CN101222105A - 用于减少具有变频元件的激光系统的噪声的线路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光系统的方法和线路，其中，激光信号保持在近似最优常数，并且倍频输出信号的一部分被检测和探测，从而在变频输出信号内的噪声可以被最小化。反馈信号被用于抖动倍频晶体的温度，从而最小化倍频输出信号中的噪声。

Description

用于减少具有变频元件的激光系统的噪声的线路和方法

技术领域

[01]本发明总的来说涉及激光系统的输出稳定，特别是涉及减少由二极管激光器泵浦的，固态的，外变频激光系统的输出噪声。

发明背景

[02]市场上大量需要短波激光源，例如绿光，蓝光和UV激光器。一种已知的办法是利用具有很多不同配置的，容易获得的红光或红外激光二极管来得到这种光源。利用在非线性元件中二次谐波发生(SHG)的方法，这些二极管和由光非线性物质制成的非线性元件能够产生短波倍频辐射。

[03]用于倍频的激光源需要(a)高功率，(b)稳定的，窄线操作，(c)简单的，低成本的光学器件和组件，以及重要的是(d)一些精细调节光谱的手段，从而和倍频材料匹配，来优化效率。本发明特别涉及最小化倍频输出信号的噪声的方法和线路(circuit)。

[04]一些用于倍频激光二极管发射的现有技术的设计已经被公开。例如，以Welch等名义申请的，美国专利No.5,384,797描述了一种单片多波长激光二极管阵列，其输出光能够被耦合到一体化形成在一个阵列基底上的铁电倍频器。以Nam等人的名义申请的美国专利No.5,644,584，描述了具有分布布拉格反射(DBR)的可调蓝激光二极管或分布反馈(DFB)可调二极管激光器，该激光二极管被耦合到光学非线性材料的准相位匹配波导。Spinelli申请的美国专利No.6,370,168描述了一个基于表面发射增益结构的内腔变频光泵浦半导体激光器，所述表面发射增益结构超越布拉格镜和一个外凹镜。Raymond等人申请的美国专利No.6,393,038描述了一个倍频垂直外腔表面发射激光器；以及，Caprara等申请的美国专利No.6,438,153描述了一个内腔变换光泵浦半导体激光器。虽然上面提及的这些发明表现出了预期的功能，但是在使用复杂激光结构或复杂非线性元件布置时，遇到很多问题，其中包括需要功率和频率的稳定。而且，因为复杂激光器设计通常导致一点功率的减少和噪声的增大，这些现有技术或者利用内腔非线性倍频布置以从内腔共振功率增强中受益，却以更加复杂的腔体控制作为代价，或者利用有相对低的输出功率的单通倍频。Wang等申请的美国专利No.7,242,700公开了用于稳定激光倍频输出信号的线路。虽然这种线路在某种程度上达到了目的，但是人们还是在寻求在输出激光倍频信号中噪声更低的更可靠的解决方案。

[05]为了克服现有技术的某些局限性，Lang等申请并转让给JDS Uniphase Corporation的美国专利No.7,177,340描述了具有体透射光栅的延伸腔激光装置。Lang等人的系统在外腔布局中利用了半导体，高功率，激光的简单腔设计(例如通常用于泵浦掺铒光纤放大器的边发射980nm激光二极管)，其具有由外频率选择反射器提供的频率稳定。该专利试图给二极管激光器提供一个简单的利特罗型外腔配置，所述外腔配置使输出功率实质上最大化并在没有输出光束角度调谐的情况下能够做到频率调谐。美国专利7,177,340的一个有趣的方面是，激光二极管辐射的光谱噪声的实质性减轻是通过给激光二极管提供附加电抖动电流，从而产生对振幅超出模间隔的激光二极管辐射的频率调制。这种抖动导致激光的连续干扰从而增加激光二极管辐射的时间平均光谱的稳定性，因此稳定倍频辐射的时间平均功率。

[06]SHG常规被用于倍频，并将波长近1000纳米(nm)的近IR基础辐射的波长减半，从而产生波长近500nm的可见光。在此上下文中，SHG通常涉及使IR输出光束从二极管泵浦固态(DPSS)激光谐振腔传播经过合适的光学非线性晶体，例如三硼酸锂(LBO)晶体。当这种晶体通过建立合适的方向和温度被适当的调节，能产生可见光并从晶体输出，通常伴随着一些剩余基础波长光。基础波长到希望的变频波长的变换效率(变换效率)的定义是，传输到变频输出的净功率除以基础波长光源光束所包含的功率。在LBO中，IR到可见的变换效率超过50％已经被说明。

