CN105490160A - 全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置的方法 - Google Patents

全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置锁定重复频率的方法，是将反馈控制信号加载至第二泵浦源来改变第二掺杂光纤的有效折射率，进而改变激光器的光学腔长，即采用全光式的方法锁定激光器的重复频率，避免了机械伸缩式改变激光器几何腔长的锁定方式，锁定精度更高、长期稳定性更好。

Description

全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置的方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置的方法。
背景技术
超短脉冲通过锁模激光器锁模产生，是精密测量、光纤通信的重要载体，有很多应用，如光谱学，激光测距，激光打标、焊接、切割和深雕等。但由于锁模激光器，超短脉冲激光的重复频率不稳定，如何精密锁定超短脉冲的重复频率，不仅在科研领用还是通信领域都有重要的现实意义。所以需要进一步的研究高精度锁定重复频率。
频域精密控制采用简单易行的方法，就可精确控制相邻超短脉冲的时间间隔，即锁定锁模激光器的重复频率，所以如何实现频域精密控制是超快激光领域的重要研究方向。
现阶段，激光器重复频率的锁定时主要采用的是通过时频域调制压电陶瓷进行锁定，即将光纤或者光学镜片固定于压电陶瓷之上。通过压电陶瓷的电致伸缩的机械方法控制激光谐振腔的几何腔长，从而控制激光器的重复频率。然而，利用压电陶瓷改变激光器重复频率的方案中也明显存在一些缺点：比如需要高操作电压、环境扰动比较敏感，长期稳定差等等。
发明内容
本发明是为解决上述问题而提出的，提出了一种全光式锁定重复频率的激光装置及其方法，来实现对光纤激光器重复频率长时间高精度的锁定。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供了一种全光式锁定重复频率的激光装置，用于锁模激光器产生的超短脉冲的重复频率的锁定，其特征在于，包括：激光锁模单元，用于激光锁模，产生超短脉冲激光，包括通过普通光纤顺序连接的锁模器件、第一波分复用器、第一掺杂光纤、第二波分复用器、第二掺杂光纤、耦合器、光纤光栅，及与第一波分复用器的输出端连接引入的第一泵浦源，第一泵浦源输出的光为第一泵浦光，通过第一波分复用器的输出端引入到锁模激光单元，并传递给予第一波分复用器输出端连接的第一掺杂光纤，锁模器件、光纤光栅之间为激光锁模单元的谐振腔，锁模器件与透射端之间的实际距离为激光锁模单元的几何腔长，第一泵浦光作为泵浦光源的激光在谐振腔中走过的光程为激光锁模单元的光学腔长，第一波分复用器、第二波分复用器用于提供不同波长激光相互耦合的光路，第一掺杂光纤与第一波分复用器输入端连接，通过第一波分复用器传输以第一泵浦光作为光源的激光，耦合器为2×2的耦合器，用于将超短脉冲激光分束引出；误差检测单元，用于获得误差信号，包括顺序连接的光电二极管、信号发生器、混频器、标准时钟源，光电二极管与耦合器的输出端连接，用于探测耦合器引出的超短脉冲激光，
信号发生器用于提供标准频率信号；反馈信号单元，用于获得反馈信号，包括低通滤波器、前置放大器，低通滤波器与混频器连接，再与前置放大器连接；驱动单元，包括恒流源电路、第二泵浦源，恒流源电路与前置放大器连接，用于将反馈信号转化为驱动信号，并将驱动信号传递给第二泵浦源，第二泵浦源与第二波分复用器的输入端连接；其中，第一掺杂光纤与第二掺杂光纤的所掺杂的稀土为不同稀土元素，第一掺杂光纤，用作增益介质。
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置，还可以具有这样的特征：其中，锁模器件为半导体可饱和吸收镜、非线性环形镜中的任意一种。
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置，还可以具有这样的特征：其中，光纤光栅为保偏光纤光栅。
