CN108683066A - 一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，包括被动锁模光纤激光器谐振腔、电控光纤偏振控制器、采样光纤分束器、AWG、PD、反馈控制模块。所述光纤锁模激光器采用被动锁模的方式，所述的AWG对输出激光的光谱进行周期性取样(波分)，并通过各路PD转化为电信号；所述反馈控制模块可以是单片机或者ARM系统，通过读取各PD信号获取输出激光的光谱分布，通过比较取样光谱强度分布与最佳锁模状态之间的差异实现反馈，进一步通过反馈控制电控PC对锁模光纤激光器进行控制，最终实现被动锁模光纤激光器的自启动和稳频，使其符合激光器实际运用场景，因此可以提高激光器整体的工作效率和集成度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别涉及一种一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，其为能够监控激光器工作状态并通过反馈控制激光器内部的偏振分布来实现激光器的自启动和锁定的技术。
背景技术
锁模光纤激光器是一种有源光纤器件，增益介质通常选择掺杂稀土离子的光纤，例如掺镱、掺饵、掺铥等。与传统的激光器相比，光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、易于集成、能量转换效率高等许多优点。被动锁模光纤激光器是一种重要的激光器，在光通信、传感、医疗器械等许多应用领域都有很大的发展潜力。伴随着光通信网络以及光纤技术及其相关领域技术的快速发展,被动锁模光纤激光器技术正在不断向更深的领域推进，特别是以光纤光栅、光子晶体光纤、滤波器、掺杂双包层光纤等为基础的新型光纤器件的陆续面市,将为光纤激光器以及锁模光纤激光器的设计提供广阔的思路。
实现光纤激光器被动锁模的方法主要包括半导体可饱和吸收镜的被动锁模、附加脉冲锁模、非线性偏振旋转被动锁模等。由于被动锁模光纤激光器内在特性，使其可以充分利用掺杂光纤的增益带宽，理论上可以直接获得飞秒(fs)的光脉冲。其光谱宽度一般在几纳米到几十纳米，如图2。
目前被动锁模光纤激光器最大的障碍在于其难以自启、重复性差，由于其运行中对于外界的环境条件变化敏感，从而导致容易丢失稳定的锁模状态。其主要原因在于光纤由于对温度、应力变化敏感从而导致光脉冲的相移量发生巨大变化，特别是实际使用过程中，由于光纤元器件老化或者半导体泵浦源的老化以及半导体可饱和吸收镜的损坏，从而导致丢失相位锁定状态。针对上述问题，若加入可以实时自动监测和自动控制的电控偏振控制器，从而实现被动锁模激光器的自启以及激光器状态的监控，便可有效的解决被动锁模光纤激光器在实际运用场景的不便之处。
目前的自启动的激光器反馈模块一般以时域上的脉冲抖动和脉冲的重复频率作为是否达到稳定锁模的判断依据，由于激光器可能存在几种锁模状态，不同的锁模状态其光谱图存在差异，所以仅从时域上的脉冲抖动以及激光的脉冲重复频率无法确保输出预期的锁模脉冲。
发明内容
本发明提供一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光器的反馈锁定技术，其目的是解决锁模光纤激光器中由于受到外部环境因素变化导致自启困难、锁模不稳定、难以达到最佳锁模状态的问题。
为了实现上述目的，本发明采用下列技术方案：
一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，包括被动锁模光纤激光器谐振腔、电控光纤偏振控制器、光纤分束器、激光输出端口、AWG(阵列波导光栅)、PD(光电探测器)和反馈控制模块；所述的AWG(阵列波导光栅)接受光纤分束器的激光信号后，激光信号进入不同的光通道，然后输出到PD(光电探测器)，转换为电信号后输入数模转化模块，经反馈控制模块分析处理后输出控制电压进入电压放大模块放大，最后施加在电控光纤偏振控制器，自动调节被动锁模光纤激光器谐振腔内偏振态。
其中，与光纤分束器连接的AWG(阵列波导光栅)和PD(光电探测器)，具有n个光通道，每个通道等间隔Δλ，可对激光器的光谱信号进行周期性采样。
