一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器

1.本发明涉及微波和激光器技术领域，特别是涉及一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器。


背景技术：

2.灵巧波形高能脉冲簇光纤激光器采用主振荡功率放大设计，由灵巧波形脉冲簇光纤激光种子经多级功率放大提升脉冲能量，具有高增益、高功率、高光束质量、高操作灵活性等特点。但值得注意的是，功率放大过程中为提取高脉冲能量，脉冲时间尺度上激发态粒子大量消耗将产生增益饱和效应，致使波形产生前沿增益高于后沿的显著畸变，严重影响灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出效果。因此，如何有效解决功率放大过程中的波形畸变问题是实现灵巧波形高能脉冲簇光纤激光器的关键。
3.目前在脉冲簇光纤激光包络整形实验中，通常采用基于系统传递函数测算与迭代分析相结合的解析方案以实现多种脉冲包络形状。然而，在高能脉冲簇光纤激光包络整形实验中，多级功率放大累积的增益饱和效应影响更为复杂，难以基于系统传递函数测算的相关解析方案准确求解。现有优化算法在脉冲整形应用过程中，其处理机制存在两处短板：其一是采用整体修正策略，即以整体波形改善为依据更新数据组。这将导致普遍的不利情况，当劣化数据与优化数据的综合影响表现为整体波形改善时，更新数据组中将掺杂局部劣化数据。其二是固化的数据搜索模式难以适应变化的系统状态。这导致现有优化算法即使解决简单的波形畸变也至少需要数千次的迭代优化。
4.此外，目前关于高能脉冲簇光纤激光包络整形研究主要报道了矩形包络整形的相关成果，而高频子脉冲整形设计也通常局限于类高斯脉冲或近似正弦波形的单波形、单重频输出。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器，可以显著提升灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的时域整形效果。
6.其具体方案如下：
7.一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器，包括：
8.脉冲激光产生模块，用于产生初始的脉冲激光；
9.灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块，用于根据任意时域波形强度调制信号对所述脉冲激光进行时域波形强度调制，输出灵巧波形脉冲簇光纤激光种子；
10.多级功率放大模块，用于将所述灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的脉冲输出峰值功率提升至百kw量级，输出灵巧波形高能脉冲簇光纤激光；
11.激光信号检测模块，用于实时获取所述灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出功率和波形数据；
12.算法处理模块，与所述激光信号检测模块和所述灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调
制模块连接，用于根据所述激光信号检测模块获取的数据，采用自适应扰动矢量算法更新所述时域波形强度调制信号，以使所述灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出波形趋向目标波形；所述自适应扰动矢量算法为采用点对点自适应修正机制进行迭代优化，直至输出达到预期方差。
13.优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述时域波形强度调制信号为所述灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的时域强度分布与自适应扰动矢量因子之和；所述自适应扰动矢量因子用于控制采样点扰动矢量的方向，以及根据采样点偏差程度大小调整扰动矢量幅值修正的步进大小。
14.优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述自适应扰动矢量因子采用下述公式进行计算：
15.v(t)＝va(t)vb(t)
[0016]va
(t)＝sign[dev(t)]
[0017]vb
(t)＝rand(0，s)|dev(t)|/p
tar
(t)
[0018]
dev(t)＝p
tar
(t)-p
out
(t)
[0019]
其中，v(t)表示所述自适应扰动矢量因子，va(t)表示扰动矢量的方向变量，vb(t)表示扰动矢量的幅值变量，t为时间采样变量，sign[]为符号函数；s为匹配调制器件工作范围的常数，rand(0，s)为0～s间的随机扰动，p
tar
(t)为目标波形，p
out
(t)为所述灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的时域强度分布。
[0020]
优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述脉冲激光产生模块包括半导体激光器及其驱动电路。
[0021]
优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块包括单个电光调制器及其驱动电路，以及所述任意信号发生器；
[0022]
所述半导体激光器的光纤输出端熔接至所述电光调制器的光纤输入端；
[0023]
所述任意信号发生器利用同轴信号线连接至所述电光调制器的控制端。
[0024]
优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述多级功率放大模块包括多级增益光纤、多级泵浦源以及多个光纤隔离器和泵浦-信号合束器；