[07]如上面所述，变频器的优化总体上涉及建立合适的波长相关晶体方向和操作温度。特定变频器优化变频效率的操作参数可以在系统操作的初步表征或校准步骤过程中被确定。优化参数可能被一次确定，此后，为了保持所显示性能，参数保持不变，除非有系统操作员的后续干预。

[08]然而，这种优化方法一般会遇到问题。随着时间的推移，即使在恒定输入功率的情况下，由于光器件老化和积累的损伤，DPSS激光器的变频输出功率趋于减低。此外，由于激光系统功率水平或操作占空系数的改变，经常需要再调节变频器，并且可实行一些监测变换效率的方法。

[09]一种补偿变频输出功率恶化的方法涉及监测变频功率输出水平和增加所需的泵浦功率以增强输出，同时也监测基础功率水平从而可以确定变换效率。然后可以调整变频器以保持或恢复所期望的功率。这种方法往往不能给出满意的结果。

[10]时间平均功率甚至变频输出的位置随着时间的推移可能会有大的变化，以至仅仅靠合理调整二极管驱动电流不能恢复所期望的操作条件。而且，当基础和变频光束被分别取样和探测，暴露在不同光束下的器件可能有不同速率的减损。这种差异性老化可能导致变换效率估计的偏差。此外，为了验证峰值转换效率一直在维持，当输出功率由于激光共振腔内的变化而可能慢慢变化时，则需要使变频器从优化条件失谐，检查操作中相应的衰减(roll-off)，然后再调谐恢复到最优值。

[11]在很多例子中，希望提供一种无论所产生的噪声如何而使输出功率最大化的倍频激光线路。然而在其它的对输出功率的关心度较小的特殊例子中，希望最小化倍频信号里的噪声。虽然最大化输出功率和减小噪声典型的在某种程度上一起出现，但最常见的是它们不完全跟随另一个。例如，在输出信号中获得可能的最小噪声，并不保证能获得最大功率。而且，从倍频晶体获得最大功率并不保证获得最小噪声。

发明内容

[12]本发明首先关注了倍频输出信号噪声的减小，并提供了当激光器和倍频晶体由于随时间老化而发生物理改变时，获得此结果的新途径。

[13]本发明的目的是提供一种将光信号变频成短波长的方法和线路，同时使输出信号的噪声最小化。

[14]本发明的目的是基于RMS噪声探测器和电流监测器的输入，通过以预定步骤改变温度来连续抖动倍频晶体的温度和寻找最优化的晶体温度。

[15]本发明的目的是随着激光器老化，激光驱动电流的变化，环境温度的变化，以及晶体中出现的应力和应力的释放，对晶体温度进行最优化，从而最小化噪声。

[16]本发明的目的在于提供低噪声变频激光信号。总的来说，发明的激光器系统包括，产生和发送具有第一(基础)波长的基础辐射光束的电流驱动激光二极管。所述激光系统包括分离于激光器设置并被对准以接收来自激光器的光的变频晶体。所述变频晶体将基础波长光束中的一部分变换成变频光束。提供有一个或更多探测器用于监测变频光束上的噪声。控制器和这些探测器配合布置，通过在对噪声进行监测的同时，反复抖动温度来调整变频晶体的温度，以减小噪声。变频光束的位置和变频器的变换效率在一定程度上依赖于光学非线性晶体的温度。

