【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 按摻雜元素分類(lèi) 摻餌 ( Er3 +)、 釹 (Nd3 +)、 鐠 ( Pr3 +)、 鈥 (Ho3 +)鐿 (Yb3 +)、銩 ( Tm3 +)等按增益介質(zhì)分類(lèi) 稀土類(lèi)摻雜光纖激光器、 非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器和塑料光纖激光器等下面以雙包層光纖激光器為例進(jìn)行原理的分析，MOPA 式脈沖雙包層光纖激光器主要是把種子光源藕合進(jìn)入雙包層光纖的纖芯,在光纖同端或異端以大功率 LD 泵浦,后經(jīng)聲光調(diào)制器將激光能量集中到寬度較窄的脈沖中，從而提高光脈沖的峰值功率，就能得到的單脈沖能量較高、平均輸出功率較大、調(diào)諧范圍廣、光束質(zhì)量好的激光光束。對(duì)于連續(xù)工作的光纖激光器 ,光纖本身就是工作物質(zhì),一般采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一腔結(jié)構(gòu) ,這樣無(wú)需在腔內(nèi)放置其它光學(xué)元件就可以獲得高功率的激光輸出。但如果從應(yīng)用目標(biāo)出發(fā)時(shí),連續(xù)工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低,脈沖工作的光纖激光或許更為有用。脈沖雙包層光纖激光器是一種新型激光器 ,和普通的固體激光器相比,雙包層光纖激光器具有很高的“表面積體積”比,散熱效果好,具有很高的轉(zhuǎn)換效率和很低的閡值。雙包層結(jié)構(gòu)使泵浦光有較大的可入射面積,當(dāng)光沿纖芯傳播時(shí),泵浦摻雜纖芯將產(chǎn)生亮度很高,而且光束質(zhì)量接近衍射極限的激光輸出。雙包層光纖激光器在產(chǎn)生高平均功率脈沖激光方面有相當(dāng)大的潛力 ,它們可以成為替代某些調(diào) 或鎖模激光器的另一種高效多用途激光器。脈沖雙包層光纖激光器在通訊、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工、生物學(xué)等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價(jià)值。雙包層光纖激光器是由同心的纖芯，內(nèi)包層，外包層以及保護(hù)層組成，內(nèi)包層和外包層有同心的圓截面結(jié)構(gòu)，雙包層的直徑遠(yuǎn)大于纖芯的 r 結(jié)構(gòu)，纖芯中摻入稀土元素與單模光纖纖芯一樣，具有很大的折射率，其用來(lái)傳輸單模信號(hào)光，內(nèi)包層具有和普通光纖的纖芯相同的材料，它的折射率處于纖芯和外包層之間，用來(lái)傳輸多模泵浦光，外包層的折射率最小，內(nèi)包層和纖芯構(gòu)成一個(gè)大的纖芯，用來(lái)傳輸泵浦光，其以折線方式反復(fù)穿過(guò)纖芯并被摻雜吸收，這樣在纖芯中傳播光的比例就會(huì)增加，它的光源使用多個(gè)多模激光激光二極管 LD 組成。雙包層光纖激光器原理圖如圖 所示。脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究5圖 雙包層脈沖光纖激光器原理圖 固態(tài)激光器一直都是近幾年國(guó)內(nèi)外激光器領(lǐng)域研究的主要產(chǎn)品之一，由于它的功率輸出反映著激光器輸出的穩(wěn)定特性，所以對(duì)其功率的研究就顯得尤為重要了。在很多全固體激光器中，其輸出光功率穩(wěn)定性都在177。20％左右，制約其性能的因素有很多方面，如有激光器腔內(nèi)倍頻晶體、激光器的溫度控制精度、激光器工作電流的穩(wěn)定性、增益介質(zhì)等。如果單靠提高激光器控溫精度必然導(dǎo)致激光器成本的大幅度提高，如果激光器本身的性能已達(dá)到技術(shù)參數(shù)要求，則進(jìn)一步通過(guò)控制來(lái)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器工作電流從而降低輸出光功率的振蕩和超調(diào)是一種很好的解決方法。在光纖激光器系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器起到泵浦原的作用，維持它的輸出功率的穩(wěn)定性尤為重要，半導(dǎo)體激光器受到微小的電流和溫度變化的影響時(shí)，將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)，也就是半導(dǎo)體激光器的輸出功率不穩(wěn)定。要保證它的穩(wěn)定性，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控半導(dǎo)體激光器的發(fā)光狀況，控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流以保持半導(dǎo)體激光器功率輸出的穩(wěn)定，所以半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定性是急待解決的問(wèn)題。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。再此基礎(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。本課題的整體設(shè)計(jì)與研究是圍繞光功率計(jì)的檢測(cè)與顯示來(lái)展開(kāi)的。 脈沖光纖激光器光功率計(jì)總體設(shè)計(jì)方案脈沖光纖激光器光功率的設(shè)計(jì)，是利用 pin 光電二極管采集由激光器發(fā)出的不同頻率的微弱激光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)完整的帶通濾波電路進(jìn)行濾波，將不必要的外界光引起的干擾雜波濾掉，然后將得到的微弱的電壓信號(hào)，通過(guò)放大電路進(jìn)行放大， （本課題所需放大 50 倍） ，為了得到更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)效果，該測(cè)試系統(tǒng)中我選擇加入峰值保持電路，將交流轉(zhuǎn)化為直流，讓單片機(jī)可以一直采集到被放大的微弱電壓信號(hào)的峰峰值。