【正文】 ......................................................16 基于 KEIL 軟件編程 ....................................................................................................................................16 軟件控制主程序 ..........................................................................................................................................17第五章 系統(tǒng)試驗(yàn)與調(diào)試 ..............................................................................................................................19 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 .............................................................................................................................................19 實(shí)驗(yàn)調(diào)試及分析 .........................................................................................................................................19 信號(hào)的濾波 .........................................................................................................................................19 信號(hào)的放大 .........................................................................................................................................19 信號(hào)的峰值保持 .................................................................................................................................20 單片機(jī)處理及顯示部分 .....................................................................................................................20 系統(tǒng)整體調(diào)試效果圖 .........................................................................................................................21目錄IV第六章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................................22結(jié) 束 語(yǔ) ..............................................................................................................................................................23參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................................................24脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究1第一章 緒論 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀隨著光通信網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖激光器技術(shù)正在不斷向廣度和深度方面推進(jìn)，將為光纖激光器的設(shè)計(jì)提供新的對(duì)策和思路。盡管目前多數(shù)類(lèi)型的器件仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，但已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中充分顯示其優(yōu)越性。目前光纖激光器的開(kāi)發(fā)研制正向多功能化、實(shí)用化方向邁進(jìn)，可以預(yù)見(jiàn)，光纖激光器必將在未來(lái)光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。脈沖光纖激光器在最近幾年成為研究和關(guān)注的熱點(diǎn)，但光纖激光器并非新生事物，就在激光器誕生后的第二年即 1961 年，美國(guó)光學(xué)公司(American Op tical Corporation )的 采用燈泵浦 英寸(約 304μm)和 32μm 兩種直徑的光纖(纖芯材料是摻 Nd3+鋇冕玻璃( bariumcrown glass),包層是蘇打石灰硅酸鹽材料，觀(guān)察到了中心波長(zhǎng)為 的受激輻射現(xiàn)象，這是國(guó)際上最早報(bào)道的光纖激光器。1964 年 和 又發(fā)表了多組份玻璃光纖中的光放大結(jié)果。不久以后，光纖激光器被用于光學(xué)信息處理方面的工作，但由于當(dāng)時(shí)條件的限制，此后光纖激光器的發(fā)展基本停滯不前。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進(jìn)，最高輸出功率記錄在短時(shí)間內(nèi)接連被打破，前單纖輸出功率(連續(xù))已達(dá)到 2022W 以上。