CN107768977B - 一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，包括量子级联激光器、恒温控制装置、高精度电流源、双光束调制系统、光束准直器、光束聚焦器、红外探测器、高精度示波器，计算机。本发明利用脉冲产生光源照射量子级联激光器出射端面产生高速、同相位、同重复频率的输出脉冲；利用脉冲关闭光源照射量子级联激光器出射端面实现高速、同相位、同重复频率的脉冲负调制；进而实现了对量子级联激光器输出脉冲的产生和关闭，且脉冲波形更为光滑。利用脉冲产生光源和脉冲关闭光源的相位延迟，同时利用脉冲产生光源和脉冲关闭光源的功率和重复频率的选择，实现对量子级联激光器脉冲宽度、振幅和重复频率的精确调控。

Description

一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统

技术领域

本发明涉及自由空间红外光通信技术、红外激光光谱技术领域，具体涉及一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统。

背景技术

现有技术中，量子级联激光器作为一种广泛使用的红外相干光源，其具有线宽窄、功率高、可在室温环境下工作等优点。由于中红外激光在大气中的传输损耗低，使得其具有自由空间光通信的应用优势；由于中红外波段覆盖了绝大多数气体分子的指纹光谱区，所以使得是对于痕量气体检测具有巨大的优势。频率调制技术可以调高量子级联激光器的传输带宽和光谱信号的信噪比，为了使调频技术用于高速应用环境中，量子级联激光器一般工作在脉冲模式下，由于电子注入电极等效应的存在，电驱动所产生的激光脉冲上升/下降时间通常较长，且脉冲波形不光滑，优化激光脉冲可以有效的提升信号有效率和信号准确度，使用新的方法来实现对量子级联激光器的脉冲调控和优化是有着重要应用价值的。采用传统的方式对量子级联激光器的脉冲调控和优化虽然已有报道，然而需要考虑到激光器设计、激光调制参数、寄生电容效应、激光器工作参数等因素，这些因素间的关系较为复杂，且在实际应用中没有获得较好的效果，大大限制了红外激光光谱技术和自由空间红外光通讯技术的发展。

发明内容

本发明解决了现有技术存在的电驱动量子级联激光器上升/下降时间较长、脉冲波形不够平滑、激光参数控制不够精确问题，提供一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，其应用时可以使电驱动量子级联激光器的脉冲波形更平滑、激光参数控制更加精确。

本发明通过以下技术方案实现:

一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，包括量子级联激光器、恒温控制装置、高精度电流源、双光束调制系统、光束准直器、光束聚焦器、红外探测器、高精度示波器、计算机，其中：

所述量子级联激光器，用于产生中红外至太赫兹波段的光；

所述恒温控制装置，用于为量子级联激光器提供一个恒定温度的工作环境，使量子级联激光器的稳定工作；

所述高精度电流源，用于向量子级联激光器提供直流电流，其电流大小与量子级联激光器的阈值电流相等，量子级联激光器在直流电流驱动下并不发光；

所述双光束调制系统：用于对量子级联激光器输出的光进行两种脉冲调制，其中一束增大振幅调制，另一束减小振幅调制，并且使得量子级联激光器在这两束光调制下产生和关闭脉冲输出；

