СТАНЦИЯ ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ТЕСТИРОВАНИЯ НАБОРА ЛАЗЕРНЫХ ВОЛОКОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
STATION FOR SIMULTANEOUS TESTING OF LASER FIBER AMPLIFIERS SET

Область техники
Изобретение относится к области автоматизированных систем для длительного испытания узлов лазерных систем.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент США №6160568, опубликованный в 14 августа 2001 года Fiber gain medium marking system pumped or seeded by a modulated laser diode source and method of energy control (Система маркировки с усилением в волокне, накачиваемая или усиливающая задающие импульсы с помощью модулированного лазерного диода и метод управления энергией). В документе описаны системы с усиливающим излучение волокном, имеющем двухслойную оболочку, предназначенные для маркировки знаков на поверхностях изделий. Системы обеспечивают модулированный сигнал на выходе из накачивающего или генерирующего полупроводникового лазерного источника в двухслойную волоконную среду усиления, которая обеспечивает усиленную маркировку.
Из уровня техники известна статья Estimating laser diode lifetimes and activation energy (Оценка времени жизни и энергии возбуждения лазерных диодов), Patrick Gale (Патрик Гейл), ILX Ligthwave, в которой описан метод оценки времени жизни лазерных диодов. Недостатком решения является ограниченность использования и возможность оценки времени жизни относительно простых лазерных систем.
Техническая задача и технический результат
Технической задачей является разработка станции для оценки времени жизни мощного каскада усиления пикосекундного волоконного лазера.
Технический результат совпадает с технической задачей. Создана автоматизированная станция долговременного тестирования лазерных волоконных усилителей, которая позволяет испытывать до 8 усилителей и более единовременно. Данная станция позволяет проводить также тесты с варьированием температуры и тесты по многократному включению-выключению.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается станция для оценки времени жизни тестируемого каскада усиления волоконного лазера, включающая задающий лазер для генерации лазерных импульсов, которые затем последовательно направляются через оптоволокно в первый предусилитель для усиления импульсов из задающего лазера и увеличения соотношения сигнала к шуму, затем в акустооптический модулятор для управления частотой следования импульсов, затем во второй предусилитель для усиления сигнала до уровня входного сигнала одного волоконного усилителя из каскада усиления, затем в третий предусилитель для усиления сигнала до уровня нескольких
волоконных усилителей из каскада усиления, затем в разветвитель для деления сигнала из 3-его предусилителя в равном соотношении и передачи его в тестируемые волоконные усилители, в которых создается инверсная населенность с помощью диодов накачки, которые подключены через электрические контакты к источникам тока, затем излучение поступает на ответвители мощности с фотодиодами, которые служат для ответвления небольшой доли мощности на измерительные фотодиоды, сигнал с которых оцифровывается на АЦП и передается на компьютер с управляющей программой, при этом станция включает управляющую плату, осуществляющую изменение параметров перечисленных устройств и сбор данных, а также блок питания. При этом генерирующий лазер создает импульсы длительностью менее 100 пс. Акустооптический модулятор прореживает импульсы от лазера до значений в интервале от 20 до 500 кГц. Количество одновременно тестируемых оптоволоконных усилителей в каскаде усиления может составлять от 1 до 8 штук. Для соблюдения норм безопасности могут использоваться поглотители лазерного излучения. При реализации решения могут использоваться чиллеры для поддержания температур плит, на которых расположены диоды накачки и волоконные усилители.
Описание чертежей
На фиг. 1 изображена станции для оценки времени жизни мощного каскада усиления пикосекундного волоконного лазера. Введены следующие обозначения:
0 - контрольно-управляющая электроника,
1 - задающий лазер,
2 – первый предусилитель,
3 - акустооптический модулятор,
4 второй предусилитель,
5 третий предусилитель,
6 - блок питания системы,
7 - ответвитель (Star-Coupler),
8 - источники тока для диодов накачки,
9 - диоды накачки,
10 - волоконные усилители,
11 - ответвители мощности с фотодиодами,
12 - поглотители лазерного излучения,
13 - аналогово-цифровой преобразователь,
14 - компьютер (с управляющей программой),
15 - чиллеры (соединены с жидкостными радиаторами, находящимися под плитами).
Детальное описание решения
Тестируемый лазер можно разделить на следующие узлы: контрольная электроника (0), задающий лазер (1), первый предусилитель (2), акустооптический модулятор (3), второй предусилитель (4), блок питания (6), источники тока диодов накачки (8), диоды накачки (9), мощный каскад усиления или коротко - волоконный усилитель (10), ответвитель мощности с фотодиодом (11). Ключевым узлом пикосекундного лазера является волоконный усилитель, основанный на специальном волокне, имеющем высокую степень легирования. Это позволяет достигать в усилителе высоких значений пиковой и средней мощности, при короткой длине волокна. Для данного узла требуются испытания на надежность, поскольку он является наиболее уязвимым из-за сильных нагрузок и требует соблюдения высоких требований качества при производстве, например, производство должно быть организовано в помещениях с высокой степенью чистоты. Можно сделать вывод, что для обеспечения надежности прибора в целом достаточно гарантировать надежность мощного каскада усиления, т.е. волоконных усилителей (10). Соответственно достаточно произвести долговременное тестирование только данного узла. Но как было сказано выше, делать это нужно для большого количества волоконных усилителей одновременно. Так же необходимо имитировать параметры реального прибора, мощность на входе в волоконный усилитель, температурные условия и тому подобное.
Конструкция станции отличается от конструкции лазера наличием третьего предусилителя (5), ответвителя (7), АЦП (13), компьютера с программой (14), чиллера с радиаторами (15).