IPG( photonics)公司憑借在 2022 年獲得的1 億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資異軍突起，展示了各式光纖激光器和放大器:S、C、L 波段的各種光纖放大器、高功率的 EDFA、拉曼光纖激光器和雙波長(zhǎng)拉曼光纖激光器。它推出一系列的摻 Yb 高功率光纖激光器，現(xiàn)在輸出功率有直到 50kW 的產(chǎn)品可供選擇。德國(guó)的 IPHT 也有極高的研發(fā)和制造水平，它們也加入到新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)?，F(xiàn)在已經(jīng)有多臺(tái)千瓦級(jí)光纖激光器在美國(guó)、歐洲、亞洲投入到工業(yè)加工或科學(xué)研究中。國(guó)內(nèi)從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，如上海光機(jī)所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、天津大學(xué)以及郵電部和電子部所屬的一些研究單位，在光纖激光器、放大器和相關(guān)器件的研究中都取得了一定的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)摻 Yb3 +雙包層光纖激光器的研究起步較晚。南開(kāi)大學(xué)開(kāi)展摻鐿雙包層光纖激光器的研究工作，并取得了一系列的科研成果，特別是在雙包層光纖光柵方面取得了開(kāi)創(chuàng)性成果。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所則在光纖激光器研制方面開(kāi)展了許多重要的工作，經(jīng)過(guò)對(duì)抽運(yùn)光的整形，大大提高了耦合效率，報(bào)道的百瓦量級(jí)的摻鐿雙包層光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 70%的光轉(zhuǎn)換效率。中國(guó)兵器裝備研究院報(bào)道單纖功率突破 1kW。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)研究滯后國(guó)外幾年時(shí)間，關(guān)鍵性制約因素是缺乏自主研制光纖制作設(shè)備和開(kāi)發(fā)高功率泵浦半導(dǎo)體激光器的能力。2022 年南開(kāi)大學(xué)報(bào)道了利用脈沖泵浦獲得 100kW 峰值功率的調(diào) Q 脈沖,以及得到的 60nm 可調(diào)諧的調(diào) Q 脈沖。2022 年 12 月 3 日，烽火通信報(bào)道，繼推出激光輸出功率達(dá) 100W 以上的雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過(guò)艱苦的攻關(guān)再創(chuàng)佳績(jī)，將該類(lèi)新型光纖的輸出功率成功提高至 440W，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。這是烽火通信在特種光纖領(lǐng)域邁出的重要一步，同時(shí)也是我國(guó)在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國(guó)際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實(shí)現(xiàn)高功率等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工、激光雷達(dá)系統(tǒng)、光通信及目標(biāo)指示等領(lǐng)域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質(zhì)脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究2是雙包層摻鐿光纖，因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類(lèi)激光器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。烽火通信作為國(guó)內(nèi)唯一一家進(jìn)行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達(dá) 100W 以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品后，又加大的研發(fā)力度，使得其輸出功率實(shí)現(xiàn) 440W 以上，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 課題研究的意義光纖激光器的的研究有著十分深遠(yuǎn)的意義，光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車(chē)制造、激光雕刻、激光打標(biāo)、激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接） 、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。光纖激光的工業(yè)應(yīng)用從低功率的打標(biāo)、雕刻(十瓦、百瓦級(jí))向更高功率的金屬和陶瓷的切割、焊接等方面發(fā)展 (千瓦到萬(wàn)瓦級(jí))，在汽車(chē)工業(yè)和船舶工業(yè)中結(jié)構(gòu)，緊湊、使用方便的高功率光纖激光器具有巨大的市場(chǎng)潛力，但要成功取代常規(guī)工業(yè)激光器則依賴(lài)于它能獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量、更低的價(jià)格以及企業(yè)良好的售后服務(wù)。因?yàn)殡S著光纖激光器應(yīng)用范圍的不斷拓寬，其發(fā)展的意義也會(huì)越來(lái)越重，在不久的將來(lái)，隨著激光技術(shù)的日趨成熟穩(wěn)定，其應(yīng)用也會(huì)更加貼近人們的日常生活，更加具有普遍性。所以說(shuō)在未來(lái)對(duì)于光纖激光器研究的意義是十分重要的。本論文的光功率計(jì)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)光纖激光器整體功率進(jìn)行檢測(cè)并顯示，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行反饋控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源。由于時(shí)間和能力問(wèn)題功率反饋部分沒(méi)有完成。