CN109361146A - 基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的就是要提供一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其主要是包括泵浦驱动电路、单片机控制电路、光电接收二级管及其放大电路、单模半导体泵浦激光器、锁模元器件、光纤准直器、光波分复用器、增益光纤、啁啾光纤布拉格光栅和输出光隔离器，本发明基于单片机反馈调节能有效提升超短脉冲光纤激光器的锁模自启动能力，有效增强种子源的使用寿命，拓宽其在精细激光加工、光纤传感测量等领域的应用范围。
Description
技术领域：
本发明涉及一种激光技术领域的激光器种子源，特别是一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统。
背景技术：
激光器在人们的现代工作生活中的作用越来越重要，具有具大的经济价值及社会效益。超短脉冲光纤激光器种子源通过主振荡放大（MOPA, master oscillator poweramplifier）方法可获得高功率超短脉冲激光输出，此超短脉冲具有良好的光束质量、紧凑的结构以及非常高的峰值功率，广泛应用于材料加工、生物医学、超连续谱产生和遥感测量等领域。在高功率超短脉冲光纤激光系统中，种子源是其核心部件。脉冲种子源的实现方法主要有增益开关型、主动锁模和被动锁模，其中主动锁模方法受到调制器件的影响较难获得高的重复频率；增益开关型由于受到脉冲产生电路的制约，目前脉宽达到几十个皮秒，已经接近极限；采用可饱和吸收体的被动锁模较容易实现几十MHz的重复频率，并可以通过谐波锁模以及缩短谐振腔长等方法将重复频率提至更高；另外，通过啁啾光纤布拉格光栅等器件补偿色散可实现几个皮秒、甚至飞秒脉冲宽度输出。
在采用可饱和吸收体，如半导体可饱和吸收体SESAM，被动锁模的超短脉冲光纤激光器种子源中，开始使用种子源时能快速的自启动进入锁模状态输出超短脉冲激光信号，但连续长时间的使用种子源，会使锁模关键元件SESAM片受到轻微程度的损伤，导致整个谐振腔损耗增加，种子源无法开机自启动进入锁模状态；另外，超短脉冲光纤激光器种子源中其它无源器件在长时间连续的运行后也会受到轻微程度的损伤，进而增加谐振腔的损耗，致使种子源无法开机自启动进入锁模状态。
因此，如何来使用可饱和吸收体被动锁模超短脉冲光纤激光器，获得长时间稳定自启动的种子源，是当前的激光技术领域的一个现实问题。
发明内容：
本发明的目的就是要提供一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其主要是包括泵浦驱动电路、单片机控制电路、光电接收二级管及其放大电路、单模半导体泵浦激光器、锁模元器件、光纤准直器、光波分复用器、增益光纤、啁啾光纤布拉格光栅和输出光隔离器，本发明基于单片机反馈调节能有效提升超短脉冲光纤激光器的锁模自启动能力，有效增强种子源的使用寿命，拓宽其在精细激光加工、光纤传感测量等领域的应用范围。
本发明的一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，采用线性短腔结构，其是包括光隔离器、大分光比输出耦合器、啁啾光纤布拉格光栅、掺杂增益光纤、反射式波分复用器、光纤准直器、可饱和吸收体、光电接收二极管及其放大电路、单片机控制电路、泵浦激光器驱动电路、半导体泵浦激光器；
所述反射式波分复用器的公共端与啁啾光纤布拉格光栅之间通过掺杂增益光纤相连接，而啁啾光纤布拉格光栅同时作为信号光的输出端。
所述的光隔离器 的输出光采用单方向传输。
所述的大分光比光纤耦合器与光隔离器和光电接收二级管相连接，分光比光纤耦合器中的小部分光进入光电接收二级管及其放大电路作为监测信号，光电接收二极管及其放大电路将此监测信号转换为电信号并对其放大，此监测信号在超短脉冲稳定锁模状态、未进入锁模状态以及调Q状态时区分较为明显，用于判断是否是稳定锁模状态。
所述掺杂增益光纤为掺Yb光纤。
所述反射式波分复用器包括光学滤波片和偏振片并与光纤准直器连接；其中光学滤波片对半导体泵浦激光器的泵浦光反射，而对信号光为透射；偏振片对信号光起偏，保证振荡光信号偏振的单一性。
