CN106329303B - 一种自动锁模光纤激光器及其应用 - Google Patents

一种自动锁模光纤激光器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及本发明涉及一种自动锁模光纤激光器及其应用。该激光器包括光纤激光器和自动锁模控制模块；所述的光纤激光器包括泵浦源和谐振腔；所述谐振腔包括沿光路依次设置的泵浦光耦合器、增益光纤、第一偏振控制器、偏振分束器、滤波器、偏振隔离器和第二偏振控制器；所述自动锁模控制模块包括光探测器和微控制器；所述滤波器通过光探测器与微控制器连接。

Description

一种自动锁模光纤激光器及其应用
技术领域
本发明涉及一种自动锁模光纤激光器及其应用，属于光纤激光器自动锁模控制的技术领域。
背景技术
光纤激光器具有体积更小、散热能量更强、热管理更加方便、可靠性和稳定性更高等优点，从而得到了广泛的研究和发展，并在超连续谱产生、工业加工、通信等领域有着重要的作用。近年来，被动锁模光纤激光器的脉冲能量持续不断的提高，已经能够与固体激光器相媲美。
被动锁模光纤激光器的脉冲形成机制也从传统的孤子脉冲发展到色散管理孤子、自相似脉冲和耗散孤子。其中耗散孤子具有高的脉冲能量，大的脉冲啁啾，宽的脉冲宽度，而全正色散光纤激光器正是产生耗散孤子的最常用的腔结构，它不需要进行色散补偿，从而降低了调试难度，提高了激光器的稳定性。
一般地，被动锁模光纤激光器的锁模方式有以下几种：可饱和吸收体锁模，非线性偏振旋转锁模、非线性光学环形镜锁模和非线性放大环形镜锁模。其中非线性偏振旋转锁模具有响应速度快、波长不敏感和损伤阈值高的特点，得到了广泛的应用。
由于非线性偏振旋转锁模对腔内任意一点的相位起伏都很敏感，使得使用该锁模方式的光纤激光器对于外界环境的变化非常敏感，如温度变化、光纤应力等都有可能使激光器丢失锁模状态，甚至当激光器在锁模状态下关机再重新开机就可能得不到锁模状态，即激光器无法自启动。传统的方法是手动调节激光器中的偏振控制器，利用昂贵的测量仪器判断激光器的工作状态并使之再次回到锁模状态。
目前已报道了多种光纤激光器自动锁模的方法，2009年Jian Liu通过判断直流信号、高频信号和弛豫信号来判断激光器是否处于锁模状态(Jian Liu,US Patent 7,477,665,2009)。 2012年Xuling Shen等人利用高速计数电路对输出激光脉冲进行计数，从而判断是否处于锁模状态(Xuling Shen et al,Optics Letters.37,3426-3428,2012)。2013年Daba Radnatarov 等人利用输出激光的RF谱，通过判断信噪比来判断是否处于锁模状态，但是需要RF谱仪的辅助(Daba Radnatarov et al,Optics Express 21,20626-20631,2013)。2013年张志刚等人通过光探测器检测输出光的信号跳变来检测是否处于锁模状态(张志刚,CN 203150898U, 2013)。2014年刘博文等人利用光探测器和光谱仪判断激光器是否处于锁模状态(刘博文等， CN 104242022A，2014)。2015年Michel Olivier等人根据锁模瞬间输出激光的偏振态会有跳变，通过检测该跳变来判断是否处于锁模状态，但前提条件是初始状态必须是非锁模状态 (Michel Olivier,Optics Express 23,6738-6746,2015)。
上述自动锁模方法要么使用了昂贵的仪器设备，要么有一定的限制条件，都无法满足简便、廉价、小型化的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种自动锁模光纤激光器。
本发明还提供一种上述自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法。
本发明的技术方案为：
一种自动锁模光纤激光器，包括光纤激光器和自动锁模控制模块；所述的光纤激光器包括泵浦源和谐振腔；所述谐振腔包括沿光路依次设置的泵浦光耦合器、增益光纤、第一偏振控制器、偏振分束器、滤波器、偏振隔离器和第二偏振控制器；所述自动锁模控制模块包括光探测器和微控制器；所述滤波器通过光探测器与微控制器连接。所述光探测器用于探测滤波器处输出的激光，所述微控制器对光探测器的信号进行计数和电平检测从而判断激光器当前的工作状态，同时根据光纤激光器的当前状态自动调节偏振控制器从而得到自动锁模的功能。
优选的，所述泵浦源为多模光纤半导体激光器、单模光纤半导体激光器或光纤激光器。
优选的，所述泵浦光耦合器为光纤结构的泵浦合束器、空间结构的泵浦合束器、光纤结构的波分复用器或空间结构的波分复用器。
优选的，所述增益光纤为掺Yb3+、Er3+、Tm3+或Ho3+激活离子的光纤。
优选的，所述增益光纤为单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
优选的，第一偏振控制器和第二偏振控制器为电机驱动波片型偏振控制器、磁光偏振控制器、液晶偏振控制器或电控波导型偏振控制器。
优选的，所述的光探测器为光电二极管、光电三极管、光电池或光敏电阻。
优选的，所述微控制器为计算机、单片机、DSP或FPGA/CPLD。
一种上述自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，包括步骤如下：
1)所述的泵浦源输出一定强度的泵浦光，使所述的谐振腔超过锁模的阈值；谐振腔的锁模阈值根据所用器件及结构的不同而不同。
2)所述的滤波器将通带范围外的激光输出到谐振腔外；所述的光探测器接收滤波器输出的激光，并转换成电信号，输入到微控制器；
3)所述微控制器对光探测器转换得到的电信号进行计数和电平判断，得到激光器当前的工作状态；当计数值为零、电平为高电平时，激光器处于锁模状态；当计数值为零、电平为低电平时，激光器处于连续光状态；当计数值大于零时，激光器处于过渡态。
优选的，当激光器处于锁模状态时，所述的微控制器使第一偏振控制器和第二偏振控制器保持不动，并发出“已获得锁模状态”的信号；当所述的激光器处于连续光状态或过渡态时，所述的微控制器自动调整第一偏振控制器和第二偏振控制器，直到找到锁模状态。