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置，还可以具有这样的特征：其中，为稀土物质Nd，Yb，Bi，Tm，Er中的任意一种。
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置，还可以具有这样的特征：其中，标准时钟源为铷钟、氢钟、铯钟中的任意一种。
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置，还可以具有这样的特征：其中，第一掺杂光纤、第二掺杂光纤均为保偏光纤，第一波分复用器、第二波分复用器均为保偏波分复用器，耦合器为保偏耦合器。
本发明提供的采用上述全光式锁定重复频率的激光装置10锁定重复频率的方法，通过调制第二泵浦源，对重复频率进行锁定，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，采用锁模激光单元进行激光锁模，得到超短脉冲激光；步骤二，超短脉冲激光的重复频率信号经光电二极管探测光电转化为电信号；步骤三，通过参考标准时钟源，采用混频器对电信号和标准频率信号进行混频，获得误差信号；步骤四，误差信号再经低通滤波器选择并经前置放大，获得反馈信号，并反馈到驱动单元；步骤五，采用驱动单元对低频误差信号进行处理，作为第二泵浦源的驱动信号；步骤六，驱动信号驱动第二泵浦源得到第二泵浦光；步骤七，采用第二波分复用器将第二泵浦光引入到第二掺杂光纤上，由于第二泵浦光的光强变化改变第二掺杂光纤基态及激发态的粒子布局数，实现对第二掺杂光纤折射率的控制。由于光程为几何长度与相应位置的折射率乘积，所以通过误差信号控制第二泵浦光即可控制激光锁模单元的总光程，即控制了激光锁模单元的光学腔长，便可将激光器的重复频率锁定至标准时钟源，实现重复频率锁定。
发明作用与效果
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置的方法，由于引入调制的第二泵浦源改变第二掺杂光纤来改变全光式激光锁定单元的光学腔长，即采用全光式的方法锁定重复频率，避免了机械改变几何腔长的锁定方式，锁定精度更高、更稳定。
附图说明
图1是本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置结构示意图。图2是本发明提供的采用全光式锁定重复频率装置锁定重复频率的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
图1是本实施例中的全光式锁定重复频率的激光装置结构示意图。
如图1所示，全光式锁定重复频率装置10包括激光锁模单元11、误差检测单元12、反馈信号单元13、驱动单元14。
如图1所示，激光锁模单元11，用于激光锁模，产生超短脉冲激光，包括通过普通光纤顺序连接的锁模器件16(简称SESAM)、第一波分复用器(简称WDM1)30、第一掺杂光纤17(简称F1)、第二波分复用器18(简称WDM2)、第二掺杂光纤19(简称F2)、耦合器20(简称CD)、光纤光栅21(简称FBG)，及与第一波分复用器30输出端连接引入的第一泵浦源15(简称LD1)。
第一泵浦源15输出的光为第一泵浦光，通过第一波分复用器30的输出端引入激光锁模单元11。
锁模器件16、光纤光栅21之间为激光锁模单元11的谐振腔，锁模器件16与光纤光栅21之间的实际距离为激光锁模单元11的几何腔长，第一泵浦光作为泵浦源的激光在谐振腔中走过的光程为激光锁模单元11的光学腔长。
第一波分复用器30、第二波分复用器18用于不同波长激光相互耦合的光路。
耦合器20用于将超短脉冲激光分束引出激光锁模单元11。
如图1所示，误差检测单元12，用于获得误差信号，包括顺序连接的光电二极管22(简称D)、信号发生器(简称RF)23、混频器(简称MIX)24、标准时钟源25。
光电二极管22与耦合器20的输出端连接，探测耦合器20引出的超短脉冲激光。
信号发生器23参考锁模激光单元11振荡频率提供标准频率信号。
