阅读说明：本技术 一种激光波长与功率监测装置及方法 (Laser wavelength and power monitoring device and method ) 是由 湛欢 李震 辛志文 汤磊 刘梅 汪树兵 王亦军 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光波长与功率监测装置及方法,所述装置包括第一光电探测器、第二光电探测器、分束器、环形器、线性光纤光栅、模数转换器以及微处理器；分束器分别与外部激光输入源、第一光电探测器以及环形器的第一端口连接,环形器的第二端口与线性光纤光栅连接,环形器的第三端口与第二光电探测器连接,模数转换器分别与第一光电探测器、第二光电探测仪及微处理器电连接。本发明的优点是：可同时实现对激光功率和波长的监测,且结构简单,均采用光纤型器件,便于集成,体积小巧,使用方便。(The invention discloses a laser wavelength and power monitoring device and a method, wherein the device comprises a first photoelectric detector, a second photoelectric detector, a beam splitter, a circulator, a linear fiber grating, an analog-to-digital converter and a microprocessor; the beam splitter is respectively connected with an external laser input source, the first photoelectric detector and the first port of the circulator, the second port of the circulator is connected with the linear fiber bragg grating, the third port of the circulator is connected with the second photoelectric detector, and the analog-to-digital converter is respectively electrically connected with the first photoelectric detector, the second photoelectric detector and the microprocessor. The invention has the advantages that: the monitoring to laser power and wavelength can be realized simultaneously, and simple structure all adopts optical fiber type device, the integration of being convenient for, small in size, convenient to use.)

一种激光波长与功率监测装置及方法

技术领域

本发明涉及激光监测领域，具体涉及一种激光波长与功率监测装置及方法。

背景技术

波长及功率是激光的两个重要参数，可有效反映激光器的工作状态，在激光光谱合成、气体探测、光传感等应用中均有重要影响。当前，对激光波长的测量方法有光谱分析仪、波长计、FP标准具等。其中光谱分析仪最为常用，光谱分析仪光谱测量范围大、测量精度高，但通常体积大、价格昂贵，并不适合集成到激光系统中。波长计可实现较大范围的高精度波长测量，但同样存在价格贵、体积偏大的缺点。FP标准具可以实现波长的高精度分辨，通过调谐可以实现不同透射波长的选择，但可调谐的FP标准具造价较高，且难以同时实现对激光功率的监测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种激光波长与功率监测装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种激光波长与功率监测装置，包括第一光电探测器、第二光电探测器、分束器、环形器、线性光纤光栅、模数转换器及微处理器；

所述分束器包括一个输入臂及两个输出臂，且输入臂与外部激光源连接，其中一个输出臂与第一光电探测器连接，另一个输出臂与环形器连接；

所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述环形器的第一端口与所述分束器的一个输出臂连接，第二端口与线性光纤光栅连接，第三端口与第二光电探测器连接；

所述模数转换器的输入端分别与第一光电探测器及第二光电探测器电连接，输出端与微处理器电连接；

分束器用于将由激光源输出的激光分为两束，并将其中一束传输到第一光电探测器中，另一束传输到环形器中、并经线性光纤光栅反射后到达第二光电探测器；

第一光电探测器与第二光电探测器用于将接收到的光信号转换为模拟电信号，然后经模数转换器转换为数字电信号后传递给微处理器。

在一些实施例中，所述分束器的分束比在30:70至50:50之间。

在一些实施例中，所述分束器的分束比为30:70，且其中分束比较小的输出臂与所述第一光电探测器连接，分束比较大的输出臂与所述环形器的第一端口连接。

在一些实施例中，所述第一光电探测器与第二光电探测器均为PIN光电二极管。

在一些实施例中，所述微处理器为STM32F103ZET6微处理器芯片。

一种激光波长与功率监测方法，是基于上述激光波长与功率监测装置的，其包括如下步骤：

步骤1、利用分束器将由激光源输入的激光分为两束，即第一激光束和第二激光束，将其中的第一激光束传输到第一光电探测器，将其中的第二激光束传输到环形器的第一端口，然后由环形器的第二端口输出至线性光纤光栅，经过线性光纤光栅反射后再传回环形器的第二端口，最后再由环形器第三端口输出到第二光电探测器；

步骤2、利用第一光电探测器将输入的第一激光束的光信号转换为模拟电信号并输出至模数转换器，利用第二光电探测器将输入的第二激光束的光信号转换为模拟电信号并输出至模数转换器；

步骤3、利用模数转换器分别将第一光电探测器和第二光电探测器输出的模拟电信号转换为数字电信号，并传递给微处理器；

步骤4、利用微处理器对模数转换器输出的数字电信号进行分析处理，并从第一光电探测器输出的电信号中得到与第一激光束对应的探测值AD1，从第二光电探测器输出的电信号中得到与第二激光束对应的探测值AD2；