[0025]
所述电光调制器的光纤输出端熔接至所述光纤隔离器的输入端；
[0026]
所述光纤隔离器的输出端熔接至所述泵浦-信号合束器的信号端；
[0027]
所述泵浦源熔接至所述泵浦-信号合束器的泵浦端；
[0028]
所述泵浦-信号合束器的输出端熔接至所述增益光纤。
[0029]
优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述激光信号检测模块包括功率计、探测器及示波器；
[0030]
所述多级功率放大模块的输出端切设定角度的斜角经空间耦合至所述功率计；
[0031]
所述多级功率放大模块的输出经所述功率计的表面反射，空间耦合至所述探测器的信号端；
[0032]
所述探测器的输出端通过同轴信号线连接至所述示波器。
[0033]
优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述算法处理模块包括具有自适应扰动矢量算法程序的电脑端和多机通信组件；
[0034]
所述功率计和所述示波器通过串口线连接所述电脑端；
[0035]
所述电脑端通过串口线连接所述任意信号发生器。
[0036]
优选地，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，所述算法处理模块，具体用于根据所述激光信号检测模块获取的数据，计算所述灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的时域强度分布，同时采用所述自适应扰动矢量算法更新所述任意信号发生器设计的所述时域波形强度调制信号，优化所述灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的预补偿波形，以使所述灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出波形快速趋向目标波形。
[0037]
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器，包括：脉冲激光产生模块，用于产生初始的脉冲激光；灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块，用于根据任意时域波形强度调制信号对脉冲激光进行时域波形强度调制，输出灵巧波形脉冲簇光纤激光种子；多级功率放大模块，用于将灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的脉冲输出峰值功率提升至百kw量级，输出灵巧波形高能脉冲簇光纤激光；激光信号检测模块，用于实时获取灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出功率和波形数据；算法处理模块，与激光信号检测模块和灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块连接，用于根据所述激光信号检测模块获取的数据，采用自适应扰动矢量算法更新时域波形强度调制信号，以使灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出波形趋向目标波形；自适应扰动矢量算法为采用点对点自适应修正机制进行迭代优化，直至输出达到预期方差。
[0038]
本发明提供的上述光纤激光器，通过上述五个模块的相互作用，采用基于闭环反馈方案的自适应扰动矢量算法可以显著提升高能脉冲的时域整形精度和效率，以抵消增益饱和效应影响，高效实现任意目标灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出，以用于产生灵巧波形高功率微波。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明实施例提供的光纤激光器的结构示意图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的自适应扰动矢量算法原理示意图；
[0042]
图3为本发明实施例提供的光纤激光器的原理示意图；
[0043]
图4为本发明实施例提供的目标灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的示意图；
[0044]
图5为本发明实施例提供的方差评价演化过程；
[0045]
图6为本发明实施例提供的灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的示意图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
[0047]
本发明提供一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器，如图1所示，包括：
[0048]
脉冲激光产生模块1，用于产生初始的脉冲激光；
[0049]
灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块2，用于根据任意时域波形强度调制信号对脉冲激光进行时域波形强度调制，输出灵巧波形脉冲簇光纤激光种子；
[0050]
多级功率放大模块3，用于将灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的脉冲输出峰值功率提升至百kw量级，输出灵巧波形高能脉冲簇光纤激光；
[0051]
激光信号检测模块4，用于实时获取灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出功率和波形数据；
[0052]