所述可饱和吸收体采用半导体可饱和吸收体SESAM；所述可饱和吸收体和光纤准直器连接封装为一整体单独模块；所述模块基座为集成铜或者铝材料。
所述单片机控制电路内部设有模数转换芯片，一端连接于光电二极管 及其放大电路另一端连接于泵浦激光器驱动电路；所述单片机控制电路还包含液晶显示电路及液晶显示器，经监测到的光功率，通过液晶显示器显示当前的输出光功率。
所述的泵浦激光器驱动电路内设有数字电位器，其一端连接于单片机控制电路另一端连接于半导体泵浦激光器。
所述半导体泵浦激光器的驱动电路包括温控电路和恒流电路；所述驱动电路中设有数字电位器用于对半导体泵浦激光器的驱动电流的调节。
本发明公开的一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其具有如下特点；所述的单片机反馈调节超短脉冲光纤激光器种子源包含泵浦驱动电路、单片机控制电路、光电接收二级管及其放大电路、单模半导体泵浦激光器、锁模元器件、光纤准直器、光波分复用器、增益光纤、啁啾光纤布拉格光栅和输出光隔离器，其中啁啾光纤布拉格光栅与锁模元器件的反射镜构建成F-P谐振腔，啁啾光纤布拉格光栅可对腔内色散进行补偿；从耦合器分出来的部分输出光进入光电接收二极管并对其进行放大，放大的信号进入单片机控制电路的模数输入引脚；单片机分析此信号判断超短脉冲光纤激光器种子源是否已启动，根据此结果判断是否对泵浦激光器驱动电路的电流进行调整。本发明基于单片机反馈调节能有效提升超短脉冲光纤激光器的锁模自启动能力，有效增强种子源的使用寿命，拓宽其在精细激光加工、光纤传感测量等领域的应用范围。本发明的还包括如下优点：一是、本发明通过光电接收二极管提取部分输出信号光可以实时监测超短脉冲光纤激光器种子源是否处于锁模状态，包含开机自启动锁模。 二是、本发明单片机控制电路中使用内部集成数模转换芯片的单片机，可降低硬件控制电路的复杂度。三是、本发明对泵浦半导体激光器驱动电流的调节采用数字电位器与单片机结合的方式，可反馈调节泵浦半导体激光器驱动电流。四是、本发明的超短脉冲光纤激光器保偏元器件采用全光纤化封装，使整个系统结构紧凑，可降低系统插入损耗并增加系统的可靠性。
附图说明：
图1，所示为本发明各部件结构框架连接示意图，
图中，1、光隔离器，2、大分光比输出耦合器，3、啁啾光纤布拉格光栅，4、掺杂增益光纤，5、反射式波分复用器，6、光纤准直器，7、可饱和吸收体，8、光电接收二极管及其放大电路，9、单片机控制电路，10、泵浦激光器驱动电路，11、半导体泵浦激光器 。
具体实施方式：
下面根据具体实施例及附图对发明作进一步的详细说明。
本发明的一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，包括掺杂增益光纤4、光纤准直器6、反射式波分复用器5、可饱和吸收体7或叫反射式半导体可饱和吸收镜SESAM，semiconductor saturable absorber mirror、大分光比输出光耦合器2、光隔离器1或叫输出光隔离器、啁啾光纤布拉格光栅3、半导体泵浦激光器11、泵浦激光器驱动电路10或叫恒流驱动电路、单片机控制电路9、光电接收二极管及其放大电路8。
本发明的啁啾光纤布拉格光栅3的输出透射百分比需与掺杂增益光纤4的长度配合，获得稳定的锁模状态；选取适当的啁啾光纤布拉格光栅3参数补偿激光器种子源谐振腔内色散，可实现较窄的超短脉冲输出；啁啾光纤布拉格光栅3的滤波作用可保证输出激光中心波长及光谱带宽，并能有效降低系统噪声。
本发明超短脉冲光纤激光器种子源的掺杂增益光纤4选择的是掺Yb光纤，选用高掺杂浓度的增益光纤可减短所需的掺杂增益光纤的长度，一定程度的减小谐振腔内的色散与非线性效应，但掺杂增益光纤长度需在增益、衰减、色散与非线性之间优化协调，获得稳定的超短脉冲输出。
本发明超短脉冲种子源的锁模部件采用可饱和吸收体7即半导体可饱和吸收体SESAM，其非线性饱和吸收特性可对光纤激光器进行被动锁模，获得高重复频率的超短脉冲激光输出，SESAM锁模元件采用铜或铝等材料作为其基座进行散热处理。
