CN106451059A - 激光器单模稳定性控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光器单模稳定性控制装置及方法，包括激光器、光电探测器、检波器和控制电路，其中光电探测器用于探测激光器产生的激光信号，并对激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号；检波器用于测量出拍频信号的功率大小，并将与拍频信号功率大小对应的电平信号传输给控制电路；控制电路用于根据电平信号对激光器的驱动电流进行调节，直至电平信号达到预设阈值范围。通过本发明，可以保证激光器始终工作在较好的单模状态下，抑制边模并消除双模共存和跳模现象，从而可以提高激光器单模工作的稳定性。

Description

激光器单模稳定性控制装置及方法
技术领域
本发明属于激光器控制领域，具体涉及一种激光器单模稳定性控制装置及方法。
背景技术
外腔型窄线宽激光器具有很窄的光谱线宽，是一种高相干性光源，由于这种激光器的相位噪声小、单频性好，因此在相干光通信、光纤传感、激光雷达、遥感、光学计量等领域都有重要应用。
外腔型窄线宽激光器由产生能够产生光增益的芯片(或介质)和具有波长选择特性的外腔反射器构成，两者共同构成一个谐振腔。激光器在工作时，理论上存在多个腔体模式，但只有离外腔反射器的反射峰最近的模式因阈值增益最小而被激发，其它的模式均被抑制。当腔体模式与反射谱的相对位置如图1(a)中所示时，只有一个模式最靠近反射峰的位置，显然只有最中间的一个模式会被激射，图1(b)是这种情况下激光器的激射光谱。然而，让当腔体模式与反射谱的相对位置如图2(a)中所示时，就会有两模式都靠近反射峰的位置，此时会出现双模激射和跳模现象，图2(b)是这种情况下激光器的激射光谱。
虽然厂家在对外腔窄线宽激光器产品进行封装之前，已经完成了对单模工作模式的调试，但是激光器受到长期使用过程中环境高低温变化、振动、以及增益芯片在工作寿命中的参数退化等因素的影响，很难保证激光器不会出现双模激射的工作状态和跳模现象。因此，目前激光器的单模稳定性较差。
发明内容
本发明提供一种激光器单模稳定性控制装置及方法，以解决目前激光器单模稳定性较差的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种激光器单模稳定性控制装置，包括激光器、光电探测器、检波器和控制电路，其中所述光电探测器用于探测所述激光器产生的激光信号，并对所述激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号；所述检波器用于测量出所述拍频信号的功率大小，并将与所述拍频信号功率大小对应的电平信号传输给所述控制电路；所述控制电路用于根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节，直至所述电平信号达到预设阈值范围。
在一种可选的实现方式中，所述控制电路还用于判断所述电平信号是否在所述预设阈值范围内，若否，则根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节。
在另一种可选的实现方式中，所述装置还包括分光器，所述分光器用于将所述激光器产生的激光信号进行分光处理，将分光后的部分激光信号传输给所述光电探测器，部分激光信号作为所述激光器的输出。
在另一种可选的实现方式中，所述装置还包括放大器，所述放大器用于对所述拍频信号进行放大，并将放大后的拍频信号传输给所述检波器。
在另一种可选的实现方式中，所述光电探测器设置在所述激光器的腔体内。
在另一种可选的实现方式中，所述光电探测器为高速光电探测器，所述拍频信号为高频拍频信号。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种激光器单模稳定性控制方法，包括：
探测激光器产生的激光信号；
对所述激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号；
测量出所述拍频信号的功率大小；
确定与所述拍频信号功率大小对应的电平信号；
根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节，直至所述电平信号达到预设阈值范围。
在一种可选的实现方式中，在根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节之前，所述方法还包括：判断所述电平信号是否在所述预设阈值范围内；
所述根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节包括：若所述电平信号不在所述预设阈值范围内，则根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节。
在另一种可选的实现方式中，在探测激光器产生的激光信号之前，所述方法还包括：对所述激光器产生的激光信号进行分光处理；
所述探测激光器产生的激光信号包括：探测激光器产生的分光处理后的激光信号。
在另一种可选的实现方式中，在测量出所述拍频信号的功率大小之前，所述方法还包括：对所述拍频信号进行放大处理。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对激光器产生的激光信号的主模和边模进行拍频，生成拍频信号，并基于拍频信号功率大小来对激光器的驱动电流进行循环调节，可以保证激光器始终工作在较好的单模状态下，抑制边模并消除双模共存和跳模现象，从而可以提高激光器单模工作的稳定性；
2、本发明通过在确定电平信号在预设阈值范围内后，就结束控制流程，不再对驱动电流做进一步调节，可以减少各次控制所需时间，提高单位时间内的循环控制次数，从而可以提高单模稳定性的控制精确度；
