CN102013625A - 种子光注入主从匹配方法及使用该方法的种子光注入系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种种子光注入主从匹配方法，包括以下步骤：产生波长连续扫描的种子光；将波长连续扫描的种子光注入受控激光振荡器；注入的种子光波长连续扫描，范围覆盖一或多个受控激光振荡器纵模；受控激光振荡器在泵浦源的作用下建立粒子数反转，产生受激辐射；受激辐射中与注入的种子光波长匹配的模式占据优势，输出波长与注入的种子光相等或相近的激光。本发明种子光源产生波长连续扫描的注入信号，受控激光振荡器的光腔长度无须控制而可自由波动，在动态中实现主从匹配，因而操作容易，结构简单，成本低廉。

Description

种子光注入主从匹配方法及使用该方法的种子光注入系统

技术领域

本发明涉及一种种子光注入主从匹配方法，尤其涉及一种非侵入式的种子光注入主从匹配方法。本发明还涉及一种使用该方法的种子光注入系统。

背景技术

在激光输出装置中，往往使用种子光注入技术。种子光注入技术用低功率高稳定的种子光源(或称主激光器)控制功率振荡器(或称从动振荡器)，达到纯化输出光谱稳定输出频率和缩短起振时间的目的，在工业、医疗、军事、科研等领域有广泛的应用。没被种子光注入的振荡器随机起振，在竞争中建立输出模式。注入种子光后，与种子光波长相近的模式在一开始便占据绝对优势，从而快速稳定的建立输出模式。种子光注入技术的关键在于注入的种子光与从动振荡器的谐振纵模实时匹配，或称主从匹配。

然而，传统的种子光注入技术要求输出稳定的种子光源，通常是单模种子光源。而主从匹配则依靠实时调节从动振荡器的光腔长度因而谐振纵模实现。此外，注入的种子与从动振荡器输出的相位差必须锁定。种子光注入的时间与从动振荡器起振的时间必须同步。

图1b为一种现有技术种子光注入系统功能简图。其中，种子光注入系统101包括一种子光源110，驱动电路150，稳频装置115，光束整形组件160，从动激光器120，泵浦源130，腔长稳定装置125，锁模装置112，和信号同步器140。现有技术的种子光源110的输出180经过稳频装置的作用，例如通过行波环形腔产生单模输出，而具有固定波长。为了能与具有固定波长的种子光频率匹配，从动激光器120的腔长必须被实时调整。常用的调整方法如将腔端镜贴在压电陶瓷致动器上，再通过由实时腔长与参考值比较而产生的反馈信号驱动压电陶瓷致动器，进而快速调整从动激光器腔长。种子光源与从动激光器输出的相位必须被锁定。

传统的种子光注入技术结构复杂、操作困难、价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种过程简单，操作方便的种子光注入主从匹配方法。

本专利发明的主从匹配方法基于传统设计相反的理念：种子光源产生波长连续扫描的注入信号，从动振荡器的光腔长度无须控制而可自由波动，在动态中实现主从匹配。

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现：

一种种子光注入主从匹配方法，包括以下步骤：产生波长连续扫描的种子光；将波长连续扫描的种子光注入受控激光振荡器；注入的种子光波长连续扫描，范围覆盖一或多个受控激光振荡器纵模；受控激光振荡器在泵浦源的作用下建立粒子数反转，产生受激辐射；受激辐射中与注入的种子光波长匹配的模式占据优势，输出波长与注入的种子光相等或相近的激光。

进一步的，产生波长连续扫描的种子光进一步包括以下步骤：

射频调制种子光源的驱动电流；

以射频变化的驱动电流产生波长连续扫描的种子光；

根据对扫描范围的要求调整调制深度。

进一步的，还包括以下步骤，根据受控激光振荡器输出波长的要求调整种子光源的工作温度。

本发明的另一目的是提供一种结构简单，成本低廉的种子光注入系统。

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现：

一种使用上述种子光注入主从匹配方法的种子光注入系统，包括：产生波长连续扫描的光子束的种子光的种子光源；提供射频调制电流以驱动种子光源的驱动电路；对前述光子束进行整形的光束整形组件；接收整形后的光子束的受控激光振荡器，所述受控激光振荡器腔长自由改变；为受控激光振荡器提供能量流的泵浦源，所述种子光源的连续波长覆盖受控激光振荡器的一个或多个纵模而达成动态主从匹配。

