CN103368054A

CN103368054A - 光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法及系统

Info

Publication number: CN103368054A
Application number: CN2013103185645A
Authority: CN
Inventors: 曾和平; 沈旭玲; 杨康文
Original assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法及系统，其方法应用精密电压驱动的光纤挤压式电控偏振控制器连接于光纤激光器腔内，使模式失锁的光纤激光器智能化地实现锁模自启动，或者实现光纤激光器的锁模状态间的切换。通过监测和反馈光纤激光器输出光光强、重复频率和光谱等信息，可以精密地扫描光纤挤压式电控偏振控制器的驱动电压，使光纤激光器腔内的偏振状态得以精密控制。该方法有效的弥补了传统手动偏振控制器的调节精度与可恢复性等的高精度量化，并且大大提高了调节效率和缩短了调节时间。同时，该方法也可使光纤激光器在周围环境变化的情况下，可以保证其每次开机时模式锁定状态的建立。从而可以提高光纤激光器在工业应用中的稳定性和可靠性。

Description

光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法及系统

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体的讲是一种采用精密电压驱动的光纤挤压式电控偏振控制器对光纤激光器锁模状态进行控制和自启动的方法。

背景技术

光纤激光器具有小体积、免调节、高稳定性、高功率密度等优点，被广泛应用于材料精细加工、超快光学、时频域激光精密控制、光通信等重要领域。光纤激光器自身具有的很多物理特性如自相位调制、群速度色散、非线性偏振旋转等，使得光纤激光器较容易结合各种锁模技术实现激光器被动锁模，有效改善光纤激光锁模脉冲的脉宽，有利于产生超短脉冲。

在非线性偏振旋转锁模的光纤激光器中，一般情况下，都采用激光腔内插入波片或者手动偏振控制器来对光纤激光器锁模状态进行调节。在稳定的环境中，光纤激光器锁模状态较稳定。但在实际应用中存在和面临如下问题：

一、光纤激光器对空气流动，机械振动，声波噪声、周围温度变化等外界干扰源较为敏感。当外界环境发生变化时，光纤激光器锁模状态可能会改变，甚至模式完全失锁。如果该光纤激光器作为种子源应用在基于啁啾脉冲放大技术（CPA，chirped-pulse amplification）的激光系统中，当发生激光器模式失锁时，系统应该立即关闭激光放大级泵光，否则可能会损坏放大增益光纤。若要恢复系统正常工作，需要人工调节腔内状态（调节手动偏振控制器），直到光纤激光器重新锁模，但由于是手动调节，调节精度和可恢复性无法高精度量化，而且调节的效率不一定，所花时间长。

二、可稳定锁模的光纤激光器在恒定外界环境中，每次启动激光器，基于腔内各种激光锁模技术，较易达到光纤激光器的自启动锁模。但当光纤激光器使用周围环境变化时，如使用环境温度变化，光学器件的热胀冷缩导致光纤激光器腔内锁模条件的变化，在每次激光器开启的时候可能出现光纤激光器无法自锁模或者锁模状态改变的情况。

发明内容

本发明的目的是针对传统非线性偏振旋转锁模光纤激光器实际应用方面的不足之处，提供一种可以实现精密智能化腔内偏振状态控制和光纤激光器自启动的方法。该方法应用精密电压驱动的光纤挤压式电控偏振控制器连接于光纤激光器腔内，使模式失锁的光纤激光器智能化地实现锁模自启动，或者实现光纤激光器的锁模状态间的切换；通过监测和反馈光纤激光器输出光光强、重复频率和光谱等信息，精密地扫描光纤挤压式电控偏振控制器的驱动电压，使光纤激光器腔内的偏振状态得以精密控制。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法，该方法包括以下具体步骤：

a、光纤激光振荡源采用掺镱、铒（Yb、Er-fiber）增益光纤的任一波长的超短脉冲激光器；在光纤激光器的环形腔中加入电控偏振控制器；

b、初始化电控偏振控制器，设置中点电压，并做一次计数测量；

c、根据前次计数测量的大小，设置控制电压尝试的步长：当前次计数测量值大于光纤激光器正常工作时的80%时，则使尝试步长变小为短步长；当前次计数测量值小于光纤激光器正常工作时的80%时，使用长步长；

d、电压尝试增加一个步长，其步长大小由上述步骤决定；

e、判断X轴驱动电压增加一个步长后的值：当该值大于最大驱动电压时，取消该轴的尝试电压一个步长的增加，使Y轴驱动电压增加一步长电压；当该值大于最大驱动电压时，取消Y轴的尝试电压一个步长的增加，使Z轴驱动电压增加一个步长电压; 当该值大于最大驱动电压时，返回至X轴一个步长电压的增加；

f、读取反馈信号，判断驱动电压步长的走向（增加或减小驱动电压），当反馈信号值为零时，驱动电压步长为零，即驱动电压维持不变。

一种实现上述方法的系统，该系统包括光纤激光器，接入光纤激光器的电控偏振控制器，与光纤激光器输出相连的光电探测器，接收光电探测器信号的频率计数器以及与其依次连接的FPGA模块、D/A转换器和电控偏振控制器的驱动模块电压放大器。