所述光束准直器，对量子级联激光器输出的光波进行准直调节，使输出光为平行准直光束；

所述光束聚焦器，对被准直后的光束进行收集，并使其聚焦在红外探测器的探测面上；

所述红外探测器，将所探测到的光信号转化为电信号传递给高精度示波器，由高精度示波器实现信号的显示，并通过计算机对数据进行分析、存储。

目前采用传统的方式对量子级联激光器的脉冲调控和优化虽然已有报道，然而需要考虑到激光器设计、激光调制参数、寄生电容效应、激光器工作参数等因素，这些因素间的关系较为复杂，且在实际应用中没有获得较好的效果，大大限制了红外激光光谱技术和自由空间光通讯技术的发展。所以本发明提供一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，本发明的量子级联激光器可以是法布里-泊罗型量子级联激光器，也可以是分布反馈型量子级联激光器，通过高精度电流源向量子级联激光器提供直流电流脉，其电流大小与量子级联激光器的阈值电流相等，但量子级联激光器工作在直流驱动下并不工作；通过恒温装置为量子级联激光器提供一个恒定温度的工作环境，保证量子级联激光器的稳定工作；通过双光束调制系统对量子级联激光器进行调制，使得量子级联激光器输出光脉冲的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，且通过对量子级联激光器的振幅抑制，实现对量子级联激光器输出光脉冲关闭，通过调控双光束的相位延迟时间、重复频率和振幅实现对量子级联激光器脉冲的脉宽、频率调制、以及振幅的精确调控。量子级联激光器输出的脉冲光光波经过光束准直器和光束聚焦器后，聚焦在红外探测器的探测面上，红外探测器将所探测到的光信号转化成为电信号传递给高精度示波器，由高精度示波器实现信号的显示，最终获得的信号可以传递给计算机做实时分析、处理、存储，本发明的双光束调制系统与量子级联激光器配合后，实现了对激光脉冲的优化和调控，相对于现有技术而言，其直接调控量子级联激光器内部电子分布，解决了量子级联激光器激光脉冲上升/下降时间长、脉冲波形不光滑、脉冲调控精度低等问题，优化了量子级联激光器的激光脉冲。有效的避免了激光器设计、激光调制参数、寄生电容效应、激光器工作参数等复杂因素，使红外激光光谱技术和自由空间红外光通讯技术得到更好的发展。

进一步的，一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，所述的双光束调制系统包括多路任意函数发生器、脉冲产生光源电流驱动器、脉冲关闭光源电流驱动器、脉冲产生光源、脉冲关闭光源、第一光束准直器、第一光束聚焦器、以及第二光束准直器、第二光束聚焦器，其中：

所述多路任意函数发生器，用于提供幅值任意、重复频率为ωm的电流脉冲序列，使得脉冲产生光源电流驱动器和脉冲关闭光源电流驱动器产生相同的激光驱动电流，且两驱动电流之间存在可调的相位延迟，使得脉冲产生光源和脉冲关闭光源工作在相应的脉冲模式下；

所述脉冲产生光源，作为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ₁的可见或近红外光束，并通过第一光束准直器和第一光束聚焦器后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器的出射端面，引起量子级联激光器输出的中红外至太赫兹波段的光以频率ω_m振荡，且振幅增大，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比；

所述脉冲关闭光源，作为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ₂的可见或近红外光束，其中λ₁>λ₂，并通过第二光束准直器和第二光束聚焦器后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器的出射端面，引起量子级联激光器输出的中红外至太赫兹波段的光以频率ω_m振荡，且振幅减小，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比。

进一步的，一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，所述脉冲产生光源所发出的可见或近红外光，其可见或近红外光使量子级联激光器中有源区内部发生电子的带间跃迁，使得量子级联激光器产生相同的脉冲输出，脉冲关闭光源所发出的可见或近红外光，其可见或近红外光使量子级联激光器的输出迅速减小。采用光调制的方法直接调制激光器内部电子分布，相比电驱动所产生的激光脉冲上升时间大大缩短；脉冲关闭光源所发出的可见或近红外光，其可见或近红外光可以使得量子级联激光器的输出迅速减小，乃至关闭，由于采用光调制的方法直接调制激光器内部电子分布，相比电驱动所产生的激光脉冲下降时间大大的缩短。且通过双光束调制的振幅、相位延迟时间、重复频率等参数的改变可以实现对量子级联激光器脉冲的精确调控。由于该技术均是直接调控激光器内部的电子，所以产生的激光脉冲波形更为光滑。

综上所述，本发明的以下有益效果：

1、本发明一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，通过双光束调制系统对量子级联激光器输出振幅进行调控，使得量子级联激光器输出中红外至太赫兹波段的光振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，实现量子级联激光器脉冲的产生和关闭，量子级联激光输出的脉冲光波经过光束准直器和光束聚焦器聚焦在红外探测器的探测面上，红外探测器将所探测到的光信号转化成为电信号传递给高精度示波器，由高精度示波器实现信号的显示，最终获得的信号可以传递给计算机做实时分析、处理、存储，本发明的双光束调制系统与量子级联激光器配合后，实现了对激光脉冲的优化和调控，相对于现有技术而言，其直接调控量子级联激光器内部电子分布，解决了量子级联激光器激光脉冲上升/下降时间长、脉冲波形不光滑、脉冲调控精度低等问题，优化了量子级联激光器的激光脉冲。

2、本发明一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，利用脉冲产生光源照射量子级联激光器出射端面实现高速振幅调制，且实现量子级联激光器脉冲产生；利用脉冲关闭光源照射量子级联激光器出射端面实现高速振幅调制，且实现量子级联激光器脉冲关闭；利用脉冲产生光源和脉冲关闭光源直接对量子级联激光内部电子分别的调控，使得激光脉冲的上升/下降时间大大缩短，并且脉冲波形更光滑，通过双光束调制系统的振幅、相位延迟时间、重复频率来精确调控量子级联激光器的振幅、脉宽、重复频率；利用信号实时分析、处理、存储是通过信号采集部分实现对量子级联激光器激光脉冲的检测，实现实时分析、处理、存储。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明原理框架示意图；