本发明泵浦半导体激光器11的驱动电路包括温控电路和恒流电路，温控电路与恒流电路与现有技术基本相同，此处不赘述，电路中增加了数字电位器便于单片机对泵浦半导体激光器的驱动电流进行调节。超短脉冲激光器种子源的各个元器件皆选用保偏器件，确保系统不受外界环境干扰，能稳定运行。
本发明的超短脉冲信号光输出通过大分光比的光纤耦合器如99/1、98/2、97/3等分光比光纤耦合器，提取比较小部分的输出光进入光电接收二极管转化为电信号，由于此信号比较弱，需通过放大电路对其进行放大。
本发明的单片机控制电路9通过模数转换引脚将监控的电信号读入单片机内部，并对其进行分析比较，判断超短脉冲光纤激光器种子源是否处于锁模状态或者在启动时是否自启动进入锁模状态。如果没有进入锁模状态，单片机控制电路9输出相应的控制信号至泵浦半导体激光器的驱动电路即泵浦激光器驱动电路10；如果进入锁模状态，控制电路不做任何调节。
本发明的泵浦激光器驱动电路10中的数字电位器接收到单片机控制电路输出的控制信号，提供相对应的电阻值，从而对驱动电路中半导泵浦体激光器11的驱动电流进行小许的调节，补偿SESAM及其他元器件在长时间运行后受到损伤而导致的衰减略增，使超短脉冲光纤激光器种子源进入锁模状态或开机能自启动。
下面结合附图对本发明作进一步描述。如图1所示，本发明的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，采用线性短腔结构，包括输出光隔离器1、大分光比光纤耦合器 即大分光比输出耦合器2下同、啁啾光纤布拉格光栅 3、掺Yb增益光纤 4、反射式波分复用器5、光纤准直器6、可饱和吸收体SESAM 即可饱和吸收体7、光电接收二极管及其放大电路 8、单片机控制电路9、温度控制与恒流驱动电路或叫泵浦激光器驱动电路10和半导体泵浦激光器 11。
本发明的反射式波分复用器5中包含光纤准直器6、光学滤波片和偏振片，光学滤波片对980 nm的泵浦光反射，而对信号光，如1064 nm的信号光则具有透射作用；偏振片可对信号光起偏，保证腔内振荡光信号的偏振单一性。
本发明的反射式波分复用器5的公共端与啁啾光纤布拉格光栅3之间通过掺Yb增益光纤4连接。啁啾光纤布拉格光栅3同时作为信号光的输出端，通过调整其透射率，可调节信号光的输出功率，但需与谐振腔内的其他参数匹配达到优化输出；啁啾光纤布拉格光栅3可有效补偿光纤激光器谐振腔中的色散，获得超短脉冲信号；啁啾光纤布拉格光栅3的反射光谱宽度，可控制参与锁模的光谱谱宽，抑制其他波长噪声，提高系统稳定性。
优选的是本发明的光纤准直器6和可饱和吸收体SESAM 7封装为单独模块，模块集成铜或者铝材料作为基座进行散热处理，模块化封装可提高超短脉冲光纤激光器种子源的可靠性以及抗环境干扰性。
本发明的光隔离器 1使光单方向传输，抑制输出光纤的端面反射对超短脉冲光纤激光器种子源输出信号光的干扰；系统中所用元器件皆为保偏器件，提升光纤激光器种子源输出光性能的稳定性。
本发明的大分光比输出耦合器 2分出其中的小部分光进入光电接收二级管 8作为监测信号，光电接收二极管即光电接收二极管及其放大电路8将此监测信号转换为电信号并对其放大，此监测信号在超短脉冲稳定锁模状态、未进入锁模状态以及调Q状态时区分较为明显，可有效判断是否处于稳定锁模状态。
本发明的单片机控制电路9在芯片内部集成了模数转换芯片，简化了整个电路系统。经过光电二极管或叫光电接收二极管及其放大电路8转换的电信号经过放大后输入单片机的模数转换端，单片机将读取的信号与设定的参考信号，稳定锁模时对应的电压值做比较，根据比较结果确定超短脉冲激光器是否处于稳定锁模状态，同时包含开机自启动锁模状态。
本发明的半导体泵浦激光器驱动电路 10中包含数字电位器，单片机控制电路 9在判断超短脉冲激光器种子源未处于稳定锁模状态时，反馈部分输出数字电信号调节激光器驱动电路中的数字电位器，从而轻微的调整半导体激光器的驱动电流，使超短脉冲激光器重新进入稳定锁模状态，即使得光电二极管或叫光电接收二极管及其放大电路8探测到的信号电压与参考电压误差处在允许的小范围之内。
本发明的蝶形半导体激光器 11为超短脉冲光纤激光器提供泵浦光；所述单片机控制电路9还包含液晶显示电路；通过监测到的光功率，单片机控制电路可计算出超短脉冲光纤激光器输出的光功率，并通过液晶显示器显示当前的输出光功率。