所述电控偏振控制器为光纤挤压式，其包括挤压方向互成45度角交错排列的三个光纤挤压器。由邦加球理论可知，三个互成45度的光纤挤压器可构成一个全波片，实现任意偏振态和固定偏振态之间的转换，达到偏振控制的目的。

本发明利用模式失锁激光器单位时间输出激光脉冲个数小于模式锁定状态下的激光器单位时间输出激光脉冲个数的特点，先用长的尝试步长的控制电压进行反馈保证控制速度的要求，在接近设定偏振状态时（在单位时间激光脉冲个数较接近设定值时），用短的尝试步长的控制电压使反馈信号变化幅度变小以保证控制精度，实现偏振状态控制和自恢复的一个过程。

本发明的优点在于：

⑴、精度高。电控偏振控制器可实现光纤微弱形变的控制，因而能实现更高精度的偏振态控制。

⑵、全光纤结构。采用电控偏振控制器取代传统的手动偏振控制器，光纤激光器受到的机械干扰更小，易于实现全光纤化的光纤激光器。

⑶、调节速度快。通过对偏振态的实时监控，电控偏振控制器可以实现对偏振态的快速调节，一般为1秒以下，就可对相应激光器模式进行锁定与调节。

⑷、调节范围大。电控偏振控制器可以从三个维度对偏振态进行精细控制，相对手动偏振控制器来说，具有更大的调节范围。

⑸、可通过对偏振态的改变，控制激光器的其他性能参数。电控偏振控制器通过挤压光纤，可以调节激光腔内色散与非线性效应的强弱，控制脉冲宽度，输出光谱等。

附图说明

图1本发明系统结构框图；

图2本发明方法流程框图；

图3本发明实施例1结构框图；

图4本发明实施例2结构框图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本发明中光纤激光器的增益介质为掺镱光纤，采用非线性偏振旋转效应，实现被动锁模输出。光纤激光器输出光脉冲中心波长与所采用的增益光纤类型有关。

参阅图1，图中：1-光纤激光器；2-光纤挤压式电控偏振控制器；3-光纤激光器部分输出光；4-光电探测器； 5-频率计数器； 6-FPGA模块；7-D/A转换模块；8-电压放大模块。

参阅图1、图2，本发明的方法是这样实现的：

设定：电控偏振控制器的三路驱动电压电源取24V，光纤激光器的初始状态为关闭状态，即未开启泵光。光纤激光器的重复频率为60MHz，计数器时间设定为10ms，最大计数反馈值为600000。长电压步长为0.1V，短电压步长为0.01V。开启光纤激光器，当电控偏振控制器的三路驱动电压分别为：U_X=13V，U_Y=14V， U_Z=15V时，光纤激光器处于正常锁模状态，输出稳定的重复频率信号。关闭光纤激光器。

开启光纤激光器泵源，系统处理初始化阶段：

⑴、初始化高速计数器，清零、暂停；

⑵、初始化电控偏振控制器驱动电压，使其三轴都处于中间点12V。

系统进入扫描判断模式，三轴驱动电压任一路的工作模式为：

⑴、开启高速计数器10ms后，关闭高速计数器。

⑵、读取计数器值，初始化高速计数器。

⑶、若反馈信号值为小于480000，设定长电压尝试步长0.1V，使U=U+0.1V。若反馈信号值为大于480000且小于599995，设定短电压尝试步长为0.01V，使U=U+0.01V。若反馈信号大于599995，取消尝试电压设置，维持尝试电压不变。

⑷、若判断尝试电压大于24V，进入切换轴步进模式。若尝试电压小于24V，更新D/A模块，使其输出尝试电压。

⑸、进入下一次扫描，重复上述步骤⑴～⑸。

系统进入切换步进模式为：

取消尝试步长在当前轴的增加，增加到下一轴。Z轴的下一轴轮回为X轴。跳回上个模式步骤⑷。

在整个扫描过程中，电控偏振控制器的三轴依次进行电压扫描，直到光纤激光器进入锁模状态，电控偏振控制器的三轴驱动电压停止扫描。长步长与短步长尝试电压的结合，使系统在快速锁定的同时，保证了较高的控制精度。