进一步的，所述种子光源能够以以下任意一种组合模式工作：单模；、多模、连续，准连续、脉冲；所述光束整形组件为包括一个或多个光学隔离器的光学元件，所述光学元件对光束整形并将光束按指定的方向送达指定的元件。

进一步的，所述受控激光振荡器为包括光纤振荡器的一体化结构件。

进一步的，所述驱动电路为种子光源提供射频调制的驱动电流，其中射频调制的驱动电流由一直流偏置与一射频信号叠加而成。

进一步的，所述种子光源与一的热电温控器热接触，所述热电温控器的温度可调节。

进一步的，所述种子光源和光学元件被集成在一自含式模块中以直接控制受控激光振荡器的输出。

进一步的，所述种子光源为光纤耦合型半导体激光二极管；所述驱动电路为为半导体激光二极管提供射频调制驱动电流，驱动电流的强度又被进一步调制，在驱动电流的作用下半导体激光二极管发射波长连续扫描的激光脉冲；所述光束整形组件为光纤型光学隔离器和耦合光纤；所述受控激光振荡器为光纤功率振荡器，所述泵浦源为光泵浦源，其通过耦合光纤和光接口向光纤功率振荡器注入泵浦光；光纤功率振荡器在主振荡级注入的激光脉冲及泵浦源注入的泵浦光的双重作用下输出高功率高重复率激光脉冲。

本发明种子光源产生波长连续扫描的注入信号，从动振荡器的光腔长度无须控制而可自由波动，在动态中实现主从匹配，从而无须动态控制从动振荡器的光腔长度，也无须锁定注入的种子与从动振荡器输出激光的相位差，甚至无须强制同步种子光的注入与从动振荡器的起振，即可实现非侵入式主从匹配。

本发明的种子光源产生波长连续扫描的注入信号，而不是严格固定在某一特定波长上。扫描以射频速率周期性反复，其范围覆盖从动振荡器的一个或多个纵模。与传统的种子光注入技术企图严格控制种子光源和从动振荡器的频率以达到主从匹配的设计理念不同，本发明以在特定范围内快速变化的种子光频率动态地匹配因温度波动而随机漂移的从动振荡器纵模。因而大大简化了结构和操作，也降低了成本。

当种子光源是半导体激光管或其它以电力激发的激光器件时，本发明可通过周期性地改变激光管的驱动电流实现。具体地说，可通过对驱动电流射频调制实现。根据本发明，驱动电流由直流偏置与射频振荡信号合成。调制深度由这两个分量的相对强度决定，调节调制深度可取得不同的扫描效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1a为本发明的具体实施例的种子光注入系统功能方块图。

图1b为一种现有技术种子光注入系统功能简图。

图2a为以调制电流产生扫描波长的原理简图。

图2b为以调制驱动电流产生扫描波长的过程图。

图3a为从动振荡器单纵模输出的种子光扫描光谱与从动振荡器纵模的动态匹配过程图。

图3b为从动振荡器多纵模输出的种子光扫描光谱与从动振荡器纵模的动态匹配过程图。

图4为种子光源工作温度与种子光波长的函数关系图

图5a为本发明的一具体实施例的固体激光器结构示意图。

图5b为本发明的另一具体实施例的固体激光器结构示意图。

图6为本发明的一具体实施例的光纤振荡器结构示意图。

图7为本发明种子光的三种不同工作状态示意图。

图8a为本发明的一具体实施例的可直接用于控制从动激光器输出的种子光模块结构简图。

图8b为本发明的另一具体实施例的可直接用于控制从动激光器输出的种子光模块结构简图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的具体实施例。

