CN103326238A - 一种可调谐激光器自动跳模抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调谐激光器自动跳模抑制方法，由计算机控制的可调谐激光器发出的激光，进入扫描干涉仪，扫描干涉仪连接有数据采集卡，数据采集卡将扫描干涉仪产生的干涉信号和扫描信号采集至计算机，然后,利用激光器输出模式判断的算法判断激光器输出的模式，在判断为非单模状态后，利用一种电流调整抑制模式跳变的方法，使可调谐激光器恢复到单模输出的状态。本发明可以实时的检测可调谐激光器在工作时的输出模式，并自动反馈抑制激光器在工作所需位置发生的模式跳变，从而增大了可调谐激光器的工作范围和可靠性，使可调谐激光器可以应用于精密激光干涉测量领域，同时减少了人工的维护。

Description

一种可调谐激光器自动跳模抑制方法

技术领域

本发明属于精密激光干涉测量领域，具体涉及一种可调谐激光器自动跳模抑制方法。

背景技术

近年来，可调谐激光器发展迅速，并在通信、光谱分析、精密测量等领域得到广泛应用。但是，由于可调谐激光器部件各项参数的限制，以及其结构的误差，容易引起激光器内模式的跳变，从而导致在某些波长范围发生功率不稳定和相干性变差等现象，公知的相当一部分外腔可调谐激光器很难实现在整个调谐范围内不发生模式跳变。这严重影响了可调谐激光器的性能，限制了其在发生模式跳变波段的应用。因此，抑制跳模现象将极大的扩展可调谐激光器的应用范围。

现有的对于模式跳变区域的判断多采用离线的测量、查表标定的方式。通常的激光器纵模模式判别可通过高分辨率的光谱分析仪、扫描干涉仪等仪器进行人工观察。经过人工判断后，手动对激光器进行调节。这种方式适用于出厂前对可调谐激光器的校准，而不利于可调谐激光器在工作过程中对模式的控制。且高分辨的光谱仪价格昂贵，响应速度较慢，如果集成在自动控制系统中将影响整体性能。另外利用机械结构调节外腔长度，容易带来几何上的误差，引起谐振腔失谐，调节难度极大，这也是外腔可调谐激光器价格昂贵的原因之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种可调谐激光器自动跳模抑制方法，其能够实时的检测可调谐激光器在工作时的输出模式，并自动反馈抑制激光器在工作所需位置发生的模式跳变。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

由计算机控制的可调谐激光器发出的激光，进入扫描干涉仪，扫描干涉仪连接有数据采集卡，数据采集卡将扫描干涉仪产生的干涉信号和扫描信号采集至计算机，然后,利用激光器输出模式判断的算法判断激光器输出的模式，在判断为非单模状态后，利用一种电流调整抑制模式跳变的方法，使可调谐激光器恢复到单模输出的状态。

所述激光器输出模式判断的算法包括以下步骤：

（1）可调谐激光器在运行时，采集扫描干涉仪的干涉信号I(t)与扫描信号P(t)；

（2）提取扫描信号P(t)峰-峰值，得到一个扫描周期的起始终止时间 $(t_P^{\mathrm{start}},t_P^{\mathrm{end}});$

（3）利用起始终止时间

截取扫描干涉仪（13）的干涉信号I(t)，得到干涉信号采样I_Sample(t)；

（4）提取得到干涉信号采样I_Sample(t)的波峰个数N_Peak与波峰时间 $t_{\mathrm{Peak}}^i(1\≤i\≤N_{\mathrm{Peak}}),$ i为整数；

（5）对于波长的可调谐范围[λ_min,λ_max]，扫描信号所引起的共焦腔腔长变化量为ΔL时，应出现的波峰个数分别为

考虑到误差的影响，将波峰数N_Peak的范围设置为[N_min-ΔN,N_max+ΔN]，其中ΔN为一个误差阈值；如果波峰数N_Peak∈[N_min-ΔN,N_max+ΔN]，则进行下一步骤；否则，判定为非单模状态；

