 在激光加工、切割等生产过程以及相关的科研中，不同形状的光脉冲可能表现出 不同的特性。为了获得更好的效果，往往需要获得具有一定形状的激光脉冲。
[0003] 目前，光脉冲整形方法主要有三种，即基于半导体激光器的脉冲整形方法、基于脉 冲堆积的脉冲整形方法和基于电光调制器的脉冲整形方法。
[0004] 1、基于半导体激光器的脉冲整形方法利用任意形状的整形电脉冲直接驱动半导 体激光器，产生与电脉冲形状一致的激光脉冲。此方法所用装置的结构简单，控制方便，但 其激光束质量受半导体激光器影响，脉冲整形精度有限，最新的研究结果可以实现脉宽 10ns (纳秒）、时域调节精度330ps (皮秒)任意形状整形激光脉冲。
[0005] 2、基于脉冲堆积的脉冲整形方法是采用多个短脉冲在时域上首尾相连，组合成一 个长脉冲。此方法可以产生亚ps到ns脉冲，堆积结果依赖于堆积的脉冲基元及延时大小。其 产生的脉冲具有扫频特性、上升沿陡峭、受环境和光程变化小等优点，但该方法涉及超短脉 冲的产生、放大、控制等技术，实现难度大。
[0006] 3、基于电光调制器的脉冲整形方法通过将整形电脉冲加载到电光调制器，对连续 光进行幅度调制，从而产生整形脉冲。此方法需要足够快的调制信号源和电光调制器，一般 用于百ps以上到ns或更长时间的脉冲整形。主要受限于电光调制的响应速率。电光调制器 的脉冲整形技术比较成熟，整形能力强。其核心器件是电光调制器，所加的电调制信号使其 输出光强度发生变化，即装置输出的光脉冲峰值改变，为了获得高对比度的任意整形脉冲， 需要精确控制高消光比电光调制器工作于最小的直流偏置电压点上。但是随着器件内的静 电荷积累以及温度的变化，直流偏置电压点会发生漂移，导致输出光脉冲相位变化，消光比 下降。为了解决该问题，需要监测控制电光调制器的偏置电压。目前，监测电光调制器直流 偏置电压点的方法主要有:扰频法和功率探测法。
[0007] 2011年电子科技大学杨志高的硕士论文"集成光学调制器工作点稳定性研究"中 介绍：扰频法将一个低频扰动信号施加在直流偏置信号中，以调制后的信号中的基波信号 和二次谐波信号幅度的比值作为反馈参量、控制稳定电光调制器的偏置电压。该方法引入 扰动，因此要求应用系统对该扰动不敏感。
[0008] 《光通信技术》2011年第7期的文章介绍了功率探测法通过使用低响应速率的光电 探测器，监测基底累积能量，进而获取偏置点的信息。该方法能有效判断偏置点漂移信息， 但响应速度稍慢，灵敏度低，只能应用于产生低频低占宽比的脉冲，输出脉冲对比度不够 尚。
[0009] 总之目前尚未见到在进行脉冲整形同时，快速有效地精确监控电光调制器直流偏 置电压，使电光调制器能输出高对比度任意整形光脉冲的装置。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是针对现有的基于电光调制器的光脉冲整形技术的不足，提出一种 基于电光调制器的光脉冲整形装置，信号光接入电光调制器，其输出经分束器分为两束，占 比大的光束作为本装置的输出，占比小的光束作为监测光送入光电探测器，反映输出光光 强的电信号送入微处理器，微处理器据此经由数模转换单元和射频驱动器，控制光电调制 器。
[0011] 本发明的另一目的是提供一种基于电光调制器的光脉冲整形方法，其采用本发明 的基于电光调制器的脉冲整形装置，借由监测光搜索获得最佳偏置电压值，在装置运行时 自动跟踪调整偏置电压，实现了对信号光进行脉冲整形时光电调制器最佳偏置电压的精确 控制，保证产生高对比度任意整形光脉冲。
