一种分级控制的温控盒、控制方法及飞秒频率梳与流程

本发明涉及飞秒频率梳光源领域，特别是一种分级控制的温控盒、控制方法及飞秒频率梳。

背景技术

飞秒频率梳属于飞秒激光器的一个十分重要的分支。飞秒频率梳与传统飞秒激光器研究重点有所不同。传统飞秒激光器研究的重点在于能够产生超短超强的激光，希望能够在最小的面积内产生尽可能高的功率，现在已被广泛的应用于加工领域。飞秒频率梳的研究重点是利用激光在频域内呈现的梳齿状特性，不再追求其时域内的窄脉宽和高功率，它研究的核心在于对超短激光的频率和相位进行精确控制，主要应用于光谱学、天文学、测量控制技术、信息传输技术等领域。飞秒频现已成为众多学者关注的对象。飞秒频率梳以其高精度、高稳定性、光谱范围宽的特点在光钟、超稳微波产生、大尺度空间距离高精度测量、高精度时间频率传递、天文测量、太赫兹信号产生和控制等领域均拥有十分广阔的应用前景。随着飞秒频率梳的研究与逐渐应用，各个应用领域对飞秒频率梳的精度和其稳定性有了更高的要求。

光纤激光器热膨胀系数高，外界温度变化和振动都会导致光纤激光器中谐振腔的腔长发生漂移和抖动，要获得稳定时间间隔的飞秒激光脉冲，需要对温度变化和机械振动引起的腔长变化进行补偿，稳定谐振腔的腔长。为了使谐振腔处于稳定的环境中，传统的做法是将谐振腔放置于保温箱内。保温箱的作用是提供恒定温度，保证光纤在恒温环境中工作，从而使光纤长度保持稳定，进而获得稳定的重复频率。但恒温箱温度响应时间长，控制精确度低，抗干扰能力相对较弱。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分级控制的温控盒、控制方法及飞秒频率梳，通过不同级别的温度控制方式来实现高精度、高速度、大范围的温度控制，从而提高光纤的抗干扰能力。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

第一方面，发明实施例提供了一种分级控制的温控盒，包括用于盘绕光纤的光纤盘和用于装载光纤盘的恒温盒，恒温盒设置有第二级温控回路，光纤盘设置有第一级温控回路，第二级温控回路包括设置于恒温盒内的第二测温单元和对恒温盒内的温度进行调节的第二调温单元，第一级温控回路包括设置于光纤盘内的第一测温单元和对光纤盘内的温度进行调节的第一调温单元。

进一步，光纤盘包括相互配合安装的光纤盘底盘和光纤盘上盖，光纤盘底盘之中设置有便于盘绕光纤的凸起。

进一步，第一调温单元包括第一半导体制冷器，第一半导体制冷器设置于光纤盘的外侧面。

进一步，第一调温单元还包括用于防止第一半导体制冷器发生移位或因压力过大而导致损坏的第一隔垫和用于加快热量传导的散热片，第一隔垫贴合设置于光纤盘底盘的外侧底面，第一隔垫、第一半导体制冷器和散热片依次层叠设置。

进一步，第二调温单元包括第二半导体制冷器，第二半导体制冷器设置于恒温盒的外侧面。

进一步，第二调温单元还包括用于防止因为撞击而导致第二半导体制冷器发生损坏的第二隔垫和用于加快热量传导的压板，第二隔垫贴合设置于恒温盒的外侧面，第二隔垫、第二半导体制冷器和压板依次层叠设置。

进一步，还包括用于安装恒温盒的保温盒，保温盒的内侧面与压板抵接从而稳定恒温盒的设置。

进一步，恒温盒与保温盒之间的空隙填充设置有隔热棉。

第二方面，本发明实施例还提供了一种温控盒的控制方法，包括：第二测温单元检测恒温盒(200)内的第一温度值，第一温度值与预设温度值之间的差值控制第二调温单元(220)对恒温盒(200)的内部进行制冷或者制热；

当第一温度值与预设温度值之间的差值小于设定差值时，第一测温单元检测光纤盘(100)内的第二温度值，第二温度值与预设温度值之间的差值控制第一调温单元(120)对光纤盘(100)的内部进行制冷或者制热。