（6）相邻波峰的时间间隔为

m=i-1为整数；计算其标准差

对于设定的标准差阈值σ_Δtmin，如有σ_Δt≥σ_Δtmin则判定为单模输出；否则判定为非单模状态。

所述电流调整抑制模式跳变的方法包括以下步骤：

（1）对于工作的可调谐激光器（10）有一个初始的电流值I₀，并设定一个安全的电流振荡扫描阈值I_a，使电流在[I₀-I_a,I₀+I_a]范围内振荡；

（2）读取激光器输出模式判断的算法的结果，若为单模则结束调整，否则进行下一步骤；

（3）判断当前可调谐激光器电流是否超出振荡上限I_max，如果是则将电流调整至电流振荡下限I_min，然后重复步骤（2），否则进行下一步骤；

（4）在当前可调谐激光器电流值上增加步进电流值I_v/2，然后重复步骤（2）。

在无外腔且可调谐激光器的芯片温度恒定的条件下，测定可调谐激光器的芯片的电流值I与输出波长值λ，并进行线性拟合，得到

λ=λ₀+a·I   （1）

其中，λ₀为截距，a为斜率；

对公式（1）求导，得到

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{a}\·\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

根据公式（2），求出改变半个外腔自由光谱范围Δλ_v/2所需的步进电流值I_v/2。

本发明的有益效果：本发明通过将可调谐激光器发出的激光，射入扫描干涉仪，对扫描干涉仪产生的干涉信号和扫描信号进行分析，采用激光器输出模式判断的算法判断激光器输出的模式，在判断为非单模状态后，利用一种电流调整抑制模式跳变的方法，可以实时的检测可调谐激光器在工作时的输出模式，并自动反馈抑制激光器在工作所需位置发生的模式跳变，从而增大了可调谐激光器的工作范围和可靠性，并减少了人工的维护，克服了现有技术中可调谐激光器运行过程中，受自身参数限制和温度、振动等环境因素所引起的模式跳变以及现有的离线测试、人工判断与调整不灵活、不及时等问题。

本发明能够对可调谐激光器波长调谐以及控制其稳定度,从而使可调谐激光器可以应用于精密激光干涉测量领域。

附图说明

图1是本发明的系统硬件示意图。

图2是单纵模模式时扫描干涉信号示意图。图中横坐标为扫描时间，纵坐标左侧为记录的扫描干涉仪的干涉信号，右侧为记录的扫描电压信号。图中反映的是激光器工作在理想的单纵模状态下的情形。

图3是发生模式跳跃时的扫描干涉信号示意图。图中横坐标为扫描时间，纵坐标左侧为记录的扫描干涉仪的干涉信号，右侧为记录的扫描电压信号。图中反映的是激光器发生模式跳跃时的情形。

图4是发生多个模式并存时的扫描干涉信号示意图。图中横坐标为扫描时间，纵坐标左侧为记录的扫描干涉仪的干涉信号，右侧为记录的扫描电压信号。图中反映的是激光器输出处于多模时的情形。

图5是判断激光模式的算法和反馈控制模式的流程图。

图6是用电流调整激光器模式的流程图。

其中：10-可调谐激光器，11-法拉第光隔离器，12-非偏振分光镜，13-扫描干涉仪，14-平面反射镜，15-扫描干涉仪控制器，16-数据采集卡，17-计算机，18-温度控制器，19-电流控制器，20-扫频控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明采用扫描干涉仪、数据采集设备、激光器控制设备与计算机构成的采样数据控制系统，通过软件对所采的扫描干涉仪数据进行分析，判断激光器输出光束的模式形态，进而计算机通过控制激光器的控制器对激光器的调谐参数进行调节，直至跳模被抑制为止。

本发明中采用中心波长为780nm的外腔可调谐二极管激光器，该激光器包含一个带增益的内腔和外部谐振腔，外部谐振腔由光栅和反射镜组成，该激光器集成了温度控制的元件。该激光器波长调谐范围为760nm～785nm。由温度控制器18与电流控制器19对激光的增益芯片进行控制。一般的，激光器的温度保持不变，其波长的调谐由致动器改变选频元件所选择的波长来实现，制动器常见的有各类电机和压电陶瓷，分别用来进行粗糙的和精细的调谐。本发明中的扫频控制器20为电机驱动器，选频元件的选频由一个高精度直线伺服电机驱动实现。电流控制器一般用来改变激光器的输出功率，同时对激光器内腔的模式也有精细调节的作用。