其中，光纤分束器可以是融锥式或者偏振分束，可以在腔内任何位置或者输出后分束，其可在对输出功率影响很小的的情况下取出激光信号。
其中，反馈控制模块所控制的电控PC可以将任意输入偏振状态都可以转换为任何的偏振态输出，从而对激光谐振腔内部偏振状态进行调谐，实现锁模的寻址和最佳条件锁定。
一种最佳工作状态判断方法，该方法判断所述基于阵列波导光栅被动锁模光纤激光锁定装置是否进入最佳工作状态，经AWG(阵列波导光栅)各光通道输出的激光信号，经PD(光电探测器)转换为相应的光强数值，输入到数模转换模块，经反馈控制模块分析其平均功率，获得Ni其中i＝1、2……n；所获的N个数值与预设在反馈控制模块内的数值Ti其中i＝1、2……n做差值，若n个差值Ti-Ni的标准差SD小于某一数值，则认为激光器进入锁模工作状态，否则认为未进入最佳工作状态。
其中，各PD(光电探测器)读数之和为激光器输出功率的辅助判据，如果没有达到最佳泵浦功率，则通过反馈控制系统对激光器泵浦进行功率调谐。
其中，激光器进入锁模工作状态时，AWG(阵列波导光栅)的周期性采样会导致进入各PD(光电探测器)的脉冲信号抖动变大，反馈控制系统对各PD(光电探测器)信号进行方差分析，作为判断激光器最佳点的辅助判据。
本发明具有以下优点：
1.通过激光脉冲的光谱、脉冲的时域抖动以及输出总功率的反馈判断确保激光器输出期望的脉冲。
2.可实时监控光纤激光器工作状态，当工作改变或者锁模状态丢失时，可即刻进行调整。
3.利用本发明中的装置，可实现锁模光纤激光器自启，符合激光器实际运用场景。
附图说明
图1为本发明的一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置示意图；
图2为本发明的锁模光谱示例图；
图3为本发明的逻辑控制流程示意图。
图中：101为被动锁模光纤激光器谐振腔，102为电控光纤偏振控制器，103为光纤分束器，104为激光输出端口，105为AWG(阵列波导光栅)(AWG通道间隔＝Δλ，通道数目n＝λ/Δλ)，106为PD(光电探测器)，107为数模转换模块，108为反馈控制模块，109为电压放大模块。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参阅图1，一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，包括被动锁模光纤激光器谐振腔101，电控光纤偏振控制器102，光纤分束器103，激光输出端口104，AWG(阵列波导光栅)105，PD(光电探测器)106，数模转换模块107，反馈控制模块108和电压放大模块109。AWG(阵列波导光栅)105的AWG通道间隔＝Δλ，通道数目n＝λ/Δλ。
其具体实施细节如下：
谐振腔内的脉冲经光纤分束器103分成两束光，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。反馈探测光输入到AWG(阵列波导光栅)105后，脉冲光将根据波长的不同被分入各自对应的通道，输入到PD(光电探测器)106并进入数模转换模块107得到对应通道的光强数值，其中第i个PD(光电探测器)接收到平均功率的是光谱第i个位置对应的光强度，此后将这些数值传递到反馈控制模块108进行分析处理，进而输出控制电压，该电压经放大后加载在光纤电控偏振控制器上调节激光偏振态。
经下列判断方法确认被动光纤激光器是否进入最佳的工作状态：经AWG(阵列波导光栅)105各光通道输出的激光信号，经PD(光电探测器)转换为相应的光强数值，输入到数模转换模块107，经反馈控制模块108分析其平均功率，获得Ni其中i＝1、2……n。所获的n个数值与预设在反馈控制模块108内的数值Ti其中i＝1、2……n做差值，若n个差值Ti-Ni的标准差SD小于某一数值，则认为激光器进入锁模工作状态，否则认为未进入最佳工作状态。
其中，在未达到最佳锁模状态时，反馈控制模块控制电控PC依次对电控PC的三个位置依次进行穷举法的寻址，其中设定大步进电压为1V，小步进电压为0.5V：电控偏振控制器的三个轴电压分别为X轴，Y轴和Z轴。扫描过程中,X轴电压以每步进电压增加，当X轴达到半波电压35V时，X轴电压回归0V，Y轴电压增加一步进电压，X轴再以步进电压增加，以此重复，直到Y轴电压为半波电压时，Z轴电压增加一步进电压，以此重复，直至Z轴电压为半波电压，在此过程中，三轴电压在电压空间内，全空间扫描，可以达到任意偏振态的扫描效果。也可以进行优化寻址，比如采用遗传算法。