优选的，当激光器处于连续光状态时，第一偏振控制器和第二偏振控制器的调整步长增大，快速找到过渡态或锁模状态；当激光器处于过渡态时，第一偏振控制器和第二偏振控制器的调整步长减小，对激光器的状态进行精细调整，避免跳过锁模范围。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述光纤激光器自动锁模控制方法，简单高效且易于实施，不需要昂贵的测量仪器，仅通过对光探测器的信号进行计数和电平检测即可判断出激光器的当前工作状态；
2.本发明所述微控制器可以自动根据当前工作状态调节偏振控制器达到锁模脉冲输出，不需要人工手动调节；
3.本发明所述光纤激光器自动锁模控制方法，可以实现科研或工业应用中无人值守情况下光纤激光器的自动启动锁模运转，提高了工作效率和激光器的可靠性。
附图说明
图1为本发明所述自动锁模光纤激光器的结构示意图；
图2为实施例9所述自动锁模光纤激光器的结构示意图；
图3为双折射滤光片的透射谱T(λ)和一级反射谱R(λ)；
图4为光电二极管I和光电二极管II在光纤激光器连续光和锁模状态时输出的电信号；；
图5为光电二极管I和光电二极管II在光纤激光器过渡态时输出的电信号；
其中，1、泵浦源；2、泵浦光耦合器；3、增益光纤；4、第二 偏振控制器；5、偏振隔离器；6、滤波器；7、偏振分束器；8、光探测器；9、微控制器；10、第一 偏振控制器；80、光电二极管I；81、光电二极管II。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1所示。
一种自动锁模光纤激光器，包括光纤激光器和自动锁模控制模块；所述的光纤激光器包括泵浦源1和谐振腔；所述谐振腔包括沿光路依次设置的泵浦光耦合器2、增益光纤3、第一偏振控制器10 、偏振分束器7、滤波器6、偏振隔离器5和第二偏振控制器4 ；所述自动锁模控制模块包括光探测器8和微控制器9；所述滤波器6通过光探测器8与微控制器9连接。所述光探测器8用于探测滤波器6处输出的激光，所述微控制器9对光探测器8的信号进行计数和电平检测从而判断激光器当前的工作状态，同时根据光纤激光器的当前状态自动调节偏振控制器从而得到自动锁模的功能。
实施例2
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述泵浦源1为多模光纤半导体激光器。
实施例3
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述泵浦光耦合器2为光纤结构的泵浦合束器。
实施例4
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述增益光纤3为掺Yb3+激活离子的光纤。
实施例5
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述增益光纤3为单模光纤。
实施例6
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，第一偏振控制器10 和第二偏振控制器4 为电机驱动波片型偏振控制器。
实施例7
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述的光探测器8为光电二极管。
实施例8
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述微控制器9为单片机。
实施例9
如图2所示。
如实施例1所述的自动锁模光纤激光器，所不同的是，所述泵浦源1为多模光纤半导体激光器；所述增益光纤3为掺镱光纤；第一偏振控制器10 和第二偏振控制器4 为电机驱动波片型偏振控制器；所述滤波器为双折射滤波器；微控制器为单片机；
实施例10
一种实施例1-9所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，包括步骤如下：
1)所述的泵浦源1输出一定强度的泵浦光，使所述的谐振腔超过锁模的阈值；谐振腔的锁模阈值根据所用器件及结构的不同而不同。
2)所述的滤波器6将通带范围外的激光输出到谐振腔外；所述的光探测器8接收滤波器 6输出的激光，并转换成电信号，输入到微控制器9；
3)所述的微控制器9对光探测器8转换得到的电信号进行计数和电平判断，得到激光器当前的工作状态；当计数值为零、电平为高电平时，激光器处于锁模状态；当计数值为零、电平为低电平时，激光器处于连续光状态；当计数值大于零时，激光器处于过渡态。
实施例11
如实施例10所述的自动锁模控制方法，所不同的是，当激光器处于锁模状态时，所述的微控制器9使第一偏振控制器10 和第二偏振控制器4 保持不动，并向工作人员发出“已获得锁模状态”的信号；当所述的激光器处于连续光状态或过渡态时，所述的微控制器9自动调整第一偏振控制器10 和第二偏振控制器4 ，直到找到锁模状态；光探测器为光电二极管I80。偏振分束器连接有光电二极管II81，用于验证自动锁模控制方法的有效性。
实施例12
如实施例10所述的自动锁模控制方法，所不同的是，当激光器处于连续光状态时，第一偏振控制器10 和第二偏振控制器4 的调整步长增大，快速找到过渡态或锁模状态；当激光器处于过渡态时，第一偏振控制器10 和第二偏振控制器4 的调整步长减小，对激光器的状态进行精细调整，避免跳过锁模范围。
双折射滤波器的透射谱T(λ)和一级反射光的反射谱R(λ)如图3所示，一级反射谱R(λ)的谷值与透射谱T(λ)的峰值是相对应的，一级反射光在激光器连续光工作模式时功率较小，一级反射光在激光器稳定锁模状态时功率较高，一级反射光在激光器介于连续光和锁模工作状态时功率有很大的波动。
光电二极管I 80用于探测滤波器6的一级反射光，光电二极管II 81用于探测偏振分束器7处输出的激光；如图4所示是光电二极管I 80和光电二极管II 81在激光器处于连续光和锁模状态下得到的电信号；如图5所示是光电二极管I 80和光电二极管II 81在激光器在过渡态时得到的电信号。