步骤5、根据探测值AD1与激光功率之间的线性关系，得到原输入激光的功率P；

步骤6、根据探测值AD2与AD1的比值与第二激光束在线性光纤光栅处的反射率R之间的线性关系，以及反射率R与激光波长之间的线性关系，得到原输入激光的波长λ。

在一些实施例中，步骤5中，原输入激光的功率P具体是通过如下计算公式求得的：

P＝K1*AD1 (Ⅰ)；

式中：K1表示第一斜率参数，为一常数；

步骤6中，原输入激光的波长λ具体是通过如下计算公式求得的：

λ＝K2*AD2/AD1+M (Ⅱ)；

式中：K2表示第二斜率参数，M表示截距参数，且K2、M均为常数。

在一些实施例中，步骤5中的原输入激光的功率P和步骤6中的原输入激光的波长λ具体是通过线性插值的方法得到的。

与现有技术相比，本发明的优点是：本发明提供的激光波长与功率监测装置及方法，采用分束器将注入的激光分为两束，其中一束直接用于实现激光功率监测，另外一束经过具有线性反射率的线性光纤光栅反射，其光功率值与激光波长相关，对这两束光进行探测，将两个探测值进行比较，可有效避免激光功率波动带来的影响，保证对一定范围内的激光波长的准确判断；因此，本发明可同时实现对激光功率和波长的监测，且结构简单，均采用光纤型器件，便于集成，体积小巧，使用方便。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明提供的激光波长与功率监测装置的示意图；

图2为本发明实施例中的线性光纤光栅的反射率示意图；

附图标记说明：

1、第一光电探测器；2、第二光电探测器；3、分束器；4、环形器；5、线性光纤光栅；6、模数转换器；7、微处理器；8、激光源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

参照图1，本发明提供了一种激光波长与功率监测装置，包括第一光电探测器1、第二光电探测器2、分束器3、环形器4、线性光纤光栅5、模数转换器6及微处理器7。

分束器3包括一个输入臂及两个输出臂，且输入臂与外部激光源8连接，其中一个输出臂与第一光电探测器1连接，另一个输出臂与环形器4连接。

环形器4包括第一端口41、第二端口42和第三端口43，环形器4的第一端口41与分束器3的一个输出臂连接，第二端口42与线性光纤光栅5连接，第三端口43与第二光电探测器2连接；使用时，由第一端口41输入环形器4的激光会先由第二端口42输出并传递到线性光纤光栅5中，会经线性光纤光栅5反射后，会再由回传至第二端口42，最后会由第三端口43输出至第二光电探测器2；

模数转换器6的输入端分别与第一光电探测器1及第二光电探测器2电连接，输出端与微处理器7电连接。

分束器3用于将由激光源8输出的激光分为两束，并将其中一束传输到第一光电探测器1中，另一束传输到环形器4中、并经线性光纤光栅5反射后到达第二光电探测器2；

第一光电探测器1与第二光电探测器2用于将接收到的光信号转换为模拟电信号，然后经模数转换器6转换为数字电信号后传递给微处理器7；

线性光纤光栅5用于反射激光，且激光的反射率与激光波长在一定范围内呈线性关系。

可以理解的是，激光源8、分束器4、环形器3、线性光纤光栅5、第一光电探测器1与第二光电探测器2之间的光路连接(即图1中的虚线部分)均可通过光纤来实现。

进一步地，如图2所示，图中横坐标为激光波长，单位nm，纵坐标为激光的反射率。在图2所示实施例中，线性光纤光栅5中心波长约为1063nm，反射带宽约为3nm，反射率变化从10％-90％；即在1063nm附近的3nm带宽内，激光的反射率与激光波长呈线性关系，且反射率在线性区从最低的10％变到最高的90％。可见，线性光纤光栅5的精度很高，能够满足一定范围内的激光波长的准确监测；若要监测的激光波长不在线性光纤光栅5的线性范围内，更换不同的线性光纤光栅5即可。线性光纤光栅5可采用温度补偿封装结构，对温度变化不敏感。

优选地，分束器3的分束比在30:70至50:50之间。

更优选地，分束器3的分束比为30:70，且其中分束比较小的输出端连接到第一光电探测器1，分束比较大的输出端连接到环形器4的第一端口41。通过这样的设置，能够使得激光波长与功率的监测更加精确。

进一步地，第一光电探测器1与第二光电探测器2均可采用PIN光电二极管；模数转换器6支持双通道信号输入，以实现两路模拟信号到数字信号的转换；微处理器7可采用STM32F103ZET6微处理器芯片。

本发明还提供了一种激光波长与功率监测方法，是基于上述的激光波长与功率监测装置来实现的，且该方法具体包括如下步骤：

步骤1、利用分束器3将由激光源8输入的激光分为两束，即第一激光束和第二激光束，将其中的第一激光束传输到第一光电探测器1，将其中的第二激光束传输到环形器4的第一端口41，然后由环形器4的第二端口42输出至线性光纤光栅5，经过线性光纤光栅5反射后再传回环形器4的第二端口42，最后再由环形器4第三端口43输出到第二光电探测器2。

