CN102368590A - 一种短脉冲激光系统的控制驱动系统 - Google Patents

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周杨
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Abstract

本发明的一种短脉冲激光系统的控制驱动系统涉及激光器驱动领域。克服了现有的驱动控制系统无法对输出光脉冲进行反馈控制，容易损坏后续光器件的问题。本发明中，控制驱动模块9利用控制模块4和驱动电路模块6为泵浦源1和泵浦源8提供电流注入，温度控制模块7为泵浦源1和泵浦源8提供稳定工作温度，控制模块4控制泵浦源1为激光器2提供泵浦光，激光器2输出的部分光送入稳定判断模块5进行稳定判断，判决信号送入控制模块4，如果判断为稳定，则控制模块4控制泵浦源8为放大器3提供泵浦光，放大器3将激光器2输出的光进行放大，如果判断为不稳定，则停止向放大器3提供泵浦光。

Description

一种短脉冲激光系统的控制驱动系统
技术领域
本发明涉及激光器领域。特别涉及短脉冲激光系统的控制驱动系统。本发明涉及的驱动系统可用于光纤通信、医学手术以及激光测距等领域。
背景技术
被动锁模技术利用材料的非线性吸收或非线性相变来产生激光超短脉冲，是实现锁模的重要方法，其具有方法简单、装置简便等特点，广泛应用于通信、医学等领域。
锁模技术指在激光器内不同振荡纵模之间实现相位锁定，以期获得规则的超短脉冲序列的专门技术。在不采用特殊的附加技术的一般情况下，在激光工作物质增益线宽内往往会产生多个或大量纵模的同时振荡。如果激光工作物质的增益带宽主要是由自发辐射过程的非均匀增宽机制所决定，则上述多个不同纵模的振荡可以彼此独立发生，它们相互之间的相位关系对时间来说是随机变化的，彼此之间不能产生持续的相干作用；与此对应，输出激光实际上是由一系列不规则的宽度较宽而高度较低的杂乱脉冲组合而成，这是由于大量频率不同而相位关系随机改变的电磁场“拍频”作用的结果。如果通过采取某种特殊的方法，使得在共振腔内不同的振荡纵模之间建立起确定的相对相位关系，则它们之间的振荡就不再是彼此无关的，而是伴随着一种多纵模之间的相干作用结果。众多纵模之间保持同步振荡和彼此之间相互“干涉”作用的结果，导致输出激光呈现为一系列规则的脉冲序列；该序列中每个单独光脉冲的时间宽度，由维持同步振荡的不同纵模的数目决定，并且在数值上约等于相邻纵模频率间隔与上述振荡纵模相乘的倒数。
碳纳米管是1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨率透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现的由管状的同轴纳米管组成的碳分子。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆结构，并且大多数由五边形截面组成。管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边形多臂结构。是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层得同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2-20nm。
增加泵浦源的功率，短脉冲泵浦源会经历如下几个阶段：
自发辐射光输出：此时锁模激光器中的光功率较弱，还不足以在腔内形成稳定的振荡腔，此时输出的光来源于掺铒光纤受到泵浦光激励的自发辐射，因此光谱较宽。
直流光输出：此时锁模激光器已经形成了稳定的振荡腔，产生了稳定的、固定频率的直流光输出，但强度还不足以使碳纳米管达到饱和吸收，所以此时还不能形成锁模脉冲。
基频锁模脉冲输出：此时碳纳米管已经可以达到饱和吸收状态，如果此时在腔内加入微扰，或者提升泵浦光功率，则有可能使腔内达到锁模态，并输出锁模脉冲。但此时的光功率较低，所以只能形成基频的锁模脉冲。将激光器工作于此状态时的泵浦范围称为基频稳定区。
半导体激光器的工作温度会对半导体激光器的工作特性产生影响，其主要表现为：一、随着温度的升高，半导体激光器的阈值电流会随之显著升高，导致输出光功率显著减小；二、随着温度升高，半导体激光器材料的折射率和带隙宽度发生变化，导致半导体输出光的峰值波长向长波方向移动。
半导体激光器的恒流驱动方式是指利用反馈对电路进行调节，为半导体激光器提供恒定的电流注入，这种方式的优点是可以直接提供驱动电流电平的有效控制，这种驱动方式在电路上可以使得电流偏差达到最低，同时提高了半导体激光器工作的稳定性。
在对锁模脉冲光源的输出光脉冲进行放大前，需要确保光脉冲已经稳定。如果锁模脉冲光源频率不稳定，则经过EDFA放大之后的脉冲频率也会有很大跳变，无法产生稳定的高功率超短脉冲。而且锁模脉冲光源的不稳定，将可能导致锁模脉冲光源出现失锁。如果出现此情况，此时脉冲光源将直接输出直流光，EDFA对直流光的放大倍数大于脉冲光，这就导致EDFA输出光功率大大增加，可能导致后续光器件的损害。现有的驱动控制系统无法避免这类问题，容易导致后续光器件的损坏。
发明内容
本发明是一种短脉冲激光系统的控制驱动系统。附图1描述了本发明采用的技术方案，下面对方案予以说明。
本方案包含短脉冲激光器模块10和控制驱动模块9，控制驱动模块9利用控制模块4和驱动电路模块6为泵浦源1和泵浦源8提供电流注入，温度控制模块7为泵浦源1和泵浦源8提供稳定工作温度，工作时，控制模块4控制泵浦源1为激光器2提供泵浦光，激光器2输出的部分光送入稳定判断模块5进行稳定判断，判决信号送入控制模块4，如果判断为稳定，则控制模块4控制泵浦源8为放大器3提供泵浦光，放大器3将激光器2输出的光进行放大，如果判断为不稳定，则不向放大器提供泵浦光。若在放大器3开始工作后，稳定判断模块5出现判断结果为不稳定，则控制模块4关闭泵浦源8，终止放大器3的工作。
控制模块4包含核心控制器件以及相应的外围电路，其控制器件可以采用单片机、复杂可编程器件或者现场可编程逻辑阵列。控制模块4根据稳定判断模块5的判断结果控制泵浦源1和泵浦源8的工作；稳定判断模块5包含光电转换模块和频率计数模块，工作时光电转换模块将激光器2的部分输出光进行光电转换，将得到的电信号送入频率计数模块进行频率的测定，频率计数模块根据测得的频率做出稳定判断，将判断结果送入控制模块4；驱动电路模块6采用输出电流采样负反馈压控恒流源，根据控制模块4的控制信号为泵浦源1和泵浦源8提供恒定的电流注入。
附图说明
附图1是本发明中一种短脉冲激光系统的控制驱动系统组成示意图
附图2是一种短脉冲激光系统控制驱动系统的具体实施方式示意图
具体实施方式
下面结合说明书示意图对本发明进行详细阐述。
附图2描述了本发明中一种短脉冲激光器系统的控制驱动系统的具体实施方式。方框30内为短脉冲光源，其腔内结构采用环形腔设计，通过一个波分复用器20和泵浦源18实现泵浦光的输入，增益介质为4米得掺铒光纤21，隔离器22用以保证光在腔内的通行方向，碳纳米管复合材料23被切割成约2mm2的小片，放置在腔内两个干净的光纤连接头之间。
工作时，单片机11控制恒流源电路14为泵浦源18提供工作电流，为短脉冲激光器30提供泵浦光，其中恒流源电路采用输出电流采样负反馈恒流源，短脉冲激光器30的锁模光脉冲经由50/50耦合器24输出。利用10/90耦合器25将锁模光脉冲的10％功率耦合至光电二极管13进行光-电信号转换，转换后得到的电脉冲信号送入用复杂可编程器件实现的频率计数器12进行测频，当电信号频率稳定(最大跳变小于稳定频率的1％)时，认为锁模光脉冲稳定，频率计数器12将判断结果输入到单片机11中，此时，单片机控制负反馈恒流源电路15为泵浦源19提供恒定的工作电流，掺铒光纤放大器31工作，对锁模光脉冲进行功率放大；如果判断结果为不稳定，单片机关闭泵浦源19并重新进行稳定判断。
附图2中频率计数器12和光电二极管13构成了稳定判断模块，频率计数器用复杂可编程逻辑阵列实现，每一个电脉冲的上升沿到来时，频率计数器12的计数加一，通过计算每0.5秒的计数实现频率的测定，当测频结果与稳定频率差值小于1％时，认为此次为稳定，当连续10次结果为稳定时，判断当前锁模光脉冲稳定。
附图2中热电制冷控制器16和热电制冷控制器17实现温度控制模块的功能，分别为泵浦源18和泵浦源19提供恒定的温度控制。