当n个差值Ti-Ni的标准差SD满足小于某一数值时，可认为初步进入锁模状态，由于AWG(阵列波导光栅)的周期性采样会导致进入各PD(光电探测器)的脉冲信号抖动变大，反馈控制系统对各PD(光电探测器)信号进行方差分析，若所得方差大于某一数值，则反馈控制模块控制电控PC以小步长步进电压进行寻址，直到抖动方差小于某一数值。
最后通过反馈控制系统对n个通道的PD(光电探测器)电压值求和，并与预设参数比较，若小于或者大于预设参数，可通过增大或减少泵浦功率，使得与预设参数相符。
以上所述的实施例，可以根据不同的光纤激光器输出光谱图样进行优化，只需改变AWG(阵列波导光栅)的通道带宽和电控偏振控制器的电压，可以得到寻址时间短、脉冲稳定的激光输出。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。
Claims (7)
1.一种基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，其特征在于：包括被动锁模光纤激光器谐振腔(101)、电控光纤偏振控制器(102)、光纤分束器(103)、激光输出端口(104)、AWG(阵列波导光栅)(105)、PD(光电探测器)(106)和反馈控制模块(108)；所述的AWG(阵列波导光栅)(105)接受光纤分束器(103)的激光信号后，激光信号进入不同的光通道，然后输出到PD(光电探测器)(106)，转换为电信号后输入数模转化模块(107)，经反馈控制模块(108)分析处理后输出控制电压进入电压放大模块(109)放大，最后施加在电控光纤偏振控制器(102)，自动调节被动锁模光纤激光器谐振腔(101)内偏振态。
2.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，其特征在于：与光纤分束器(103)连接的AWG(阵列波导光栅)(105)和PD(光电探测器)(106)，具有n个光通道，每个通道等间隔Δλ，可对激光器的光谱信号进行周期性采样。
3.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，其特征在于：光纤分束器(103)可以是融锥式或者偏振分束，可以在腔内任何位置或者输出后分束，其可在对输出功率影响很小的的情况下取出激光信号。
4.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置，其特征在于：其中反馈控制模块所控制的电控PC可以将任意输入偏振状态都可以转换为任何的偏振态输出，从而对激光谐振腔内部偏振状态进行调谐，实现锁模的寻址和最佳条件锁定。
5.一种最佳工作状态判断方法，该方法判断权利要求1所述基于阵列波导光栅的被动锁模光纤激光锁定装置是否进入最佳工作状态，其特征在于：经AWG(阵列波导光栅)(105)各光通道输出的激光信号，经PD(光电探测器)转换为相应的光强数值，输入到数模转换模块(107)，经反馈控制模块(108)分析其平均功率，获得Ni其中i＝1、2……n；所获的N个数值与预设在反馈控制模块(108)内的数值Ti其中i＝1、2……n做差值，若n个差值Ti-Ni的标准差SD小于某一数值，则认为激光器进入锁模工作状态，否则认为未进入最佳工作状态。
6.根据权利要求5所述的最佳工作状态判断方法，其特征在于：各PD(光电探测器)读数之和为激光器输出功率的辅助判据，如果没有达到最佳泵浦功率，则通过反馈控制系统对激光器泵浦进行功率调谐。
7.根据权利要求5所述的最佳工作状态判断方法，其特征在于：激光器进入锁模工作状态时，AWG(阵列波导光栅)的周期性采样会导致进入各PD(光电探测器)的脉冲信号抖动变大，反馈控制系统对各PD(光电探测器)信号进行方差分析，作为判断激光器最佳点的辅助判据。
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