Claims (9)

1.一种自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，所述自动锁模光纤激光器，包括光纤激光器和自动锁模控制模块；所述的光纤激光器包括泵浦源和谐振腔；所述谐振腔包括沿光路依次设置的泵浦光耦合器、增益光纤、第一偏振控制器、偏振分束器、滤波器、偏振隔离器和第二偏振控制器；所述自动锁模控制模块包括光探测器和微控制器；所述滤波器通过光探测器与微控制器连接；其特征在于，包括步骤如下：
1)所述的泵浦源输出一定强度的泵浦光，使所述的谐振腔超过锁模的阈值；
2)所述的滤波器将通带范围外的激光输出到谐振腔外；所述的光探测器接收滤波器输出的激光，并转换成电信号，输入到微控制器；
3)所述微控制器对光探测器转换得到的电信号进行计数和电平判断，得到激光器当前的工作状态；当计数值为零、电平为高电平时，激光器处于锁模状态；当计数值为零、电平为低电平时，激光器处于连续光状态；当计数值大于零时，激光器处于过渡态。
2.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，所述泵浦源为多模光纤半导体激光器、单模光纤半导体激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，所述泵浦光耦合器为光纤结构的泵浦合束器、空间结构的泵浦合束器、光纤结构的波分复用器或空间结构的波分复用器。
4.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，所述增益光纤为掺Yb3+、Er3+、Tm3+或Ho3+激活离子的光纤；所述增益光纤为单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
5.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，第一偏振控制器和第二偏振控制器为电机驱动波片型偏振控制器、磁光偏振控制器、液晶偏振控制器或电控波导型偏振控制器。
6.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，所述的光探测器为光电二极管、光电三极管、光电池或光敏电阻。
7.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，所述微控制器为计算机、单片机、DSP或FPGA/CPLD。
8.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，当激光器处于锁模状态时，所述的微控制器使第一偏振控制器和第二偏振控制器保持不动，并发出“已获得锁模状态”的信号；当所述的激光器处于连续光状态或过渡态时，所述的微控制器自动调整第一偏振控制器和第二偏振控制器，直到找到锁模状态。
9.根据权利要求1所述的自动锁模光纤激光器的自动锁模控制方法，其特征在于，当激光器处于连续光状态时，第一偏振控制器和第二偏振控制器的调整步长增大，快速找到过渡态或锁模状态；当激光器处于过渡态时，第一偏振控制器和第二偏振控制器的调整步长减小，对激光器的状态进行精细调整，避免跳过锁模范围。
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