长步长与短步长的取值应该在实际实验操作中得到经验值，所以，在系统中加入波片，或者手动偏振控制器有利于整个系统的调试。当参数整定后，可去除所加入波片或者手动偏振控制器。

下面将通过实施例对上述过程进行详细说明：

实施例1

参阅图3，图中：1-半导体激光器；2-波分复用器；3-增益光纤；4-电控偏振控制器；5-偏振相关隔离器；6-3:7耦合器；7-1:99耦合器；8-光电探测器；9-高速频率计数器；10-FPGA模块；11-D/A转换模块；12-电压放大；13-驱动。

其具体实施细节如下：

⑴、半导体激光器1泵浦光经过波分复用器2输入到全光纤环形腔内，在非线性偏振旋转效应的作用下，利用增益光纤3、电控偏振控制器4、偏振相关隔离器5产生超短脉冲激光。

⑵、腔内脉冲经3:7耦合器6的30%端输出，在输出端接1:99耦合器7，99%端的激光作为光纤激光器的输出光，1%端的激光作为反馈探测光。

⑶、用光电探测器8探测耦合器1%端的输出光，经过频率计数器9计数，记录此时激光器的重复频率，将重复频率的信息反馈给FPGA模块10，控制和处理频率信息，如果光纤激光器状态失锁，重复频率改变，FPGA模块10启动扫描，通过D/A转换11、电压放大12、驱动13，反馈控制电控偏振控制器4，逐步改变腔内的偏振状态，并不断比较此时的重复频率，当扫描到与之前记录的重复频率一致时，表示光纤激光器已重新锁模，FPGA模块暂停扫描，继续监测。

实施例2

参阅图4，图中：1-半导体激光器；2-波分复用器；3-增益光纤；4-电控偏振控制器；5、11-光纤准直器；6、10-四分之一波片；7-二分之一波片；8-偏振分束片；9-空间光隔离器；12-分束片；13-光电探测器；14-高速频率计数器；15-FPGA模块；16-D/A转换；17-电压放大；18-驱动。

其具体实施细节如下：

⑴、半导体激光器1泵浦光源经过波分复用器2输入到半空间半光纤腔内，在非线性偏振旋转效应的作用下，利用增益光纤3、电控偏振控制器4、光纤准直器5、四分之一波片6、二分之一波片7、偏振分束片8、空间光隔离器9产生超短脉冲激光。

⑵、腔内脉冲经偏振分束片8输出，输出光再经过分束片12，大部分激光作为光纤激光器的输出光，小部分的激光作为反馈探测光。

⑶、用光电探测器13探测输出光，经过频率计数器14，记录此时激光器的重复频率，将重复频率的信息反馈给FPGA模块15，控制和处理频率信息，如果光纤激光器状态失锁，重复频率改变，FPGA模块启动扫描，通过D/A转换16、电压放大17、驱动18，反馈控制电控偏振控制器4，逐步改变腔内的偏振状态，并不断比较此时的重复频率，当扫描到与之前记录的重复频率一致时，表示光纤激光器已重新锁模，FPGA模块暂停扫描，继续监测。

Claims

1.一种光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

a、光纤激光振荡源为采用掺镱、铒增益光纤的任一波长的超短脉冲激光器；在光纤激光器的环形腔中加入电控偏振控制器；

d、电压尝试增加一个步长，其步长大小由步骤c决定；

e、判断X轴驱动电压增加一个步长后的值：当该值大于最大驱动电压时，取消该轴的尝试电压一个步长的增加，使Y轴驱动电压增加一步长电压；当该值大于最大驱动电压时，取消Y轴的尝试电压一个步长的增加，使Z轴驱动电压增加一步长电压; 当该值大于最大驱动电压时，返回至X轴一个步长电压的增加；

f、读取反馈信号，判断驱动电压步长的走向，当反馈信号值为零时，驱动电压步长为零，即驱动电压维持不变。

2.一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于该系统包括光纤激光器，接入光纤激光器的电控偏振控制器，与光纤激光器输出相连的光电探测器，接收光电探测器信号的频率计数器以及与其依次连接的单片机FPGA、D/A转换器和电控偏振控制器的驱动模块电压放大器。

3.根据权利要求1或2所述的方法或装置，其特征在于所述电控偏振控制器为光纤挤压式，其包括挤压方向互成45度角交错排列的三个光纤挤压器。