第三方面，本发明实施例还提供了一种飞秒频率梳，包括上述的温控盒和用于与温控盒通信连接的控制器，温控盒和控制器配合执行上述的控制方法。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：包括第二测温单元和第二调温单元的第二级温控回路能够对恒温盒内部的温度进行大范围的调节，而包括第一测温单元和第一调温单元的第一级温控回路能够对光纤盘内部的温度进行高精度、高速度的调节，因此，通过以不同级别的温度控制方式来实现高精度、高速度、大范围的温度控制，从而能够使处于光纤盘内部的光纤处于稳定的温度环境，防止温度发生变化而导致光纤的长度发生改变，从而提高了光纤的抗干扰能力，保证了重复频率的稳定获得。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一个实施例中温控盒的内部结构示意图；

图2是本发明另一个实施例中恒温盒安装于保温盒时的示意图；

图3是本发明另一个实施例中光纤盘安装于恒温盒时的示意图；

图4是本发明另一个实施例中光纤盘的背面示意图。

具体实施方式

传统的温控盒一般仅只有一个盒体，并且仅使用一组热敏电阻和半导体制冷器进行温度控制，这种控制方式相对简单，温度调节范围较大，但精确度低，控制速度慢，不能满足飞秒频率梳对温度控制的需求。

基于此，本发明提供了一种分级控制的温控盒、控制方法及飞秒频率梳，在该温控盒中，包括第二测温单元和第二调温单元220的第二级温控回路能够对恒温盒200内部的温度进行大范围的调节，而包括第一测温单元和第一调温单元120的第一级温控回路能够对光纤盘100内部的温度进行高精度、高速度的调节，因此，通过以不同级别的温度控制方式来实现高精度、高速度、大范围的温度控制，从而能够使处于光纤盘100内部的光纤处于稳定的温度环境，防止温度发生变化而导致光纤的长度发生改变，从而提高了光纤的抗干扰能力，保证了重复频率的稳定获得。

下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

参照图1，本发明的一个实施例提供了一种分级控制的温控盒，包括用于盘绕光纤的光纤盘100和用于装载光纤盘100的恒温盒200，恒温盒200设置有第二级温控回路，光纤盘100设置有第一级温控回路，第二级温控回路包括设置于恒温盒200内的第二测温单元和对恒温盒200内的温度进行调节的第二调温单元220，第一级温控回路包括设置于光纤盘100内的第一测温单元和对光纤盘100内的温度进行调节的第一调温单元120。

在本实施例中，温控盒能够根据使用需要而采用两级不同速度、不同精度、不同范围的温度控制方式。优选地，光纤盘100通过铜柱安装在恒温盒200中，能够有效使光纤保持在稳定的盘绕状态。恒温盒200优先为采用铝板构成的长方体，其厚度优选为2mm，能够调节并维持盒内稳定的温度，从而使得光纤盘100及处于光纤盘100中的光纤均能够处于稳定的温度环境中。温控盒可以和外设中的控制器配合使用，从而实现温度控制的工作模式：在使用时，可以先启动第二级温控回路，此时，第二测温单元会检测恒温盒200内的温度，并把该温度值传送给控制器，而控制器则能够把该温度值与预设的温度值进行比较，从而根据两个温度值之间的差值控制第二调温单元220对恒温盒200的内部进行制冷或者制热，从而调节恒温盒200内部的温度使之与预设的温度值保持平衡；当第二级温控回路使恒温盒200内部的温度接近于预设的温度值时，第二级温控回路会切换至第一级温控回路，此时，第一测温单元会检测光纤盘100内的温度，并把该温度值传送给控制器，而控制器则会把该温度值与预设的温度值进行比较，从而根据两个温度值之间的差值控制第一调温单元120对光纤盘100的内部进行制冷或者制热，从而调节光纤盘100内部的温度使之与预设的温度值保持平衡，进一步稳定光纤所处的环境温度，防止由于温度发生变化而导致光纤的长度发生改变，从而提高了光纤的抗干扰能力。

在本实施例中，第一测温单元和第二测温单元均可以有不同的实施方式，例如，第一测温单元和第二测温单元均可以为热敏电阻、热电偶等其中的任意一种，优选为热敏电阻；而第一调温单元120和第二调温单元220也都可以有不同的实施方式，例如，第一调温单元120和第二调温单元220均可以为半导体制冷器、制热器与制冷器的组合等其中的任意一种。

进一步地，参照图3，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，其中光纤盘100包括相互配合安装的光纤盘底盘130和光纤盘上盖140，光纤盘底盘130之中设置有便于盘绕光纤的凸起。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：光纤盘底盘130优先采用铝材制成，能够有效对热量进行快速传导。此外，设置于光纤盘底盘130之中的凸起能够把光纤盘底盘130形成回字形结构，从而便于对光纤进行盘绕并防止光纤的形态发生变化。