所以課題的設(shè)計(jì)與研究是圍繞光纖激光器光功率計(jì)展開(kāi)的。 課題研究的內(nèi)容該課題主要是根據(jù)光纖激光器的功能特點(diǎn)，研究方向是設(shè)計(jì)一個(gè)可以通過(guò) PIN 光電二極管將激光器發(fā)出的不同頻率的激光信號(hào)采集下來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)字信號(hào)，以及通過(guò)單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)功率顯示在數(shù)碼管上的設(shè)計(jì)。這是本課題的基本設(shè)計(jì)思路，完成脈沖光纖激光器光功率的顯示需要以下幾個(gè)重要內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)研究：（1）對(duì)激光信號(hào)的采集，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。（2）對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。（3）對(duì)該信號(hào)進(jìn)行峰值保持，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。（4）通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。（5）通過(guò)單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。（6）通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)功率可以最終顯示在數(shù)碼管上。（7）設(shè)置報(bào)警裝置。對(duì)于該系統(tǒng)的功能是最終實(shí)現(xiàn)光功率的顯示，通過(guò)具體的細(xì)化分析研究之后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的初步構(gòu)架了。原理圖設(shè)計(jì)完之后，經(jīng)過(guò)分析論證，MATLAB 軟件仿真，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)沒(méi)有問(wèn)題，方可進(jìn)行電路板的制作，最后就是對(duì)元器件的排版焊接和電路板的調(diào)試。上述的基本操作過(guò)程就是脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究的初步方向內(nèi)容以及要實(shí)現(xiàn)的基本功能。激光信號(hào)的頻率在 20kHz200kHz 的范圍內(nèi),測(cè)量的激光信號(hào)的范圍是 18kHz22kHz 的頻率。 脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究3第二章 光纖激光器光功率計(jì)的原理與設(shè)計(jì) 光纖激光器原理結(jié)構(gòu) 光纖激光器的原理光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)，光 纖 激 光 器 作 為 第 三 代 激 光 技 術(shù) 的 代 表 ， 具 有 其 他 激 光 器 無(wú) 可 比 擬 的 技 術(shù) 優(yōu) 越性 。 在 短 期 內(nèi) ， 光 纖 激 光 器 將 主 要 聚 焦 在 高 端 用 途 上 隨 光 纖 激 光 器 的 普 及 ， 成 本 的 降 低 以 及 產(chǎn)能 的 提 高 ， 最 終 將 可 能 會(huì) 替 代 掉 全 球 大 部 分 高 功 率 CO2 激 光 器 和 絕 大 部 分 YAG 激 光 器 。當(dāng)泵浦光通過(guò)光纖時(shí)，纖芯中的稀土離子吸收泵浦光，躍遷到激光上能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子在自發(fā)輻射光子或者特別注入的光子誘導(dǎo)下以受激輻射躍遷到激光下能級(jí)，同時(shí)發(fā)射出與誘導(dǎo)光子相同的光子，這樣的過(guò)程雪崩般發(fā)生，于是發(fā)射出激光。這就是光纖激光器的基本原理。選擇在光纖中摻稀土離子構(gòu)成光纖激光器，因而能方便地采用成本低廉的、工藝較為成熟的半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源。 光纖激光器的結(jié)構(gòu)光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)由增益介質(zhì)、諧振腔與泵浦源組成。增益介質(zhì)為摻有稀土離子的光纖芯，摻雜光纖放置在兩個(gè)反射率經(jīng)過(guò)選擇的腔鏡之間，泵浦光從光纖激光器的左邊腔鏡耦合進(jìn)入光纖，經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和濾波器得到輸出激光。從理論上來(lái)說(shuō)，只有泵浦源和增益光纖是構(gòu)成光纖激光器的必須組件，而諧振腔并非必不可缺的組件。諧振腔的選模和增加增益介質(zhì)長(zhǎng)度的作用在光纖激光器中是可以不用的，因長(zhǎng)光纖本身可以非常長(zhǎng) ,從而獲得很高的單程增益，而光纖的波導(dǎo)效應(yīng)又可以起到選模的作用。但實(shí)際應(yīng)用中人們一般希望使用較短光纖，所以多數(shù)情況下采用諧振腔，以引入反饋。光纖激光器的一般結(jié)構(gòu)如圖 所示。泵浦光有源光纖激光輸出高反光柵 低反光柵圖 光纖激光器的一般結(jié)構(gòu) 光纖激光器的分類(lèi)光纖激光器種類(lèi)繁多 ,按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成若干種類(lèi)，具體分類(lèi)如表 所示。脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究4表 光纖激光器的分類(lèi)分類(lèi)方法 種類(lèi)按輸出模式分類(lèi) 單模光纖激光器和多模光纖激光器按光波波段分類(lèi) S 波段 (1 280～1 350nm)、 C 波段 (1 528～1 565nm) 和 L 波段(1 561～1 620nm)按諧振腔結(jié)構(gòu)分類(lèi) F P 腔、 WDM 諧振腔、 光纖光柵諧振腔等按工作機(jī)制分類(lèi) 上轉(zhuǎn)換光纖激光器和下轉(zhuǎn)換光纖激光器按工作方式分類(lèi) 脈沖激光器和連續(xù)激光器