【正文】 ..........................................................................................................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。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。1964 年 和 又發(fā)表了多組份玻璃光纖中的光放大結(jié)果。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。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?，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)摻 Yb3 +雙包層光纖激光器的研究起步較晚。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。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 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。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。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。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)。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。由于時(shí)間和能力問(wèn)題功率反饋部分沒(méi)有完成。 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)。（2）對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。（4）通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。（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。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。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。 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 。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)。這就是光纖激光器的基本原理。 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。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。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。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) 光纖激光器的分類光纖激光器種類繁多 ,按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成若干種類，具體分類如表 所示。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。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。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。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。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。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。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。由于時(shí)間和能力問(wèn)題功率反饋部分沒(méi)有完成。 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。 光功率計(jì)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)框圖如圖 所示。 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。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似問(wèn)題。，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。硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖 所示。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 。 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 。 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 。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) 。 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 。單 片 機(jī) 由 芯 片 內(nèi) 僅 有 CPU 的 專 用 處 理 器 發(fā) 展 而 來(lái) 。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)。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)鐘電路如圖 所示。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。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。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。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)。RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。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。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)。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。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)。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。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖 所示。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)位電路如圖 所示。這佯，只要電源