[17]根据本发明，提供了一种控制变频晶体所产生的输出信号的方法，步骤如下：

[18]a)提供在其输入端有第一波长的光的变频晶体；

[19]b)探测从所述变频晶体的输出端输出的变频光的一部分并将该部分变频光变换成电信号；

[20]c)由电信号确定所探测的部分变频光中的噪声水平；以及

[21]d)在限度内以增量的形式向上和向下反复变化变频晶体的温度，同时连续操作步骤(b)和(c)，以最小化所述变频光中的RMS噪声。

[22]用于产生低噪声短波信号的线路包括：

[23]激光器，用于提供具有第一波长的第一光信号；

[24]变频元件，被设置以接收来自激光器的第一光信号，并用于将第一光信号变换成第二光信号，第二光信号的波长比第一光信号的波长短；

[25]探测器，用于探测第二光信号的一部分，并用于提供具有取决于第二光信号的特性的第一电信号；

[26]第一控制线路，响应于第一电信号，并用于确定光功率值和噪声值，所述光功率值和噪声值相应于取决于第一电信号特性的第二光信号中的功率和噪声；

[27]第二控制线路，响应于来自第一控制线路的输入，所述第二控制线路和激光器通信，用于将激光器的功率保持在常数；

[28]第三控制线路，响应于来自第一控制线路的输入，用于以连续变化温度的方式来减小第二光信号的噪声。

[29]根据本发明，提供了一种用于产生低噪声短波光信号的线路，包括：

[30]激光器，用于提供第一光信号，所述第一光信号具有比短波信号波长更长的第一波长；

[31]变频元件，被设置以接收来自激光器的第一光信号，并用于将所述第一光信号变换成短波信号；

[32]反馈线路，用于探测第二光信号中的一部分，并用于以连续增加一个或更多温度增量和连续减少一个或更多温度增量的方式连续调整变频元件的温度，以减小短波信号的噪声，其中，所述增加和减少一个或多个温度增量是基于短波信号中被探测噪声的量；以及

[33]控制线路，在所述反馈线路减小短波信号中的噪声的同时，用于将短波信号的功率水平保持在常数值。

附图说明

[34]合并入说明书并构成说明书一部分的附图，原理性的说明了本发明的优选实施例，并且，所述附图和上面所给出的基本描述和下面对优选实施例的详细描述一起，用于解释本发明的原理。

[35]图1是根据本发明的倍频激光系统的线路图，其中，提供了两个反馈线路。

[36]图2显示了波导热电控制和噪声反馈的框图。

[37]图3是激光功率和噪声图，分别沿着同样的轴对于时间绘制。

[38]图4是有限状态机(FSM)图，描绘了通过最小化或减小倍频输出信号中的RMS噪声来优化反馈线路的操作。

[39]图5是有限状态机(FSM)图，说明了根据本发明的线路的开始循环，用于温度调节变频晶体。

[40]图6和7是增量和减量的FSM图，以根据框图内所指示的条件来提高或降低温度。

具体实施方式

[41]参见图1，用于倍频激光的激光系统产生了具有预定波长址的信号，其中，输出倍频变换信号的波长是λ/2。虽然后面描述的具体例子涉及利用无源波导倍频晶体的倍频系统，但也可以利用其它变频元件和装置。

[42]在图1中的激光二极管10具有的控制信号由控制器15提供，控制器15用于控制热电冷却器(TEC)13，热电冷却器(TEC)13用于保持所述激光二极管在可控制操作温度和恒功率下。电流I_DL变化，以保证随着线路的温度变化和激光器老化，激光二极管中的功率保持在常数值。光栅布拉格光栅12位于沿着光纤的路径，所述光纤将激光二极管10的输出信号光耦合到倍频晶体14的输入端，用于保持来自倍频晶体14的窄线宽输出信号。对于温度变化敏感的倍频晶体14，位于被控制器15控制的TEC16上，TEC16用于变化或抖动晶体14的温度以最小化噪声。功率噪声探测器和反馈线路18分接来自倍频晶体输出信号的一部分，用以取样输出信号的一部分，并提供代表功率水平和噪声水平的电信号给控制器15，以便噪声可以通过调节TEC 16的温度来最小化，同时通过调节I_DL将输出功率保持在常数值。反馈线路18的放大细节视图如该图的下部所示，包括用于大致准直光的透镜18a；提供2.5％的偏振光束给光电探测器18d的分束器18c，剩余部分的光经过分束器18c并通过窗口18e。

[43]图1中所示线路的操作大体如下。作为本发明的一个目的，为了减小倍频晶体16的输出信号中的噪声，倍频晶体中的温度被抖动，有目的的向上升高一个或更多的增量，并且随后向下降少一个或更多的增量，在预定温度范围内进行连续变化，所述预定温度范围围绕在设定点或被选作预设开始值的开始点的附近。例如，开始值通过统计方法被选定在获得相对低噪声的合适的操作范围内。当激光器被打开，设置在处理器控制的固件中的自动开始程序，这将在后面以状态图来描述，引起了在开始值±2℃的范围内进行温度扫描，RMS噪声在扫描过程中作为温度函数被测量，以找到噪声最低的温度。