首先，为减小激光回授对可调谐激光器的影响，激光从外腔可调谐二极管激光器出来以后，通过一个法拉第光隔离器11，其工作波长范围在760nm～800nm。然后通过一个非偏振分光镜12，将激光分为两束，一束为工作光源，另一束为被检测光束。

然后，通过一个平面反射镜14将被检测光束对准进入扫描干涉仪13。本发明中所采用的扫描干涉仪为Fabry Perot共焦腔扫描干涉仪，其自由光谱范围为1.5GHz，通过一个压电陶瓷晶体进行扫描，其扫描信号生成和干涉信号放大均由扫描干涉仪控制器15完成；通过数据采集卡16将干涉信号和扫描信号采集至计算机17。数据采集卡选用的是NI PXI-6133,分辨率为14bit,每通道最大采样速度为2.5MS/s。计算机型号选用的是NI PXI-8108。

通过扫描干涉仪控制器15驱动制动器对干涉仪的谐振腔长进行扫描，激光在扫描区间的某些位置能够发生透射，从而形成尖峰信号。对于常用的FabryPerot共焦腔扫描干涉仪，当共焦腔腔长L与波长λ满足关系4L=kλ时（k为一个正整数），发生极大透射。当腔长变化n个λ/4时，将会扫描出n个尖峰。该信号将被扫描干涉仪控制器15放大，并被数据采集卡16采集和记录，传输到计算机17进行分析。

最后，利用激光器输出模式判断的算法分析数据，判断可调谐激光器输出模式；如图5所示，激光器输出模式判断的算法包括以下步骤：

（1）可调谐激光器在运行时，通过数据采集设备采集扫描干涉仪干涉信号I(t)与扫描信号P(t)，并进行分别处理；

（2）提取扫描信号P(t)的峰-峰值，需调整干涉仪的扫描频率或数据采集卡的采样频率，保证一次采样中包含一个或一个以上的扫描周期。一次采样中有多个扫描周期的情况下，选择最后一个通常是较为稳定的状态，从而得到一个扫描周期的起始终止时间

（3）利用时间

截取扫描干涉仪干涉信号I(t)，得到干涉信号采样I_Sample(t)）；

（4）提取得到干涉信号采样I_Sample(t)的波峰个数N_Peak与波峰时间 $t_{\mathrm{Peak}}^i(1\≤i\≤N_{\mathrm{Peak}}),$ i为整数；

（5）可调谐激光器的波长范围为760nm～785nm，扫描信号变化的电压值选择15V，此时引起的共焦腔位移变化约为950nm，应出现的波峰个数为4～5个，考虑到误差的影响，将波峰数N_Peak的合理范围设置为[1,8]。如果波峰数满足要求，如图2所示的情形，将继续进一步判断。否则，如图3所示的情形，出现过多的波峰，显然有跳模的迹象，判定为非单模状态；

（6）对干涉信号采样继续进行处理，计算其相邻波峰的时间间隔为

m=i-1为整数。计算其标准差

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δt}}=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{peak}}^m-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{peak}}})}^2}{m-1}},$

根据大量实验统计，设定的一个标准差阈值σ_Δtmin=0.7，如有σ_Δt≥σ_Δtmin，则判定为单模输出，如图2所示情形；否则判定为非单模状态，即多模共存现象，如图4所示，则进行下一步骤。

（7）采用的电流调整抑制模式跳变的方法，使可调谐激光器恢复到单模输出的状态。

如图6所示，电流调整抑制模式跳变的方法包括以下步骤：

（1）对于工作的外腔可调谐二极管激光器有一个初始的电流值I₀，比如140mA，并设定一个安全的电流振荡扫描阈值I_a=10mA，使电流在[130mA,150mA]范围内振荡；