图2为本发明双光调制的示意图；

图3为本发明脉冲产生光源和脉冲关闭光源的选取示意图；

图4为本发明脉冲产生光源对量子级联激光器的脉冲上升时间优化示意图；

图5为本发明脉冲关闭光源对量子级联激光器的脉冲下降时间优化示意图；

图6为本发明双光束调制系统对量子级联激光器的脉冲参数调控的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-量子级联激光器，2-恒温控制装置，3-高精度电流源，4-光束准直器，5-光束聚焦器，6-红外探测器，7-高精度示波器，8-计算机，9-多路任意函数发生器，10-脉冲产生光源电流驱动器，11-脉冲关闭光源电流驱动器，12-脉冲产生光源，13-脉冲关闭光源，14-第一光束准直器，15-第二光束准直器，16-第一光束聚焦器，17-第二光束聚焦器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1～6所示，一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，包括量子级联激光器1、恒温控制装置2、高精度电流源3、光束准直器4、光束聚焦器5、红外探测器6、高精度示波器7、计算机8、多路任意函数发生器9、脉冲产生光源电流驱动器10、脉冲关闭光源电流驱动器11、脉冲产生光源12、脉冲关闭光源13、第一光束准直器14、第二光束准直器15、第一光束聚焦器16、第二光束聚焦器17，其中：如图2所示，量子级联激光器1固定在金属热沉上，脉冲产生可见光或近红外激光光束和脉冲关闭可见光或近红外激光光束被汇聚于量子级联激光器的出射端面上，引起量子级联激光器的脉冲产生和关闭；通过恒温装置2为量子级联激光器1提供一个恒定温度的工作环境，保证量子级联激光器1的稳定工作；高精度电流源3向量子级联激光器1提供直流电流，其电流大小与量子级联激光器1的阈值电流相等，但量子级联激光器并不发光；多路任意函数发生器9提供幅值任意、重复频率为ω_m的电流脉冲序列，触发脉冲产生光源电流驱动器10产生相应的调制电流脉冲，使得脉冲产生光源12工作在脉冲模式下；多路任意函数发生器9提供幅值任意、重复频率为ω_m的电流脉冲序列，脉冲关闭光源电流驱动器11产生相应的调制电流脉冲，使得脉冲关闭光源13工作在脉冲模式下，且保证两束光的相位存在一定延迟；脉冲产生光源12为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ₁的可见或近红外光束，并通过第一光束准直器14和第一光束聚焦器16后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器1的出射端面，引起量子级联激光器1产生相应的脉冲光，其光波振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，实现了对量子级联激光器1的脉冲产生；脉冲关闭光源13为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ₂的可见或近红外光束，其中λ₁>λ₂，并通过第二光束准直器15和第二光束聚焦器17后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器1的出射端面，引起量子级联激光器1输出的脉冲振幅减小，其光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，引起量子级联激光器1关闭相应的脉冲光。如图3所示，脉冲产生光源12和脉冲关闭光源13所发出的可见或近红外光，其对量子级联激光器1的输出功率的影响，当脉冲产生光源12所发出的可见光或近红外光照射在量子级联激光器1的端面时，量子级联激光器1的输出功率均比0点大，振幅调制结果为正；当脉冲关闭光源13所发出的可见光或近红外光照射在量子级联激光器1的端面时，量子级联激光器1的输出功率均比0点小，振幅调制结果为负；但由于照射光波长的不同，所造成的振幅调制大小均不同，通过实验对比，我们选择了对量子级联激光器1的振幅调制正、负最大的波长的激光器为脉冲产生激光器12和脉冲关闭激光器13。如图4所示，在脉冲产生光源12照射量子级联激光器1的端面时，使得量子级联激光器1产生激光脉冲输出(虚线)，其脉冲上升时间月为7.1，而相比于电驱动所产生的脉冲(实线)上升时间29.6而言，量子级联激光器1的脉冲上升时间共缩短了3/4，且光调制产生的量子级联激光器输出脉冲波形更加光滑。如图5所示，在脉冲关闭光源13照射量子级联激光器1的端面时，使得量子级联激光器1关闭激光脉冲输出(虚线)，其脉冲下降时间月为15.8，而相比于电驱动所关闭的脉冲(实线)下降时间24.7而言，量子级联激光器1的脉冲下降时间共缩短了2/5，且光调制关闭的量子级联激光器输出脉冲波形更加光滑。如图6所示，通过双光束调制系统对量子级联激光器1的输出脉冲进行调控。由图6(a)所示，在激光产生脉冲发起时，量子级联激光器1的脉冲输出开始；在激光关闭脉冲发起时，量子级联激光器1的脉冲输出结束；可以看出量子级联激光器的输出脉冲打开和关闭受到双光束调制系统的精确调控，且脉冲产生光与脉冲关闭光之间的相位延迟精确控制了量子级联激光器1的输出脉冲的脉宽；由图6(b)所示，在量子级联激光器1的输出脉冲宽度增大的时候，量子级联激光器1的输出脉冲的上升/下降时间也有少量的增大；如图6(c)所示，随着脉冲产生光源12和脉冲关闭光源13的功率增加，量子级联激光器1的输出脉冲光功率也成正比的增加，这表明了对量子级联激光器1输出脉冲光振幅的精确调控；如图6(d)所示，随着脉冲产生光源12和脉冲关闭光源13的重复频率增加，量子级联激光器1的输出脉冲光重复频率也成正比的增加，这表明了对量子级联激光器1输出脉冲光重复频率的精确调控。本发明提供的量子级联激光器脉冲优化及调控系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和高精确度自由空间调频红外光通讯。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，其特征在于，包括量子级联激光器（1）、恒温控制装置（2）、高精度电流源（3）、双光束调制系统、光束准直器（4）、光束聚焦器（5）、红外探测器（6）、高精度示波器（7）、计算机（8），其中：