[0012] 本发明设计的一种基于电光调制器的光脉冲整形装置包括电光调制器和射频驱 动器，还包括分束器、光电探测器、放大器、模数转换单元和微处理器、数模转换单元。
[0013] 信号光接入电光调制器，对信号光进行幅度调制，产生整形脉冲，电光调制器再连 接分束器，分束器将调制后的信号光分为2束，其中占比较大的光束为本装置的输出，另一 占比较小的光束作为监测光接入光电探测器，光电探测器的输出经放大器和模数转换单元 接入微处理器，微处理器由光电探测器获取监测信号，微处理器的控制信号接射频驱动器 和数模转换单元，电调制信号接入射频驱动器;射频驱动器和数模转换单元的输出接入电 光调制器，射频驱动器根据微处理器的控制信号对电调制信号放大后加载到电光调制器， 数模转换单元将微处理器的偏置电压信号转换为模拟信号送入到电光调制器，使电光调制 器工作于适当的偏置电压。
[0014] 所述输入的信号光为线偏振连续激光。本装置输出信号光为脉冲宽度ns级、频率1 ~1kHz的低频窄脉冲光。
[0015] 所述电光调制器、分束器和光电探测器适用于信号光波长，经光纤连接。
[0016] 所述的分束器分出的占比较大的输出光束占 90~99%，其余的作为监测光输出到 光探测器。
[0017] 所述模数转换单元的采样周期大于光电调制器输出的信号光的脉冲宽度，采样频 率大于光电调制器输出的信号光的脉冲频率5~15倍，从而本模数转换器可在两个脉冲间 连续采样5~15次，所得的5~15个采样值中最多只会包含光脉冲的一个最大值，将其剔除， 其余值即反映当前偏置电压下的透过光强。
[0018] 所述电光调制器件为波导型铌酸锂电光强度调制器。
[0019] 所述电调制信号由波形发生器产生。
[0020] 所述的光电探测器为PIN型光电二极管。
[0021] 本发明一种基于电光调制器的光脉冲整形方法，采用本发明的基于电光调制器的 光脉冲整形装置，包括以下步骤：
[0022] 步骤1、确认最佳偏置电压
[0023]系统通电、启动进行初始化，取将要进行脉冲整形的某波长信号光输入电光调制 器，射频驱动器正常工作。
[0024]在不同的偏置电压下，透过电光调制器输出的信号光强弱不同。选择信号光透过 的强度最小时对应的偏置电压为最佳偏置电压。
[0025] 本发明微处理器通过光电探测器得到监测光强度变化，确定光电调制器输出的信 号光强度。
[0026] 微处理器搜索扫描该波长信号光最佳偏置电压点，遍历光电调制器的各偏置电压 点，即从最高偏置电压遍历到最低偏置电压，微处理器的电压控制指令经数模转换单元转 换后送入光电调制器，在各偏置电压点监测光在光电探测器转换为相应的电信号，并经模 数转换单元采样送入微处理器，即微处理器接收对应电光调制器输出的监测光光强度对应 的电信号采样值。
[0027] 光电探测器反映信号光脉冲的完整形状，模数转换单元的采样周期大于输出脉冲 宽度，也即是说模数转换单元连续两次采样所得的数据最多只有一个包含输出光脉冲信 息。电光调制器虽然具备高达30dB的高消光比，但仍有部分信号光的功率泄漏过来，在输入 光为连续光且功率大于lyw的情况下，可在电光调制器输出端检测到泄漏的功率。本装置输 出脉冲宽度为ns级、频率1~1 kHz的低频窄脉冲，占空比很小，本发明在每个偏置电压点进 行多次采样，剔除多个采样值中的最大值后计算平均值，以此平均值作为该偏置电压点监 测光的光强度采样值。采样的次数为5~15次。
[0028]微处理器依次获得各偏置电压下的监测光光强度采样值，比较各监测光光强度采 样值，以监测光光强度采样值最小的所对应的偏置电压为最佳偏置电压