此外，在本实施例中，凸起的中部位置可以为镂空状或者设置有通孔，第一测温单元穿过该镂空状或者通孔设置于光纤盘100之中，并且第一测温单元与光纤盘底盘130的底面平齐。

进一步地，参照图4，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，其中第一调温单元120包括第一半导体制冷器，第一半导体制冷器设置于光纤盘100的外侧面。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：第一半导体制冷器能够在不同的电流流向作用下，实现制冷或者制热的功能，因此，当由第一测温单元检测到的温度低于预设的温度时，控制器会驱动第一半导体制冷器处于制热状态；而当由第一测温单元检测到的温度高于预设的温度时，控制器则会改变驱动第一半导体制冷器的电流方向，从而使第一半导体制冷器处于制冷状态。因此，设置于光纤盘100外侧面的第一半导体制冷器，能够精确有效地调节光纤盘100内部的温度，从而稳定光纤所处的环境温度。

在本实施例中，光纤盘上盖140优先采用透明的亚克力板，能够便于对处于光纤盘底盘130之中的光纤的形态进行观测，防止光纤出现掉出的问题；此时，第一半导体制冷器设置于光纤盘底盘130的外侧面，并沿着光纤的布置方向而设置，从而能够精确地调节光纤盘100内部的温度。

进一步地，参照图4，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，其中第一调温单元120还包括用于防止第一半导体制冷器发生移位或因压力过大而导致损坏的第一隔垫122和用于加快热量传导的散热片123，第一隔垫122贴合设置于光纤盘底盘130的外侧底面，第一隔垫122、第一半导体制冷器和散热片123依次层叠设置。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：当发生碰撞的情况时，第一隔垫122能够对第一半导体制冷器起到缓冲的作用，从而避免第一半导体制冷器出现损坏的问题；当第一半导体制冷器处于制冷状态时，散热片123能够加速第一半导体制冷器的热量发散，从而保证了第一半导体制冷器良好的制冷效果。

进一步地，参照图2，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，其中第二调温单元220包括第二半导体制冷器，第二半导体制冷器设置于恒温盒200的外侧面。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：第二半导体制冷器分别设置于恒温盒200的多个外侧面之上，第二半导体制冷器能够在不同的电流流向作用下，实现制冷或者制热的功能，因此，当由第二测温单元检测到的温度低于预设的温度时，控制器会驱动第二半导体制冷器处于制热状态；而当由第二测温单元检测到的温度高于预设的温度时，控制器则会改变驱动第二半导体制冷器的电流方向，从而使第二半导体制冷器处于制冷状态。因此，设置于恒温盒200的多个外侧面之上的第二半导体制冷器，能够快速地、大范围地调节恒温盒200内部的温度，从而稳定光纤盘100及光纤所处的环境温度。

进一步地，参照图2，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，其中第二调温单元220还包括用于防止因为撞击而导致第二半导体制冷器发生损坏的第二隔垫222和用于加快热量传导的压板223，第二隔垫222贴合设置于恒温盒200的外侧面，第二隔垫222、第二半导体制冷器和压板223依次层叠设置。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：当发生碰撞的情况时，第二隔垫222能够对第二半导体制冷器起到缓冲的作用，从而避免第二半导体制冷器出现损坏的问题；当第二半导体制冷器处于制冷状态时，压板223能够加速第二半导体制冷器的热量发散，从而保证了第二半导体制冷器良好的制冷效果。

进一步地，参照图1，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，还包括用于安装恒温盒200的保温盒300，保温盒300的内侧面与压板223抵接从而稳定恒温盒200的设置。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：保温盒300优选为由铝板构成的长方体，其厚度优选为4mm，能够有效进行热量的传导及防止外部对恒温盒200的撞击。此外，保温盒300的内侧面与压板223抵接从而稳定恒温盒200的设置，因此在保温盒300的作用下，压板223还能够起到固定第二半导体制冷器的作用，从而防止第二半导体制冷器发生位移而影响对恒温盒200的温度调节。

进一步地，基于上述实施例，本发明另一个实施例还提供了一种分级控制的温控盒，该温控盒除了包括上述实施例中所描述的单元或器件之外，其中恒温盒200与保温盒300之间的空隙填充设置有隔热棉。