算法处理模块5，与激光信号检测模块4和灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块2连接，用于根据所述激光信号检测模块获取的数据，采用自适应扰动矢量算法更新时域波形强度调制信号，以使灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出波形趋向目标波形；自适应扰动矢量算法为采用点对点自适应修正机制进行迭代优化，直至输出达到预期方差。
[0053]
需要说明的是，灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块2、多级功率放大模块3、激光信号检测模块4和算法处理模块5，构成了完整的闭环反馈。
[0054]
在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，通过上述五个模块的相互作用，采用基于闭环反馈方案的自适应扰动矢量算法可以显著提升高能脉冲的时域整形精度和效率，以抵消增益饱和效应影响，高效实现任意目标灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出，以用于产生灵巧波形高功率微波。
[0055]
需要了解的是，高功率微波能量通常以前门耦合和后门耦合两种形式作用于目标；前门耦合是指经目标上的天线、传输线等媒质线性耦合，以破坏前端电子设备；后门耦合是指经目标上的缝隙或孔洞耦合，以破环电子信息系统内部电路和微电子器件。相较而言，后门耦合方式难以防护且破坏性大，成为高功率微波武器主要的攻击方向。
[0056]
灵巧波形是指频率、幅值、波形等参数可灵活调谐变换的时域波形。灵巧波形高功率微波武器能够根据后门耦合应用需求优化时域波形参数，将微波能量最大限度耦合进目标设备，有效降低电子信息系统元件的电磁敏感阈值，进而显著提升后门耦合的攻击效能。
[0057]
基于微波光子学原理，灵巧波形高功率微波有望通过灵巧波形高能脉冲簇光纤激光器激励光导器件来产生。因此，本发明实施例提供的上述光纤激光器可以用作光导器件激励源，是产生灵巧波形高功率微波的核心环节，其时域表现为由频率、幅值、波形等参数可灵活调谐的特定数量高频子脉冲所构成的低重频主脉冲包络。光导器件可以采用宽带隙光导半导体材料，能够在线性响应区将入射的灵巧波形高能脉冲簇光纤激光激励信号快速转换为同波形、同频率的振荡电流信号，再驱动辐射组件可产生同波形、同频率的灵巧波形高功率微波输出。
[0058]
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，时域波形强度调制信号可以为灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的时域强度分布与自适应扰动矢量因子之和；自适应扰动矢量因子用于控制采样点扰动矢量的方向，以及根据采样点偏差程度大小调整扰动矢量幅值修正的步进大小。
[0059]
图2示出了自适应扰动矢量算法原理示意图。设灵巧波形脉冲簇光纤激光种子时域强度分布为p
int
(t)，经多级功率放大后灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出时域强度分布为p
out
(t)，目标值为p
tar
(t)，其中t为时间采样变量，可计算出系统输出与目标值各点偏差为dev(t)＝p
tar
(t)-p
out
(t)和方差评价为
[0060]
自适应扰动矢量算法是采用点对点自适应修正机制p
int
(t) v(t)迭代优化灵巧波形脉冲簇光纤激光种子，直至系统输出达到预期方差容差。v(t)＝va(t)vb(t)为自适应扰动矢量因子，其中，va(t)和vb(t)分别表示扰动矢量的方向、幅值变量。va(t)＝sign[dev(t)]，sign[]为符号函数。va(t)的作用是控制采样点扰动矢量的方向为正/负以提升/降低系统输入各点幅值，使系统输出波形趋向目标输出值。va(t)的设计确保所有数据点都得到优化修正。vb(t)＝rand(0，s)|dev(t)|/p
tar
(t)同偏差幅值呈正相关，s为匹配调制器件工作范围的常数，rand(0，s)为0～s间的随机扰动。vb(t)的作用是根据采样点偏差程度的大小调整扰动矢量幅值修正的步进大小。当采样点偏差程度较大时，vb(t)大步进扰动有利于迅速缩小差距，当采样点偏离程度较小时，vb(t)小步进扰动有利于提高精度。vb(t)的设计体现出完善的自适应调节机制，提升波形预补偿效率。因此，自适应扰动矢量算法理论上可快速实现任意精度、任意时域脉冲波形调控。
[0061]
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，脉冲激光产生模块1可以包括由光纤输出的半导体激光器及其驱动电路，其作用是产生脉冲激光作为系统初始输入。
[0062]
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，如图3所示，灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块2可以包括单个电光调制器及其驱动电路，以及任意信号发生器。半导体激光器的光纤输出端熔接至电光调制器的光纤输入端。任意信号发生器利用同轴信号线连接至电光调制器控制端。灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块2的作用是利用任意信号发生器设计任意时域强度预补偿调制信号，实现灵巧波形脉冲簇光纤激光种子输出。
[0063]
需要说明的是，采用单个电光调制器进行时域波形强度调制，能够简化光路，降低系统成本和能量损耗，提升系统稳定性。
[0064]