經(jīng)過(guò)峰值保持后的直流信號(hào)，可以直接被AD0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收，將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程，在其內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為可以顯示在數(shù)碼管上的功率值，最終通過(guò)數(shù)碼管顯示，在整個(gè)系統(tǒng)的最后加入報(bào)警系統(tǒng)，可以使該課題的設(shè)計(jì)更加的完整，以便在數(shù)碼管上顯示的功率值超出了預(yù)設(shè)的最大功率值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。 光功率計(jì)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)框圖如圖 所示。激光器發(fā)出激光信號(hào)PIN 光電管采集信號(hào)峰值保持電路保持信號(hào)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波放大設(shè)置報(bào)警控制裝置89C52 單片機(jī)分析處理AD0804數(shù)模轉(zhuǎn)換LED 數(shù)碼管顯示功率值圖 光功率計(jì)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)框圖通過(guò)上面的系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)最終可以實(shí)現(xiàn)功率計(jì)的顯示，通過(guò)單片機(jī)的軟件編程設(shè)定當(dāng)功率值超過(guò)設(shè)定的 10W 的上限值時(shí)，在系統(tǒng)中的報(bào)警系統(tǒng)的蜂鳴器將會(huì)啟動(dòng)發(fā)出“嘟 嘟”的響聲。 在完成了基本的設(shè)計(jì)構(gòu)想后，同時(shí)也存在一定的問(wèn)題以待解決，如在光信號(hào)的采集、放大、濾脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究6波過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)一套比較完善的放大濾波電路，其中為避免噪聲計(jì)外界干擾，對(duì)于放大濾波電路的設(shè)計(jì)要求精度要高。在通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行編程的過(guò)程中，軟件的編程是比較復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，以及峰值保持電路的穩(wěn)定性是否能夠保證單片機(jī)可以穩(wěn)定的采集到放大信號(hào)的峰峰值等問(wèn)題。解決的方法和措施：，并且通過(guò)多級(jí)放大濾波來(lái)解決噪聲和干擾的問(wèn)題，或者通過(guò)直接接入模塊已解決類(lèi)似問(wèn)題。，需要比較深入的了解單片機(jī)編程的基本方法和技巧，熟練掌握單片機(jī)編程的特點(diǎn)。，放大濾波后加入峰值保持電路，而是通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換直接進(jìn)行了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，后經(jīng)過(guò)分析可知，這樣單片機(jī)不能夠直接采樣到峰值，所以我又增加了一個(gè)峰值保持電路的環(huán)節(jié)，目的是通過(guò)峰值保持電路可以將交流轉(zhuǎn)換為直流，并穩(wěn)定的保持住，這樣做能夠更加充分的保證單片機(jī)采樣到穩(wěn)定的峰值，使得噪聲以及外部干擾降到最低。脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究7第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 功率計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成通過(guò)光電探測(cè)器模塊采集激光信號(hào)，由于激光信號(hào)比較微弱需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)濾波放大，然后通過(guò)峰值保持電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理以便單片機(jī)采集到峰值，將采集到的峰值信號(hào)通過(guò) A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理從而得到功率值，在數(shù)碼管上完成對(duì)激光功率的顯示，在系統(tǒng)中設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，在功率值超出規(guī)定值報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖 所示。PINGPIN 光電管以 OPA234為核心的放大電路以 NE5532為核心的峰值保持A/D0804 轉(zhuǎn)換 STC89C52 單片機(jī) 蜂鳴器報(bào)警裝置光纖激光器以 LM741為核心的濾波電路LED 數(shù)碼管顯示圖 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖 系統(tǒng)核心芯片的選用STC89C52 是 一 種 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 ， 具 有 8K 系 統(tǒng) 可 編 程 Flash 存 儲(chǔ) 器 。在 單 芯 片 上 ， 擁 有 靈 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 統(tǒng) 可 編 程 Flash， 使 得 STC89C52 為 眾 多 嵌 入 式 控 制 應(yīng)用 系 統(tǒng) 提 供 高 靈 活 、 超 有 效 的 解 決 方 案 。 具 有 以 下 標(biāo) 準(zhǔn) 功 能 ： 8k 字 節(jié) Flash， 512 字 節(jié)RAM， 32 位 I/O 口 線 ， 看 門(mén) 狗 定 時(shí) 器 ， 內(nèi) 置 4KBEEPROM， MAX810 復(fù) 位 電 路 ， 三 個(gè) 16 位 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 ， 一 個(gè) 6 向 量 2 級(jí) 中 斷 結(jié) 構(gòu) ， 全 雙 工 串 行 口 。 