3、本发明通过对激光器产生的激光信号进行分光处理，只采用部分激光信号用作单模稳定性控制所需，部分激光信号作为激光器的输出，可以保证在激光器的单模稳定性控制过程不会影响激光器的正常使用，实现激光器单模稳定性的实时控制；
4、本发明通过对拍频信号进行放大处理，有利于拍频信号的检测，从而便于进行单模稳定性控制；
5、本发明通过使光电探测器设置在激光器的腔体内，可以进一步简化装置结构。
附图说明
图1是激光器单模激射时的模式分布和光谱的一个实施例示意图；
图2是激光器双模激射时的模式分布和光谱的一个实施例示意图；
图3是本发明激光器单模稳定性控制装置的一个实施例电路示意图；
图4是本发明激光器单模稳定性控制装置的另一个实施例电路示意图；
图5是本发明激光器单模稳定性控制方法的一个实施例流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图3，为本发明激光器单模稳定性控制装置的一个实施例电路示意图。该激光器单模稳定性控制装置可以包括激光器1、光电探测器2、检波器3和控制电路4，其中所述光电探测器2用于探测所述激光器1产生的激光信号，并对激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号；所述检波器3用于测量出所述拍频信号的功率大小，并将与所述拍频信号功率大小对应的电平信号传输给所述控制电路4；所述控制电路4用于根据所述电平信号对所述激光器1的驱动电流进行调节，直至所述电平信号达到预设阈值范围。
本实施例中，检波器3可以预先在本地建立功率大小与电平信号对应关系列表，并且控制电路4可以预先在本地存储电平信号与驱动电流对应关系列表以及电平信号的预设阈值范围。其中，在建立功率大小与电平信号对应关系列表时，首先对激光器驱动电流进行调节，从而使激光器在不同驱动电流的作用下模拟产生不同的激光信号。针对激光器在不同驱动电流作用下产生的每个激光信号，当该激光信号存在主模之外的边模时，光电探测器可以对该激光信号的主模和边模进行拍频，生成拍频信号并将拍频信号发送给检波器，由检波器测量出该拍频信号的功率大小(其中边模越强，功率大小越大)，此后再为该功率大小关联一个电平信号，从而可以建立功率大小与电平信号对应关系列表。同时，针对每个测量出的拍频信号的功率大小，在为该功率大小关联一个电平信号后，都可以查看在每个驱动电流下激光器的模式分布和光谱，若相比于主模，边模较弱(诸如主模与边模的强弱比在设定范围内)，则可以确定边模对激光器单模稳定性影响不大，将该电平信号置于预设阈值范围内，若相比于主模，边模较强(诸如主模与边模的强弱比不在设定范围内)，则可以确定边模对激光器单模稳定性影响较大，不将该电平信号置于预设阈值范围内，由此可以形成上述电平信号的预设阈值范围。
针对与功率大小关联的每个电平信号，在确定该电平信号不应置于预设阈值范围后，可以根据激光器激的模式分布和光谱，来对激光器的驱动电流进行调试。若在调试过程中激光器的模式分布和光谱显示相比于主模，边模较弱，则可以确定边模对激光器单模稳定性影响不大，将此时调试采用的驱动电流与该电平信号相关联，从而形成电平信号与驱动电流对应关系列表。
在使用时，光电探测器2在探测到激光器1产生的激光信号后，可以对激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号，并将该拍频信号发送给检波器3；检波器3在测量出拍频信号的功率大小后，可以首先从功率大小与电平信号对应关系列表中查找出与该功率值对应的电平信号，并将该电平信号传输给控制电路4。控制电路4在接收到电平信号后，首先判断该电平信号是否在预设阈值范围内，若是，则不执行控制操作，否则，从电平信号与驱动电流的对应关系列表中查找出与该电平信号对应的驱动电流，然后将该驱动电流提供给激光器1。
另外，控制电路4中也可以采用预设的规则来替代其预先存储的电平信号与驱动电流对应关系列表。这样，在使用时，光电探测器2在探测到激光器1产生的激光信号后，可以对激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号，并将该拍频信号发送给检波器3；检波器3在测量出拍频信号的功率大小后，可以首先从功率大小与电平信号对应关系列表中查找出与该功率值对应的电平信号，并将该电平信号传输给控制电路4。控制电路4在接收到电平信号后，可以首先按照预设的规则对驱动电流进行逐级调节，并将调节后的驱动电流提供给激光器1。激光器1在接收到调节后的驱动电流后，按照上述相同的步骤得到拍频信号、拍频信号的功率大小以及与该功率大小对应的电平信号，此时再次判断电平信号是否在预设阈值范围内，若是，则结束流程，否则，重复执行上述步骤。需要注意的是：上述光电探测器2可以为高速光电探测器，并且光电探测器2在对激光信号中的主模和边模进行拍频后，生成的为高频的拍频信号。
由上述实施例可见，本发明通过对激光器产生的激光信号的主模和边模进行拍频，生成拍频信号，并基于拍频信号的功率大小来对激光器的驱动电流进行循环调节，可以保证激光器始终工作在较好的单模状态下，抑制边模并消除双模共存和跳模现象，从而可以提高激光器单模工作的稳定性。此外，本发明通过在确定电平信号在预设阈值范围内后，就结束控制流程，不再对驱动电流做进一步调节，可以减少各次控制所需时间，提高单位时间内的循环控制次数，从而可以提高单模稳定性的控制精确度。本发明通过按照预设的规则逐级对驱动电流进行循环调节，可以避免激光器在长期使用过程中驱动电流对激光器驱动所达到的效果发生变化，从而可以提高单模稳定性的控制准确度。