[44]RMS噪声探测器只提供相对噪声数；激光器10在恒功率模式下并且不需要确定实际噪声值。

[45]通过执行该开始程序，合适的编程处理器确定噪声最小的操作温度，并且这成为在噪声最优模式下进一步操作的程序的起始点。在恒功率模式下操作是为了将输出信号功率保持在固定值。

[46]因为最优波导温度在倍频激光系统的操作过程中没有明显的变化，预设扫描范围可以捕捉噪声最小值。虽然在很多实施中不是严格的，幸运的是，最优噪声条件，也就是最低噪声条件和最大激光功率输出相去不远；因此在波导特性初始化的过程中不难找到这个点。这个温度点被用于决定初始温度窗口。

[47]在操作过程中，当温度被重复向上和向下抖动一个或更多温度增量，以保持低噪声条件，增量或步长被选择为大于噪声的变化量。步长应该大于与温度不相关的噪声统计变化量；但是温度变化量应该足够小，从而不引发噪声。在实验中发现，对于电流装置，0.02℃-0.03℃的步长是最优的。

[48]用于控制激光二极管10输出功率的线路内的功率控制环的工作和控制倍频晶体14的温度控制环不相关。理想的情况是，功率控制环控制泵浦激光电流并保持输出功率在常数值。当波导温度变化时，波导温度变化影响变换效率并且功率控制环也反作用于波导温度变化。如果波导温度变化和变频的最优化相去太远，电流可能会到达极限而造成功率降低。然而，噪声最低和功率最大相去不远，因此，波导温度最优化的必要条件与达到最大转换效率或最小噪声并不矛盾；它们并不是简单的准确重合。因此，在此系统中做一个很小的效率上的牺牲，以便获得噪声最优化。

[49]有一个基于比例/积分/微分(PID)环的，用以保持期望的波导封装温度的固件。控制环包括封装中的内置热敏电阻，热电冷却器(TEC)，用于驱动TEC和微控制单元或处理器的电路。基于热敏电阻的温度读数，PID控制器计算了基于设置点和读数之间的温度误差的驱动电流。然后该计算电流用于驱动TEC以保持温度设置点。PID参数被决定，以使伺服环稳定并对任何温度干扰和设置点的变化有快速的反应。

[50]波导温度最优化(WTO)算法决定了波导封装的温度设置点。

[51]图2示出了波导热电控制和噪声反馈的框图。在本说明书内，波导24这一用语和倍频晶体14这一用语是可互换的。

[52]产生自包括激光二极管和光栅的激光单元20的光被提供给波导24，并且一部分被光电二极管28截获，该光电二极管提供与部分截获光的功率成比例的电信号给RMS噪声探测器。RMS噪声值不是真值，而是该部分截获光中的RMS噪声的相对值，RMS噪声值被提供给块26，块26包括用波导温度调节算法进行适当编程的CPU，用于调节将激光信号变换到短波信号的波导24。耦合到波导热电冷却器(TEC)24a的热敏电阻24b通过块26将温度信息提供给CPU。根据接受自热敏电阻24b和RMS噪声探测器25的信息，执行温度调节算法的处理器提供数字信号给驱动器27，驱动器27增加或减少电流，该电流驱动TEC 24a相应增加或减低温度。

[53]图3是激光功率和噪声分别对时间的绘制图。曲线说明噪声最小化算法将强制偏移(1)恢复成为最优波导温度状态。注意，图中噪声的增加被标示为RMS噪声。波导温度通过控制波导或晶体温度的抖动算法被再优化，直到达到新的噪声水平。

[54]图4是有限机(FSM)形式的流程图，说明了可能的执行状态：尖峰监测器，循环开始，温度升高，温度降低和已发现，其中执行具体的动作，用以从一个状态变换成另一个状态。圆圈代表状态，箭头代表转变。通过例子，在减低(DEC)状态，持续降低温度，直到最优化温度被发现，然后一步返回并且FSM状态变成已发现状态。