步骤2、利用第一光电探测器1将输入的第一激光束的光信号转换为模拟电信号并输出至模数转换器6，利用第二光电探测器2将输入的第二激光束的光信号转换为模拟电信号并输出至模数转换器6。

步骤3、利用模数转换器6分别将第一光电探测器1和第二光电探测器2输出的模拟电信号转换为数字电信号，并传递给微处理器7。

步骤4、利用微处理器7对模数转换器6输出的数字电信号进行分析处理，并从第一光电探测器1输出的电信号中得到与第一激光束对应的探测值AD1，从第二光电探测器2输出的电信号中得到与第二激光束对应的探测值AD2。

步骤5、根据探测值AD1与激光功率之间的线性关系，得到原输入激光的功率P。

步骤6、根据探测值AD2与AD1的比值与第二激光束在线性光纤光栅5处的反射率R之间的线性关系，以及反射率R与激光波长之间的线性关系，得到原输入激光的波长λ。

当然，输入激光的波长λ需要在线性光纤光栅5的线性范围内，若得到的结果不在该范围内，说明需要更换线性光纤光栅5；一般来说，激光器产生的激光的波长波动不会特别大，故本发明能够满足大部分情况下的波长精确监测。

进一步地，步骤5中，原输入激光的功率P具体是通过如下计算公式求得的：

P＝K1*AD1 (Ⅰ)；

式中：K1表示第一斜率参数，为一常数。

步骤6中，原输入激光的波长λ具体是通过如下计算公式求得的：

λ＝K2*AD2/AD1+M (Ⅱ)；

式中：K2表示第二斜率参数，M表示截距参数，且K2、M均为常数。

各常数的值可通过试验求得，具体地，只需将功率已知的激光经过本装置的处理，得到AD1的值，带回公式(Ⅰ)即可解得K1的值；另外，将两组波长已知且不同，且波长均位于线性光纤光栅5的线性范围内的激光分别经过本装置的处理，得到两组AD1、AD2的值，带回公式(Ⅱ)即可解得K2与M的值。

上述公式(Ⅰ)和(Ⅱ)的推导过程具体如下：

令分束器3分得的第一激光束与第二激光束的分束比为a:b(如30∶70)；电信号的探测值与对应的激光功率值之间显然不仅呈线性关系，还呈正比例关系，若激光功率为0，则不会被探测到，探测值也为0，因此第一激光束的功率可表示为P1＝AD1*k1，k1为光电转换参数，为一常数；并且，因分束器3的存在，有P1＝P*(1-ks1)*a/(a+b)，得到P＝AD1*(k1/(1-ks1))*(a+b)/a，ks1为分束器在对应分束臂引入的固有损耗；而k1、ks1、a、b均为常数，因此上式可直接表示为P＝K1*AD1。

同理，在经过线性光纤光栅5的反射前，第二激光束的功率P2＝P*(1-ks2)*b/(a+b)，ks2为分束器在对应分束臂引入的固有损耗，反射后，第二激光束到达光电探测器的功率P2’＝AD2*k1，则激光的反射率R＝P2’/P2＝(a*AD2)/(b*AD1)*((1-ks1)/(1-ks2))，即激光的反射率R与AD2/AD1呈线性关系；又因为线性光纤光栅5的性质(如图2所示)，反射率R与波长λ之间在一定范围内也呈线性关系，则反射率R可表示为R＝k2*λ+c，k2与c均为常数；可得λ＝[(a*AD2)/(b*AD1)*((1-ks1)/(1-ks2))-c]/k2；而k2、ks1、ks2、a、b、c均为常数，因此上式可直接表示为λ＝K2*AD2/AD1+M。

此外，步骤5和步骤6中，原输入激光的功率P和原输入激光的波长λ也可不根据上述公式计算，而是根据线性关系，直接通过线性插值的方法得到。具体地，在微处理器7内预先存入多组对应的数组，为了得到功率P，可直接建立AD1与功率P的数组；为了得到波长λ，可建立AD2/AD1与波长λ的数组；工作时，根据实测的AD1、AD2值与各数组的对应关系，通过线性插值法直接给出功率P与波长λ的值；只要预存的数组足够多，通过该方法得到的功率P与波长λ的值也能够做到足够精确。

综上，本发明提供的激光波长与功率监测装置及方法，采用分束器将注入的激光分为两束，其中一束直接用于实现激光功率监测，另外一束经过具有线性反射率的线性光纤光栅反射，其光功率值与激光波长相关，对这两束光进行探测，将两个探测值进行比较，可有效避免激光功率波动带来的影响，保证对一定范围内的激光波长的准确判断；因此，本发明可同时实现对激光功率和波长的监测，且结构简单，均采用光纤型器件，便于集成，体积小巧，使用方便。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。