为了保证激光器的单模稳定性控制过程不会影响激光器的正常使用，实现激光器单模稳定性的实时控制，在上述实施例的基础上，该激光器单模稳定性控制装置还可以增加分光器5，如图4所示，该分光器5用于将所述激光器1产生的激光信号进行分光处理，将分光后的部分激光信号传输给所述光电探测器2，部分激光信号作为激光器1的输出。例如，分光器可以将10％的小部分激光信号传输给光电探测器2，90％的大部分激光信号作为激光器1的输出。另外，当激光器1的输出光功率很小时，主模与边模拍频所产生的拍频信号会较弱，因此该激光器单模稳定性控制装置还可以增加放大器，所述放大器可以用于对所述拍频信号进行放大，并将放大后的拍频信号传输给所述检波器。其中，该放大器可以设置在光电探测器2与检波器3之间，也可以采用集成有放大功能的光电探测器(诸如光电探测器)或者检波器。本发明通过设置放大器，有利于拍频信号的检测，从而便于进行单模稳定性控制。为了进一步简化装置，该光电探测器(诸如其中的探测电路)可以设置在激光器1的腔体内。
参见图5，为本发明激光器单模稳定性控制方法的一个实施例流程图。该单模稳定性控制方法可以包括以下步骤：
步骤S501、探测激光器产生的激光信号。
本实施例中，在探测激光器产生的激光信号之前，所述方法还包括：对所述激光器产生的激光信号进行分光处理。此后，探测激光器产生的分光处理后的激光信号。本发明通过对激光器产生的激光信号进行分光处理，只采用部分激光信号用作单模稳定性控制所需，部分激光信号作为激光器的输出，可以保证在激光器的单模稳定性控制过程不会影响激光器的正常使用。
步骤S502、对所述激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号。
步骤S503、测量出所述拍频信号的功率大小。
本实施例中，在测量出所述拍频信号的功率大小之前，所述方法还包括：对所述拍频信号进行放大处理。本发明通过对拍频信号进行放大处理，有利于拍频信号的检测，从而便于进行单模稳定性控制。
步骤S504、确定与所述拍频信号功率大小对应的电平信号。
步骤S505、根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节，直至所述电平信号达到预设阈值范围。
本实施例中，在根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节之前，所述方法还包括：判断所述电平信号是否在所述预设阈值范围内。若所述电平信号不在所述预设阈值范围内，则根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节。本发明通过在确定电平信号在预设阈值范围内后，就结束控制流程，不再对驱动电流做进一步调节，可以减少各次控制所需时间，提高单位时间内的循环控制次数，从而可以提高单模稳定性的控制精确度。
由上述实施例可见，本发明通过对激光器产生的激光信号的主模和边模进行拍频，生成拍频信号，并基于拍频信号功率大小来对激光器的驱动电流进行循环调节，可以保证激光器始终工作在较好的单模状态下，抑制边模并消除双模共存和跳模现象，从而可以提高激光器单模工作的稳定性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种激光器单模稳定性控制装置，其特征在于，包括激光器、光电探测器、检波器和控制电路，其中所述光电探测器用于探测所述激光器产生的激光信号，并对所述激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号；所述检波器用于测量出所述拍频信号的功率大小，并将与所述拍频信号功率大小对应的电平信号传输给所述控制电路；所述控制电路用于根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节，直至所述电平信号达到预设阈值范围。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路还用于判断所述电平信号是否在所述预设阈值范围内，若否，则根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分光器，所述分光器用于将所述激光器产生的激光信号进行分光处理，将分光后的部分激光信号传输给所述光电探测器，部分激光信号作为所述激光器的输出。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括放大器，所述放大器用于对所述拍频信号进行放大，并将放大后的拍频信号传输给所述检波器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器设置在所述激光器的腔体内。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器为高速光电探测器，所述拍频信号为高频拍频信号。
7.一种激光器单模稳定性控制方法，其特征在于，包括：
探测激光器产生的激光信号；
对所述激光信号中的主模和边模进行拍频，生成拍频信号；
测量出所述拍频信号的功率大小；
确定与所述拍频信号功率大小对应的电平信号；
根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节，直至所述电平信号达到预设阈值范围。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节之前，所述方法还包括：判断所述电平信号是否在所述预设阈值范围内；
所述根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节包括：若所述电平信号不在所述预设阈值范围内，则根据所述电平信号对所述激光器的驱动电流进行调节。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在探测激光器产生的激光信号之前，所述方法还包括：对所述激光器产生的激光信号进行分光处理；
所述探测激光器产生的激光信号包括：探测激光器产生的分光处理后的激光信号。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在测量出所述拍频信号的功率大小之前，所述方法还包括：对所述拍频信号进行放大处理。
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