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，多级功率放大模块3可以包括多级增益光纤、多级泵浦源以及多个光纤隔离器和泵浦-信号合束器等。电光调制器的光纤输出端熔接至光纤隔离器的输入端，光纤隔离器的输出端熔接至泵浦-信号合束器的信号端，泵浦源熔接至泵浦-信号合束器的泵浦端；泵浦-信号合束器的输出端熔接至增益光纤，可按照该方法进行多级串联。多级功率放大模块3的作用是显著提升激光脉冲输出峰值功率至百kw量级。
[0065]
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，激光信号检测模块4可以包括功率计、探测器及示波器。多级功率放大模块的输出端切设定角度(如8
°
)的斜角经空间耦合至功率计；多级功率放大模块的输出经功率计的表面反射，空间耦合至探测器的信号端；探测器的输出端通过同轴信号线连接至示波器。激光信号检测模块4的作用是实时获取灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出功率和波形数据。
[0066]
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，算法处理模块5可以包括具有自适应扰动矢量算法程序的电脑端和多机通信组件；功率计和示波器通过串口线连接电脑端；电脑端通过串口线连接任意信号发生器。
[0067]
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光纤激光器中，算法处理模块5，具体用于根据激光信号检测模块4获取的数据，计算灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的时域强度分布p
out
(t)，同时采用自适应扰动矢量算法更新任意信号发生器设计的时域波形强度调制
信号p
int
(t) v(t)，优化灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的预补偿波形，以使灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出波形快速趋向目标波形p
tar
(t)。
[0068]
下面以一个具体实例对本发明实施例提供的上述光纤激光器的输出结果进行说明：
[0069]
以图4示出的复杂信号作为目标灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出，其具有多频率、多幅值、多脉宽、多波形组合等特征。主脉冲波形包络表现为幅值比6：5：4：3：2、脉宽持续时间各10ns的五级阶梯形状。高重频子脉冲表现为自定义的多频、多波形组合。其中，一级阶梯子脉冲为频率0-3ghz线性调频信号，二级阶梯子脉冲为频率1.5ghz正弦波形，三级阶梯子脉冲为频率1ghz三角波形，四级阶梯子脉冲为频率1ghz矩形波形，五级阶梯子脉冲为频率0.5ghz指数上升波形。
[0070]
具体实例中可以采用中心工作波长1064nm、脉冲宽度50ns、重复频率100hz、矩形脉冲激光作为系统初始输入，获得系统初始输出参数p
int
(t)、p
out
(t)和var。基于闭环反馈方案的自适应扰动矢量算法优化时域波形强度调制信号p
int
(t) v(t)。灵巧波形脉冲簇光纤激光种子经多级功率放大提升脉冲能量。灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出同目标值的方差评价var演化过程如图5所示，理论结果表明，在约480次优化迭代后，整体波形幅值与图4目标值偏差小于1％，对应的灵巧波形脉冲簇光纤激光种子结果如图6所示。
[0071]
需要指出的是，本发明基于闭环反馈方案的自适应扰动矢量算法在整形精度、效率等方面优势显著，可高效实现任意目标灵巧波形高能脉冲簇光纤激光时域整形，可基于光导器件进一步产生灵巧波形高功率微波。在产生灵巧波形高功率微波应用中，可根据需要快速转换灵巧波形参数。
[0072]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
[0073]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0074]
综上，本发明实施例提供的一种用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器，包括：脉冲激光产生模块，用于产生初始的脉冲激光；灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块，用于根据任意时域波形强度调制信号对脉冲激光进行时域波形强度调制，输出灵巧波形脉冲簇光纤激光种子；多级功率放大模块，用于将灵巧波形脉冲簇光纤激光种子的脉冲输出峰值功率提升至百kw量级，输出灵巧波形高能脉冲簇光纤激光；激光信号检测模块，用于实时获取灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出功率和波形数据；算法处理模块，与激光信号检测模块和灵巧波形脉冲簇光纤激光种子调制模块连接，用于根据所述激光信号检测模块获取的数据，采用自适应扰动矢量算法更新时域波形强度调制信号，以使灵巧波形高能脉冲簇光纤激光的输出波形趋向目标波形。上述光纤激光器通过上述五个模块的相互作用，采用基于闭环反馈方案的自适应扰动矢量算法可以显著提升高能脉冲的时域整形精度和效率，以抵消增益饱和效应影响，高效实现任意目标灵巧波形高能脉冲簇光纤激光输出，
以用于产生灵巧波形高功率微波。
[0075]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0076]
以上对本发明所提供的用于产生灵巧波形高功率微波的光纤激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。