另 外 ， STC89X52 可 降 至 0Hz 靜 態(tài) 邏 輯 操 作 ，支 持 2 種 軟 件 可 選 擇 節(jié) 電 模 式 。 空 閑 模 式 下 ， CPU 停 止 工 作 ， 允 許 RAM、 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 、 串 口 、中 斷 繼 續(xù) 工 作 。 掉 電 保 護(hù) 方 式 下 ， RAM 內(nèi) 容 被 保 存 ， 振 蕩 器 被 凍 結(jié) ， 單 片 機(jī) 一 切 工 作 停 止 ， 直 到下 一 個(gè) 中 斷 或 硬 件 復(fù) 位 為 止 。 最 高 運(yùn) 作 頻 率 35MHz， 6T/12T 可 選 。單 片 機(jī) 是 指 一 個(gè) 集 成 在 一 塊 芯 片 上 的 完 整 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 盡 管 他 的 大 部 分 功 能 集 成 在 一 塊 小 芯片 上 ， 但 是 它 具 有 一 個(gè) 完 整 計(jì) 算 機(jī) 所 需 要 的 大 部 分 部 件 ： CPU、 內(nèi) 存 、 內(nèi) 部 和 外 部 總 線 系 統(tǒng) ，目 前 大 部 分 還 會(huì) 具 有 外 存 。 同 時(shí) 集 成 諸 如 通 訊 接 口 、 定 時(shí) 器 ， 實(shí) 時(shí) 時(shí) 鐘 等 外 圍 設(shè) 備 。 而 現(xiàn) 在 最 強(qiáng)大 的 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 甚 至 可 以 將 聲 音 、 圖 像 、 網(wǎng) 絡(luò) 、 復(fù) 雜 的 輸 入 輸 出 系 統(tǒng) 集 成 在 一 塊 芯 片 上 。單 片 機(jī) 由 芯 片 內(nèi) 僅 有 CPU 的 專 用 處 理 器 發(fā) 展 而 來(lái) 。 最 早 的 設(shè) 計(jì) 理 念 是 通 過(guò) 將 大 量 外 圍 設(shè) 備和 CPU 集 成 在 一 個(gè) 芯 片 中 ， 使 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 更 小 ， 更 容 易 集 成 進(jìn) 復(fù) 雜 的 而 對(duì) 提 及 要 求 嚴(yán) 格 的 控 制 設(shè)脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究8備 當(dāng) 中 。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。圖 STC89C52 最小系統(tǒng)電路 STC89C52 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD 和 TXD 分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。時(shí)鐘電路如圖 所示。（a）方式時(shí)鐘內(nèi)部電路 （b）外部方式時(shí)鐘電路圖 時(shí)鐘電路內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖 (a) 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在～12MHz 之間選擇，電容值在 5～30pF 之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。外部方式的時(shí)鐘電路如圖 （b）所示，RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。如圖示，RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1和 P2，供單片機(jī)使用。RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。本課題的單片機(jī)部分的時(shí)鐘電路采用的是（b）方式時(shí)鐘外部電路 RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，供 STC89C52 單片機(jī)使用。脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究9（1）復(fù)位操作復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。（2）復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頗率為 6MHz 的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò) 4us 才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖 所示。 圖 復(fù)位信號(hào)的電路邏輯圖整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位相按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。復(fù)位電路如圖 所示。（a）上電復(fù)位 （b）按鍵電平復(fù)位 （c）按鍵脈沖復(fù)位圖 復(fù)位電路上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖 （a）所示。這佯，只要電源 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖 （b）所示。而按鍵脈沖復(fù)位則是利用 RC 微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其電路如圖 （c）所示。上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于 6MHz 晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用圖 （a）上電復(fù)位方式。 功率計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路通過(guò)激光器發(fā)出不同頻率的激光信號(hào)，由