Claims (5)

1.一种短脉冲激光系统的控制驱动系统，其特征是，包含短脉冲激光器模块10和控制驱动模块9，控制驱动模块9利用控制模块4和驱动电路模块6为泵浦源1和泵浦源8提供电流注入，温度控制模块7为泵浦源1和泵浦源8提供稳定工作温度，工作时，控制模块4控制泵浦源1为激光器2提供泵浦光，激光器2输出的部分光送入稳定判断模块5进行稳定判断，判决信号送入控制模块4，如果判断为稳定，则控制模块4控制泵浦源8为放大器3提供泵浦光，放大器3将激光器2输出的光进行放大，如果判断为不稳定，则不向放大器提供泵浦光，若在放大器3开始工作后，稳定判断模块5出现判断结果为不稳定，则控制模块4关闭泵浦源8，终止放大器3的工作。
2.权利要求1中所述的控制驱动模块9，其特征是，包含控制模块4，稳定判断模块5，驱动电路模块6以及温度控制模块7。
3.权利要求1中所述的控制模块4，其特征是，核心控制器件可以是单片机、复杂可编程器件，也可以是现场可编程逻辑阵列。
4.权利要求2中所述的稳定判断模块5，其特征是，包含光电转换模块以及频率计数模块。
5.权利要求2中所述的驱动电路模块6，其特征是，驱动电路采用输出电流采样负反馈压控恒流源。
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