图1a所示为本发明的一种具体实施例的种子光注入系统100的功能方块图。该种子光注入系统包括一种子光源110，驱动电路150，光束整形组件160，从动激光器120(又称受控激光振荡器)，和泵浦源130。种子光源由提供射频调制电流的驱动电路150驱动，发射波长连续扫描的光子束191，经160对光束整形后注入从动激光器120。从动激光器由泵浦源130产生的能量流193激发实现粒子数反转。与现有技术种子光注入系统必须通过腔长稳定装置对从动激光器腔长作实时调整不同，该从动激光器是未经任何改装也不带任何其他附件的普通激光振荡器。依靠本发明非侵入式主从匹配实现种子光注入，从动激光器的输出192有效地得到稳定。

为了更好理解本发明的工作原理，参考图2a。图2a显示了驱动电流与激光器输出波长的函数关系。其中λ为输出波长，I为电流。图中表示了种子光动态输出光谱21、直流偏置波形22和射频调制波形23利用这种关系预先设定地周期性改变驱动电流将导致激光器输出波长连续扫描。具体实施例中采用射频调制来实现驱动电流的周期性变化。射频调制可通过在直流偏置上叠加射频交流信号实现。交流信号的幅度与直流偏置的相对值决定调制深度。

为进一步理解本发明的工作原理，图2b分解调制过程到每一个周期。如图2b所示，驱动电流24变化的每一个周期导致激光器输出的种子光谱25波长在一个窄小范围内扫描。扫描范围的大小大致与驱动电流的变化幅度成正比。每一个周期产生的扫描光谱在最可几波长附近随机抖动漂移。由于驱动电流的周期性变化以射频重复进行，对时间取平均后得到连续且展宽的扫描光谱26。因为射频调制本身具有稳定输出频率的功能，由此产生的扫描光谱也是稳定的。通过比较图2b的左部(驱动电流始终高于阈值-浅度调制)与右部(驱动电流周期性低于阈值-深度调制)可知：深度调制因周期性开关激光器而导致较宽的扫描光谱。

以下讨论非侵入式主从匹配的机理。“非侵入式”指的是不对从动激光器作任何改装，不附加任何活动部件，也不增加任何操作步骤，保持其普通激光振荡器的本色。如图3a所示，从动激光器的腔长不受实时调整的限制而自由变化，其纵模32可因温度波动或其他因素随机抖动漂移。但无论其纵模32如何变化，始终被种子光扫描光谱31覆盖，始终与扫描光谱的某一波长匹配。也就是说，主从匹配可在非侵入的状态下动态实现。图3b与图3a相似，唯一的差别是在图3a中种子光扫描光谱31只覆盖从动激光器一个纵模32，即单模输出；而在图3b中种子光扫描光谱31覆盖从动激光器多个纵模32，即多模输出。如前所述，种子光扫描光谱31的宽度可通过不同的调制深度改变。调整种子光源驱动电流的调制深度，从而调整种子光扫描光谱的宽度，可满足各种从动激光器输出的需要。

图4描绘了种子光源输出波长与其工作温度之间的函数关系。利用这种关系，可通过设定合适的工作温度T，使种子光源输出合适的波长，从而达到匹配所需从动激光器纵模32的目的。图4以图解形式解释实现该方法所采取的步骤。

图5a为根据本发明的一种具体实施例，为非侵入式主从匹配实现种子光注入的一种固体激光器结构示意图。如图所示，种子光注入系统500包括一种子光源510，驱动电路550，从动激光器520，泵浦源530，光学隔离器540，和一组将各种光线沿所需方向传递到达所需位置的光学元件。种子光源510由提供射频调制电流的驱动电路550驱动，发射波长连续扫描的光子束591，经高反镜561、562、563、564连续反射后被注入从动激光器。从动激光器520进一步由一增益介质525，和腔镜521、522构成。腔镜521和522可以是分离元件或直接在增益介质两端的镀膜。由泵浦源530产生的泵浦光593经高反镜566和565连续反射后被注入从动激光器，实现增益介质的粒子数反转。在增益介质中产生的受激辐射在注入的种子光的控制下在谐振腔中形成振荡，产生激光束592。光学隔离器540防止高功率激光束592进入种子光源510而造成干扰或损坏。应当指出，图5a所示仅为根据本发明构建的种子光注入系统的一例，并非局限。事实上可以在不偏离本发明原则的基础上变换出很多不同的结构。例如，波长连续扫描的种子光束591亦可以由从动激光器520的后腔镜522注入。