Станция состоит из следующих ключевых частей: контрольная электроника (0), задающий лазер (1), первый предусилитель 1 (2), акустооптический модулятор (3), второй предусилитель (4), третий предусилитель (5), блок питания (6), ответвитель (7), источники тока диодов накачки (8), диоды накачки (9), волоконные усилители (10), ответвители мощности с фотодиодами (11), АЦП (13), компьютер с программой (14), чиллеры с радиаторами (15).
Поз. 0 - контрольно-управляющая электроника позволяет управлять всевозможными параметрами системы в устройствах 1, 2, 3, 4, 5, 8, а также собирать данные с устройств 1, 2, 4, 5, 8, 11, 13.
Поз. 1 - задающий лазер, который генерирует лазерные импульсы длительность в десятки пикосекунд (до 100 пс) с фиксированной частотой следования импульсов (10 МГц).
Поз. 2. первый предусилитель, необходимый для предварительного усиления импульсов из задающего лазера (устройство 1) с целью увеличения соотношения сигнала к шуму.
Поз. 3 акустооптический модулятор для управления частотой следования импульсов (прореживание до 20-500 кГц).
Поз. 4 второй предусилитель для усиления сигнала до уровня входного сигнала одного тестируемого волоконного усилителя.
Поз. 5 третий предусилитель для усиления сигнала до уровня работы нескольких волоконных усилителей (от 1 до 8 в текущей конфигурации).
Поз. 6 - блок питания системы для питания электричеством устройств 0, 1, 2, 3, 4, 5, 8, 11, 13.
Поз. 7- ответвитель (Star-Coupler) для деления сигнала из 3-его предусилителя в равном соотношении для волоконных усилителей (устройств 10). Ответвитель представляет из себя пассивный волоконный элемент для разделения излучения из предусилителя по всем волоконным усилителям, что позволяет избежать необходимости создавать задающий лазер и предусилители для каждого волоконного усилителя. Это также позволяет создать одинаковые условия для всех волоконных усилителей.
Поз. 8 - источники тока для диодов накачки для питания и управления диодами накачки (устройства 9). Станция позволяет варьировать количество данных устройств в большом диапазоне.
Поз. 9 - диоды накачки для накачки (создания инверсии) среды волоконного усилителя (устройств 10).
Поз. 10 - тестируемые волоконные усилители образующие мощный каскад усиления. Именно для них необходимо создать условия идентичные условиям в самих лазерах.
Поз. 11 - ответвители мощности с фотодиодами, которые служат для ответвления небольшой доли мощности на измерительные фотодиоды, сигнал с которых оцифровывается на АЦП (устройство 13) и передается на компьютер с управляющей программой (устройство 14).
Поз. 12 - поглотители лазерного излучения для поглощения пролетающей через устройство 11 мощности.
Поз. 13 - аналогово-цифровой преобразователь для оцифровки сигналов с устройств 11. АЦП позволяет оцифровать сигнал с фотодиодов и передать его на контрольную электронику в виде массива данных. Контрольная электроника в свою очередь собирает данные и управляет всеми электронными узлами, кроме чиллеров.
Поз. 14 компьютер для автоматизации управления, отключения, сбора и сохранения данных с устройства 0, а также для управления чиллерами (устройства 15).
Поз. 15 чиллеры для поддержания температур плит, на которых расположены диоды накачки (устройства 9) и волоконные усилители (устройства 10). Чиллеры позволяют поддерживать или же варьировать температуру диодов накачки и волоконных усилителей в зависимости от производимого теста. От температуры диодов накачки и самих волоконных усилителей зависит эффективность накачки, то есть кпд усилителя.
Соответственно можно подобрать оптимальную температуру для лазера. Чиллеры подключены непосредственно к компьютеру.
Особое внимание стоит уделить архитектуре электроники. Данная электроника (0, 4, 5, 8) идентична таковой в лазере и устроена таким образом, что позволяет без ограничений увеличивать количество тестируемых волоконных усилителей. Это достигается за счет того, что каждый узел (4, 5, 8) имеет свою логическую схему управления. То есть на самом узле происходит оцифровка, предварительная обработка данных и управление. Соответственно это позволяет реализовать общение с контрольной платой (0) по единой для всех узлов шине данных. Контрольная электроника управляет логикой станции по аналогии с лазером, то есть включает, выключает, выставляет и собирает значения всевозможных параметров.
Но для запуска различных тестов необходимо внешнее управления. Его осуществляет софт (14), который позволяет: в автоматическом режиме собирать данные и задавать температуру для чиллеров, принимать массив данных с контрольной электроники (0), задавать калибровочные коэффициенты между этими данными и реальным значениями напряжений, токов и мощностей, автоматически включать станцию с предварительно заданными параметрами, автоматически выключать отдельный волоконный усилитель при падении мощности ниже определенного уровня, а так же фиксировать какие именно проблемы возникли. Так же программа способна производить тестирования в режиме частого включения-выключения, а также осуществлять температурный тест. То есть температура всей системы может варьироваться в диапазоне 18-40 градусов по Цельсию на протяжении длительного времени. Помимо всего, софт позволяет абсолютно автоматически собирать откалиброванные данные в едином удобном формате, генерируя на выходе файл со всеми значениями для каждого волоконного усилителя и собирая данные файлы в единой базе данных.
Станция позволяет тестировать одновременно каскад основных и уникальных узлов лазера. При этом не требуется полная сборка отдельных приборов, что позволяет значительно снизить время тестирования и ресурсную базу.