如图1所示，反馈单元13，用于获得反馈信号，包括低通滤器26(简称LP)、前置放大器27(简称AM)，低通滤器26(简称LP)与混频器24(简称MIX)连接，再与前置放大器27(简称AM)连接。
如图1所示，驱动单元14，包括恒流源电路28、第二泵浦源(简称LD2)29，恒流源电路28与前置放大器27连接，用于将反馈信号转化为驱动信号，并将驱动信号传递给第二泵浦源27，第二泵浦源27与第二波分复用器18输入端连接，将第二泵浦源27的第二泵浦光引入激光锁模单元11。
本实施例中锁模器件16选用半导体可饱和吸收镜，第一波分复用器30和第一波分复用器18采用保偏波分复用器，耦合器20选用2×2保偏耦合器，光纤光栅21选用保偏光纤光栅，标准时钟源25采用为铷钟。
本实施例中，第一掺杂保偏光纤(F1)17掺杂元素为Nd，作为增益介质，第二掺杂保偏光纤(F2)掺杂元素为Yd，第一泵浦光为960nm波长的光。
图2是本实施例中的采用全光式锁定重复频率装置锁定重复频率的工作流程图。
如图2所示，应用上述全光式锁定重复频率的激光装置锁定重复频率的方法，实现步骤如下：
第一步S1，激光锁模，第一泵浦源15输出960nm的第一泵浦光作为锁模单元的光源，通过第一波分复用器30引入，在谐振腔之间来回振荡，期间通过锁模器件16吸收选择到一定相位，一定相位的激光在第一掺杂光纤17增益作用下加强，得到一定重复频率的超短脉冲激光；
第二步S2，探测转化重复频率信号，S1得到的重复频率信号，通过耦合器20输出端引出激光锁模单元11，经与耦合器20输出端连接的光电二极管22探测重复频率，并转化为在电信号；
第三步S3，获得误差信号，信号发生器产生与重复频率接近的标准频率信号，通过参考标准时钟源，将标准频率信号与S2得到的电信号输入混频器24中进行混频，获得误差信号；
第四步S4，获得反馈信号，由于激光锁模单元的谐振腔不稳定，S1得到的重复频率会发生微小的偏移，根据不同的偏移，得到的误差信号也就有微小的波动，所以S3得到的误差信号需经低通滤波器26选择并经前置放大器27放大，获得改变激光锁模单元11的谐振腔光学腔长所需要的低频误差信号作为反馈信号，并反馈到驱动单元14；
第五步S5，获得驱动信号，采用恒流源电路28对反馈信号进行处理，作为第二泵浦源29的驱动信号；
第六步S6，获得第二泵浦光，S5得到的驱动信号驱动第二泵浦源29得到第二泵浦光，同样的，第二泵浦光的光强随着反馈信号的微小改变而改变，这个改变也是微小的，接近第一泵浦光的光强；
第七步S7，锁定重复频率，采用第二波分复用器18将第二泵浦光引入到第二掺杂光纤19上，由于第二泵浦光是由上述步骤调制的，所以当通过第二掺杂光纤19后，由于第二泵浦光的光强变化改变第二掺杂光纤基态及激发态的粒子布局数，实现对第二掺杂光纤的折射率的控制。由于光程为几何长度与相应位置的折射率乘积，所以通过误差信号控制第二泵浦光即可控制激光锁模单元的总光程，即控制了激光锁模单元的光学腔长，便可将激光器的重复频率锁定至标准时钟源，实现重复频率的精密锁定。
作为本实施例的一种变形，上述的锁模器件16还可以为非线性环形镜、法拉第反射镜双通结构中的任意一种，标准时钟源还可以为为铷钟、氢钟、铯钟中的任意一种，掺杂稀土可以为Nd，Yb，Bi，Tm，Er中的任意一种。
实施例作用与效果
本发明提供的全光式锁定重复频率的激光装置及应用该装置的方法，锁模单元为全光式，由于其体积小，重量轻，能效高，偏振对比度高，以及性能稳定可靠，产生的重复频率相对稳定，变化微小，而采用微小变化的误差信号进行全光式的锁定重复频率，即通过调制泵浦光来改变第二掺杂光纤的折射率，继而控制激光器谐振腔的有效光学长度，最终实现对激光器重复频率的微调，就能实现对激光器重复频率的精确控制。
尽管上面对本发明说明书的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种全光式锁定重复频率的激光装置，用于锁模激光器产生的超短脉冲的重复频率的锁定，其特征在于，包括：
激光锁模单元，用于激光锁模，产生超短脉冲激光，包括通过普通光纤顺序连接的锁模器件、第一波分复用器、第一掺杂光纤、第二波分复用器、第二掺杂光纤、耦合器、光纤光栅，及与所述第一波分复用器输出端连接引入的第一泵浦源，