本发明公开的一种基于单片机反馈调节的自启动超短脉冲光纤激光器种子源系统。所述的单片机反馈调节超短脉冲光纤激光器种子源包含泵浦驱动电路、单片机控制电路、光电接收二级管及其放大电路、单模半导体泵浦激光器、锁模元器件、光纤准直器、光波分复用器、增益光纤、啁啾光纤布拉格光栅和输出光隔离器，其中啁啾光纤布拉格光栅与锁模元器件的反射镜构建成F-P谐振腔，啁啾光纤布拉格光栅可对腔内色散进行补偿；从光耦合器分出来的部分输出光进入光电接收二极管并对其进行放大，放大的信号进入单片机控制电路的模数输入引脚；单片机分析此信号判断超短脉冲光纤激光器种子源是否已启动，根据此结果判断是否对泵浦激光器驱动电路的电流进行调整。本发明基于单片机反馈调节能有效提升超短脉冲光纤激光器的锁模自启动能力，有效增强种子源的使用寿命，拓宽其在精细激光加工、光纤传感测量等领域的应用范围。
Claims (9)
1.一种基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，采用线性短腔结构其特征是包括光隔离器（1）、大分光比输出耦合器（2）、啁啾光纤布拉格光栅（3）、掺杂增益光纤（4）、反射式波分复用器（5）、光纤准直器（6）、可饱和吸收体（7）、光电接收二极管及其放大电路（8）、单片机控制电路（9）、泵浦激光器驱动电路（10）、半导体泵浦激光器（11）；
所述反射式波分复用器（5）的公共端与啁啾光纤布拉格光栅（3）之间通过掺杂增益光纤（4）相连接，而啁啾光纤布拉格光栅（3）同时作为信号光的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述的光隔离器 （1）的输出光采用单方向传输。
3.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述的大分光比光纤耦合器（2）与光隔离器（ 1）和光电接收二级管及其放大电路（8）相连接，分光比光纤耦合器（2）中的小部分光进入光电接收二级管及其放大电路（8）作为监测信号，光电接收二极管及其放大电路（8）将此监测信号转换为电信号并对其放大，此监测信号在超短脉冲稳定锁模状态、未进入锁模状态以及调Q状态时区分较为明显，用于判断是否是稳定锁模状态。
4.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述掺杂增益光纤（4）为掺Yb光纤。
5.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述反射式波分复用器（5）包括光学滤波片和偏振片并与光纤准直器（6）连接；其中光学滤波片对半导体泵浦激光器（11）的泵浦光反射，而对信号光为透射；偏振片对信号光起偏，保证振荡光信号偏振的单一性。
6.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述可饱和吸收体（7）采用半导体可饱和吸收体SESAM；所述可饱和吸收体（7）和光纤准直器（6）连接封装为一整体单独模块；所述模块基座为集成铜或者铝材料。
7.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述单片机控制电路（9）内部设有模数转换芯片，一端连接于光电二极管及其放大电路 （8）另一端连接于泵浦激光器驱动电路（10）；所述单片机控制电路（9）还包含液晶显示电路及液晶显示器，经监测到的光功率，通过液晶显示器显示当前的输出光功率。
8.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述的泵浦激光器驱动电路（10）内设有数字电位器，其一端连接于单片机控制电路（9）另一端连接于半导体泵浦激光器（11）。
9.根据权利要求1所述的基于单片机反馈调节的超短脉冲光纤激光器种子源系统，其特征是所述半导体泵浦激光器（11）的驱动电路包括温控电路和恒流电路；所述驱动电路中设有数字电位器用于对半导体泵浦激光器（11）的驱动电流的调节。
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