[55]从图5到图7的下三个图是简单的数据流程图，描述了如何为三个主要状态而执行固件代码。

[56]循环开始：初始状态为取样三个温度设置点的噪声和电流：电流温度，降低的温度，增加的温度。然后决定温度变化的方向。温度可能已经被优化，但更可能的是需要增加或降低，从而到INC或DEC状态。

[57]DEC状态：这种状态会具有更低的噪声和更低的电流，当决定降低温度时执行此状态；因此算法降低温度直到相对噪声和/或电流有升高。在算法内需要作一些决定，以平衡噪声和电流。

[58]INC状态是DEC状态的相对状态，噪声减少时增高出现，然后当噪声增加超过了预定的极限，DEC状态出现了。

[59]有利的是，根据本发明的自适应控制算法被用于控制基于电流和噪声探测器的波导温度。当激光器的老化，室温变化，波导老化，算法将自调节，因为它持续抖动温度，以发现将产生最低噪声的最优化温度，而不是利用校准温度设置点或通过温度补偿来调节。

Claims (12)

1.一种通过变频晶体产生控制输出信号的方法，步骤如下：

a)提供了在输入端有第一波长光的变频晶体；

b)探测变频晶体输出端输出的变频光中的一部分并将变频光中的所述部分变换成电信号；

c)从所述电信号决定了所述变频光中的所述探测部分的噪声水平；以及

d)当连续操作(b)和(c)，步骤时，向上和向下反复变化所述变频晶体的所述温度，从而最小化所述变频光中的所述RMS噪声。

2.如权利要求1中所限定的方法，其中，从所述晶体的输出端输出的所述变频光的功率在步骤(b)到(d)的过程中保持常数，以及其中，所述温度向上和向下反复变化的所述步骤通过在预定增长量内变化所述温度来操作。

3.如权利要求2所限定的方法，其中，所述变频晶体的所述温度向上和向下反复变化的所述步骤包括，在反方向变化所述温度之前，向上或向下多次变化所述温度的所述步骤。

4.如权利要求3所限定的方法，其中，所述温度在同一个方向变化，向上或向下与探测噪声的相对水平相关。

5.如权利要求3中所限定的方法，其中，如果从最后一个记录值已经确定探测的噪声水平要增长，所述噪声在相反的方向从向上到向下，或从向下到向上变化。

6.如权利要求3中所限定的方法，其中，所述晶体是倍频晶体。

7.用于产生低噪声短波长的线路，包括：

激光器，提供具有第一波长的第一光信号；

变频元件，接收来自所述激光器的所述第一光信号，并用于将所述第一光信号变换成具有比所述第一波长短的波长的第二光信号；

探测器，探测所述第二光信号的一部分，提供具有取决于所述第二光信号特性的电信号；

第一控制线路，响应于所述第一电信号，并决定相应于取决于所述第一电信号特性的所述第二光信号中的功率和噪声的光功率值和噪声值；

第二控制线路，为了在常数保持所述激光的所述功率，响应于和所述激光器通信的所述第一控制线路的输入；

第三控制线路，响应于来自为了在连续形式下变化所述温度的第一控制线路，以减小所述第二光信号的噪声。

8.如权利要求7中所限定的用于产生低噪声短波信号的线路，其中，所述激光器是DPSS激光器。

9.如权利要求8中所限定的用于产生低噪声短波信号的线路，其中，也包括用于提供窄带光信号的布拉格光栅，其中，布拉格光栅被设置在所述DPSS激光器和所述变频元件之间。

10.如权利要求9中所限定的用于产生低噪声短波信号的线路，其中，所述变频元件是倍频晶体。

11.如权利要求7中所限定的用于产生低噪声短波信号的线路，其中，所述变频元件是倍频晶体。

12.一种用于产生低噪声短波长光信号的线路，包括：

激光器，提供具有比短波信号波长更长的第一波长的第一光信号；

变频元件，接收来自所述激光器的所述第一光信号，并用于将所述光信号变换成所述短波信号；

反馈线路，探测所述第二光信号中的一部分，并用于调整所述变频元件的所述温度，连续提高一个或更多温度增量，连续降低一个或更多温度增量，以减小所述短波信号的噪声，其中，在温度中所述的向上和向下的增长是基于所述短波信号的被探测噪声的量；以及

控制线路，当所述反馈线路减小所述短波信号中的噪声，保持所述短波信号的所述功率水平是常数。

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