所述第一泵浦源输出的光为第一泵浦光，通过所述第一波分复用器的输出端引入到所述锁模激光单元，并传递给予所述第一波分复用器输出端连接的第一掺杂光纤，
所述锁模器件、所述光纤光栅之间为所述激光锁模单元的谐振腔，所述锁模器件与所述透射端之间的实际距离为所述激光锁模单元的几何腔长，所述第一泵浦光作为泵浦光源的激光在所述谐振腔中走过的光程为所述激光锁模单元的光学腔长，
所述第一波分复用器、第二波分复用器用于提供不同波长激光相互耦合的光路，
所述第一掺杂光纤与所述第一波分复用器输入端连接，通过所述第一波分复用器传输以第一泵浦光作为光源的激光，
所述耦合器为2×2的耦合器，用于将所述超短脉冲激光分束引出；
误差检测单元，用于获得误差信号，包括顺序连接的光电二极管、信号发生器、混频器、标准时钟源，
所述光电二极管与所述耦合器的输出端连接，用于探测所述耦合器引出的所述超短脉冲激光，
所述信号发生器用于提供标准频率信号；
反馈信号单元，用于获得反馈信号，包括低通滤波器、前置放大器，所述低通滤波器与所述混频器连接，再与所述前置放大器连接；
驱动单元，包括恒流源电路、第二泵浦源，所述恒流源电路与所述前置放大器连接，用于将反馈信号转化为驱动信号，并将所述驱动信号传递给第二泵浦源，所述第二泵浦源与所述第二波分复用器的输入端连接；
其中，
所述第一掺杂光纤与第二掺杂光纤的所掺杂的稀土为不同稀土元素，
所述第一掺杂光纤，用作增益介质。
2.根据权利要求1所述的全光式锁定重复频率的激光装置，其特征在于：
其中，所述锁模器件为半导体可饱和吸收镜、非线性环形镜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的全光式锁定重复频率的激光装置，其特征在于：
其中，所述光纤光栅为保偏光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的全光式锁定重复频率的激光装置，其特征在于：
其中，所述为稀土物质Nd，Yb，Bi，Tm，Er中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的全光式锁定重复频率的激光装置，其特征在于：
其中，所述标准时钟源为铷钟、氢钟、铯钟中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的全光式锁定重复频率的激光装置，其特征在于：
其中，所述第一掺杂光纤、第二掺杂光纤均为保偏光纤，所述第一波分复用器、第二波分复用器均为保偏波分复用器，所述耦合器为保偏耦合器。
7.根据权利要求1-6所述的任一种全光式锁定重复频率的激光装置进行重复频率锁定的方法，通过调制所述第二泵浦源，对所述重复频率进行锁定，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用所述锁模激光单元进行激光锁模，得到超短脉冲激光；
步骤二，所述超短脉冲激光的重复频率信号经所述光电二极管探测光电转化为电信号；
步骤三，通过参考标准时钟源，采用所述混频器对所述电信号和所述标准频率信号进行混频，获得误差信号；
步骤四，所述误差信号再经所述低通滤波器选择并经所述前置放大，获得所述反馈信号，并反馈到驱动单元；
步骤五，采用所述驱动单元对所述低频误差信号进行处理，作为第二泵浦源的驱动信号；
步骤六，所述驱动信号驱动第二泵浦源得到第二泵浦光；
步骤七，采用所述第二波分复用器将所述第二泵浦光引入到所述第二掺杂光纤上，由于所述第二泵浦光的光强变化改变所述第二掺杂光纤基态及激发态的粒子布局数，实现对所述第二掺杂光纤折射率的控制。由于所述光程为几何长度与相应位置的折射率乘积，所以通过所述误差信号控制所述第二泵浦光即可控制所述激光锁模单元的总光程，即控制了所述激光锁模单元的光学腔长，便可将激光器的重复频率锁定至标准时钟源，实现所述重复频率锁定。
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