图5b则给出另一个根据本发明的基本原则变换出不同结构的具体实施例。与图5a不同的是从动激光器520不是被泵浦源530端面激发而是被泵浦源531从侧面激发。图5b所示的结构适合高功率激光输出。泵浦源531可以是单色相干光、单色或准单色非相干光或部分非相干光、或连续光谱的非相干光。为加强泵浦的效果(效率和均匀度)，泵浦源还可包括一环绕增益介质525的泵浦腔，以实现对未被吸收的泵浦光的多次反射。采用漫反射泵浦腔有益进一步改进泵浦的均匀度。当然，从动激光器绝不只限于固体激光器，泵浦源也绝不只限于光源。无论是电激发还是光激发的气体、液体、或固体激光器都能被用作从动激光器接受根据本发明产生的波长连续扫描的种子光，实现非侵入式主从匹配。

根据本发明实现的非侵入式主从匹配无须对从动激光器腔长作实时调整，也就是说，从动激光器无须附带任何活动件。这个优点使一体化从动激光器成为可能。一体化固体激光器可能有各种不同的形态，光束在腔内的运行可以是同一平面，也可以是不同平面。更重要的优点是从动激光器还可以是光纤振荡器。腔镜直接固定在光纤两端，没有分离的部件也没有活动的部件。

图6所示为本发明的另一具体实施例，种子光注入光纤振荡器。光纤从动激光器620的两端直接固定着腔镜621和622。在驱动电路650的作用下，种子光源610发出波长连续扫描的种子光691。经接口625注入光纤从动激光器620。另一方面，泵浦光源630产生的泵浦光693也经过接口625注入光纤从动激光器。隔离器640防止种子光源被干扰或受损坏。更进一步，如果隔离器640是光纤隔离器，种子光源和泵浦光源也都是光纤耦合，则种子光注入系统600完全被光纤化。

根据本发明的基本原则可构成光纤型主振功率振荡器。产生波长连续扫描的激光器为主振荡级，控制光纤功率振荡器，可输出高功率受控激光，尤其是高功率脉冲激光。现有技术产生高功率脉冲激光主要通过两个途经：调Q或主振功率放大器。调Q须附加声光或电光或非线性吸收元件，不仅增加了系统的复杂性而且效率很低。更有甚者，光纤振荡器一般腔长较长，高-Q与低-Q的对比往往不够显著，不足以阻止非受控提前或滞后激光的产生。主振功率放大器则常常因放大自发辐射而变得不稳定。而且长腔光纤中的非线性效应也会引起光谱加宽、功率饱和等问题。以本发明为基础构成的光纤型主振功率振荡器不需附加调Q元件。而且由于采用较短的光纤，因长增益介质引起的放大自发辐射或非线性效应及因而引起的各种问题也不再出现。

本发明产生的波长连续扫描的种子光源有极大的灵活性，可工作在各种不同的状态。通过如图所示的波长扫描光谱71，图7演示三种不同的工作状态，即由左至右为单模连续a、多模脉冲b、和强度调制的多模脉冲c。强度调制的种子光源可用来实现光纤功率振荡器的高功率高脉冲重复率激光输出。强度调制可通过电子方法或光学方法，直接或间接实现。当然，种子光源的工作状态绝不只限于以上三种。调制波形也不局限于方波，可根据需要任意选择。

以本发明的基本原则为基础还能衍生出新的器件。例如将种子光源及其他辅助元件一起装入一个盒子，组成一自含式模块，可直接用于控制从动激光器输出。图8a描绘了这样一种具体实施例，即自含式模块的结构简图。如图8a所示，自含式激光模块800由一种子光源810，控制电路850，热电温控器815，热电控制电路855，光束整形透镜组861，采样组件880，和隔离器840构成。采样组件880中密封着分束透镜组862和光电二极管870。热电温控器用来控制种子光源的工作温度，也可用来调整种子光源的输出波长。操作时由种子光源射出的种子光891经光束整形透镜组861整形后进入采样组件880。分束透镜组862将891一分为二，其中大部分891-1从采样组件另一端输出，小部分891-2进入光电二极管870作为反馈信号控制种子光源的输出功率。种子光束891-1经隔离器840输出，可直接用来控制任何一个输出相应波长的普通的激光振荡器。如图8a所示，这样的激光振荡器无须作任何结构上的改动，也无须添加任何活动部件。而且，激光振荡器增益介质可以是气体、液体、或固体包括一体化结构和光纤。工作模式可以是连续或脉冲。