所述量子级联激光器（1），用于产生中红外至太赫兹波段的光；

所述恒温控制装置（2），用于为量子级联激光器（1）提供一个恒定温度的工作环境，使量子级联激光器（1）的稳定工作；

所述高精度电流源（3），用于向量子级联激光器（1）提供直流电流，其电流大小与量子级联激光器（1）的阈值电流相等，量子级联激光器（1）在直流电流驱动下并不发光；

所述双光束调制系统：用于对量子级联激光器（1）输出的光进行两种脉冲调制，其中一束增大振幅调制，另一束减小振幅调制，并且使得量子级联激光器（1）在这两束光调制下产生和关闭脉冲输出；

所述光束准直器（4），对量子级联激光器（1）输出的光波进行准直调节，使输出光为平行准直光束；

所述光束聚焦器（5），对被准直后的光束进行收集，并使其聚焦在红外探测器（6）的探测面上；

所述红外探测器（6），将所探测到的光信号转化为电信号传递给高精度示波器（7），由高精度示波器（7）实现信号的显示，并通过计算机（8）对数据进行分析、存储；

所述的双光束调制系统包括多路任意函数发生器（9）、脉冲产生光源电流驱动器（10）、脉冲关闭光源电流驱动器（11）、脉冲产生光源（12）、脉冲关闭光源（13）、第一光束准直器（14）、第一光束聚焦器（16）、以及第二光束准直器（15）、第二光束聚焦器（17），其中：

所述多路任意函数发生器（9），用于提供幅值任意、重复频率为ωm的电流脉冲序列，使得脉冲产生光源电流驱动器（10）和脉冲关闭光源电流驱动器（11）产生相同的激光驱动电流，且两驱动电流之间存在可调的相位延迟，使得脉冲产生光源（12）和脉冲关闭光源（13）工作在相应的脉冲模式下；

所述脉冲产生光源（12），作为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ ₁ 的可见或近红外光束，并通过第一光束准直器（14）和第一光束聚焦器（16）后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器（1）的出射端面，引起量子级联激光器（1）输出的中红外至太赫兹波段的光以频率ω _m 振荡，且振幅增大，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比；

所述脉冲关闭光源（13），作为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ ₂ 的可见或近红外光束，其中λ ₁ >λ ₂ ，并通过第二光束准直器（15）和第二光束聚焦器（17）后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器（1）的出射端面，引起量子级联激光器（1）输出的中红外至太赫兹波段的光以频率ω _m 振荡，且振幅减小，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光束调制的量子级联激光器的脉冲调控系统，其特征在于：所述脉冲产生光源（12）发出可见或近红外光，其可见或近红外光使量子级联激光器（1）中有源区内部发生电子的带间跃迁，使得量子级联激光器产生相同的脉冲输出，脉冲关闭光源（13）所发出的可见或近红外光，其可见或近红外光使量子级联激光器（1）的输出迅速减小。

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