在本实施例中，该温控盒除了具有上述实施例中所描述的工作原理及有益效果之外，还包括以下的特点及有益效果：为防止恒温盒200内部与外部进行热交换而影响恒温盒200内部的温度环境，优选在恒温盒200的外部安装尺寸适合的隔热层，该隔热层优选为隔热棉，并且隔热棉填满恒温盒200与保温盒300之间的空隙，从而能够起到良好的保温隔热的作用，使得恒温盒200的内部能够维持在稳定的温度环境下。

本发明另一个实施例还提供了一种温控盒的控制方法，该控制方法包括但不限于以下步骤：

s100，第二测温单元检测恒温盒200内的第一温度值，第一温度值与预设温度值之间的差值控制第二调温单元220对恒温盒200的内部进行制冷或者制热；

s200，当第一温度值与预设温度值之间的差值小于设定差值时，第一测温单元检测光纤盘100内的第二温度值，第二温度值与预设温度值之间的差值控制第一调温单元120对光纤盘100的内部进行制冷或者制热。

在本实施例中，第二测温单元和第二调温单元220的配合作用能够对恒温盒200内部的温度进行大范围的调节，而第一测温单元和第一调温单元120的配合作用则能够对光纤盘100内部的温度进行高精度、高速度的调节，因此，通过以不同级别的温度控制方式来实现高精度、高速度、大范围的温度控制，从而能够使处于光纤盘100内部的光纤处于稳定的温度环境，防止温度发生变化而导致光纤的长度发生改变，从而提高了光纤的抗干扰能力，保证了重复频率的稳定获得。

此外，本发明另一个实施例还提供了一种飞秒频率梳，包括上述任一实施例中的温控盒和用于与该温控盒通信连接的控制器，该控制器和温控盒配合执行如上述的控制方法。该控制器对由该温控盒传输过来的温度信号进行处理，并向该温控盒反馈控制信号，从而使得该温控盒实现上述实施例中的有益效果。

在本实施例中，通过两种不同级别的温度控制方式来实现高精度、高速度、大范围的温度控制，其中，通过第一级温控回路能够实现对光纤温度的精确控制，其控制精度高、响应速度快、控制范围小；而通过第二级温控回路则能够实现大范围的温度控制。结合第一级温控回路和第二级温控回路的共同作用，本实施例尤其适用于飞秒频率梳的重频稳定处理，不仅能够实现对温控盒内部温度的精确控制，并且具有抗干扰能力强的效果。

本实施例的飞秒频率梳在使用时，除了具有上述实施例中所描述的温度控制的工作模式，还具有稳定重频的工作模式：当通过第二级温控回路和第一级温控回路使得光纤盘100内部的温度与预设的温度值保持平衡时，第一级温控回路的工作会切换到稳定重频模式：控制器根据由光纤发送过来的重复频率，与预设的重复频率进行比较，并利用两个重复频率之间的差值作为第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的驱动信号，从而控制调节光纤盘100内部的温度，进而控制飞秒频率梳的重复频率。当由光纤发送过来的重复频率高于预设的重复频率时，说明光纤盘100内部的温度偏高，从而使得重复频率的频率值往更高数值漂移，此时，控制器会分别控制第一半导体制冷器和第二半导体制冷器处于制冷状态，从而降低光纤盘100内部的温度，使得由光纤发送过来的重复频率与预设的重复频率相一致；当由光纤发送过来的重复频率低于预设的重复频率时，说明光纤盘100内部的温度偏低，从而使得重复频率的频率值往更低数值漂移，此时，控制器会分别控制第一半导体制冷器和第二半导体制冷器处于制热状态，从而升高光纤盘100内部的温度，使得由光纤发送过来的重复频率与预设的重复频率相一致。由于重复频率的频率值较高，因此可以快速地控制温度，且具有高精确度的特点，从而能够达到对光纤盘100的高精度、高速度、大范围的温度控制。

因此，本实施例中的飞秒频率梳，主要有以下的工作模式：

(1)温度控制模式：通过第一测温单元和第二测温单元分别测量光纤盘100内光纤的温度和恒温盒200内的环境温度，将该温度信号反馈给控制器，控制器将所测温度信号与设定的温度值比较，利用温差信号来分别控制第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的工作状态；

(2)稳定重频模式：通过飞秒频率梳的重频差作为第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的驱动信号，由此控制光纤盘100内部的温度，进而控制飞秒频率梳的重复频率；

(3)温度控制和稳定重频共同模式：首先通过温度控制模式使得由光纤发送过来的重复频率处于预设的重复频率的附近，接着将温度控制模式切换到稳定重频模式，从而将由光纤发送过来的重复频率稳定在预设的重复频率处。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。