图8b描绘了另一种具体实施例，自含式种子光源模块801的结构简图。与图8a相比，自含式模块801多了偏极化镜867，用来将激光振荡器输出892一分为二，偏振方向相互垂直的分量892-p和892-s。当然，自含式种子光源模抉还能有其他多种结构形态。按使用角度分，可以是完全独立的器件，如图8a与图8b所示，用来遥控激光振荡器；也可以作为一个子系统被内置在整体系统中就地控制激光振荡器。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种种子光注入主从匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生波长连续扫描的种子光；

将波长连续扫描的种子光注入受控激光振荡器；

注入的种子光波长连续扫描，范围覆盖一或多个受控激光振荡器纵模；

受控激光振荡器在泵浦源的作用下建立粒子数反转，产生受激辐射；

受激辐射中与注入的种子光波长匹配的模式占据优势，输出波长与注入的种子光相等或相近的激光。

2.根据权利要求1所述的种子光注入主从匹配方法，其特征在于，产生波长连续扫描的种子光进一步包括以下步骤：

射频调制种子光源的驱动电流；

以射频变化的驱动电流产生波长连续扫描的种子光；

根据对扫描范围的要求调整调制深度。

3.根据权利要求1所述的种子光注入主从匹配方法，其特征在于，还包括以下步骤，根据受控激光振荡器输出波长的要求调整种子光源的工作温度。

4.一种种子光注入系统，其特征在于，包括：

产生波长连续扫描的光子束的种子光的种子光源；

提供射频调制电流以驱动种子光源的驱动电路；

对前述光子束进行整形的光束整形组件；

接收整形后的光子束的受控激光振荡器，所述受控激光振荡器腔长自由改变；

为受控激光振荡器提供能量流的泵浦源，所述种子光源的连续波长覆盖受控激光振荡器的一个或多个纵模而达成动态主从匹配。

5.根据权利要求4所述的种子光注入系统，其特征在于：

所述种子光源能够以以下任意一种组合模式工作：单模；、多模、连续，准连续、脉冲；所述光束整形组件为包括一个或多个光学隔离器的光学元件，所述光学元件对光束整形并将光束按指定的方向送达指定的元件。

6.根据权利要求5所述的种子光注入系统，其特征在于：所述受控激光振荡器为包括光纤振荡器的一体化结构件。

7.根据权利要求5所述的种子光注入系统，其特征在于：所述驱动电路为种子光源提供射频调制的驱动电流，其中射频调制的驱动电流由一直流偏置与一射频信号叠加而成。

8.根据权利要求5所述的种子光注入系统，其特征在于：所述种子光源与一的热电温控器热接触，所述热电温控器的温度可调节。

9.根据权利要求5所述的种子光注入系统，其特征在于：所述种子光源和光学元件被集成在一自含式模块中以直接控制受控激光振荡器的输出。

10.根据权利要求4所述的种子光注入系统，其特征在于：

所述种子光源为光纤耦合型半导体激光二极管；

所述驱动电路为为半导体激光二极管提供射频调制驱动电流，驱动电流的强度又被进一步调制，在驱动电流的作用下半导体激光二极管发射波长连续扫描的激光脉冲；所述光束整形组件为光纤型光学隔离器和耦合光纤；

所述受控激光振荡器为光纤功率振荡器，

所述泵浦源为光泵浦源，其通过耦合光纤和光接口向光纤功率振荡器注入泵浦光；光纤功率振荡器在主振荡级注入的激光脉冲及泵浦源注入的泵浦光的双重作用下输出高功率高重复率激光脉冲。

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