（2）读取外腔可调谐二极管激光器输出模式判断的算法的结果，若为单模则结束调整，否则进行下一步骤；

（3）判断当前外腔可调谐二极管激光器电流是否超出振荡上限150mA，如果是则将电流调整至电流振荡下限130mA，然后重复步骤（2），否则进行下一步步骤；

（4）在当前外腔可调谐二极管激光器电流值上增加I_v/2，然后重复步骤（2）；其中I_v/2是在激光器工作之前通过以下步骤得到的，在无外腔且可调谐激光器的芯片温度恒定的条件下，测定可调谐激光器的芯片的电流值I与输出波长值λ，电流单位为mA，波长单位为nm，并进行线性拟合，得到

λ=778+0.00373·I   （1）

对公式（1）求导，得到 $\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dt}}=0.00373\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

根据公式（2），求出改变半个外腔自由光谱范围Δλ_v/2所需的步进电流值I_v/2。半个外腔自由光谱范围约为0.002nm，因此取步进电流值I_v/2=0.5mA。

通过这样一种反馈控制，从而实现对该可调谐激光器输出模式自动检测，并自动抑制在所需工作波长处的跳模发生。

Claims (4)

1.一种可调谐激光器自动跳模抑制方法，其特征在于，首先，由计算机（17）控制的可调谐激光器（10）发出的激光，进入扫描干涉仪（13），扫描干涉仪（13）连接有数据采集卡（16），数据采集卡（16）将扫描干涉仪（13）产生的干涉信号和扫描信号采集至计算机（17），然后,利用激光器输出模式判断的算法判断激光器输出的模式，在判断为非单模状态后，利用电流调整抑制模式跳变的方法，使可调谐激光器恢复到单模输出的状态。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器自动跳模抑制方法，其特征在于，所述激光器输出模式判断的算法包括以下步骤：

（1）可调谐激光器（10）在运行时，采集扫描干涉仪（13）的干涉信号I(t)与扫描信号P(t)；

（2）提取扫描信号P(t)峰-峰值，得到一个扫描周期的起始终止时间 $(t_P^{\mathrm{start}},t_P^{\mathrm{end}});$

（3）利用起始终止时间

截取扫描干涉仪（13）的干涉信号I(t)，得到干涉信号采样I_Sample(t)；

（4）提取得到干涉信号采样I_Sample(t)的波峰个数N_Peak与波峰时间 $t_{\mathrm{Peak}}^i(1\≤i\≤N_{\mathrm{Peak}}),$ i为整数；

（5）对于波长的可调谐范围[λ_min,λ_max]，扫描信号所引起的共焦腔腔长变化量为ΔL时，应出现的波峰个数分别为

考虑到误差的影响，将波峰数N_Peak的范围设置为[N_min-ΔN,N_max+ΔN]，其中ΔN为一个误差阈值；如果波峰数N_Peak∈[N_min-ΔN,N_max+ΔN]，则进行下一步骤；否则，判定为非单模状态；

（6）相邻波峰的时间间隔为m=i-1为整数；计算其标准差

对于设定的标准差阈值σ_Δtmin，如有σ_Δt≥σ_Δtmin则判定为单模输出；否则判定为非单模状态。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器自动跳模抑制方法，其特征在于，所述电流调整抑制模式跳变的方法包括以下步骤：

（1）对于工作的可调谐激光器（10）有一个初始的电流值I₀，并设定一个安全的电流振荡扫描阈值I_a，使电流在[I₀-I_a,I₀+I_a]范围内振荡；

（2）读取激光器输出模式判断的算法的结果，若为单模则结束调整，否则进行下一步骤；

（3）判断当前可调谐激光器电流是否超出振荡上限I_max，如果是则将电流调整至电流振荡下限I_min，然后重复步骤（2），否则进行下一步骤；

（4）在当前可调谐激光器电流值上增加步进电流值I_v/2，然后重复步骤（2）。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器自动跳模抑制方法，其特征在于，步进电流值I_v/2是通过以下步骤得到的：在无外腔且可调谐激光器的芯片温度恒定的条件下，测定可调谐激光器的芯片的电流值I与输出波长值λ，并进行线性拟合，得到

λ=λ₀+a·I   （1）

其中，λ₀为截距，a为斜率；对公式（1）求导，得到

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{a}\·\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

根据公式（2），求出改变半个外腔自由光谱范围Δλ_v/2所需的步进电流值I_v/2。

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