CN110631807B - 基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置及方法 - Google Patents

基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于光学谐振腔的锁模激光器工作状态检测装置及方法，包括锁模激光器、光学谐振腔、压电陶瓷、高压驱动信号源、光电探测器和示波器，其中：所述锁模激光器的输出端朝向光学谐振腔设置，且锁模激光器发出的脉冲激光进入光学谐振腔，光学谐振腔用于对进入腔内的激光进行循环反射，并射出光学谐振腔；光电探测器设置在光学谐振腔的激光射出端，用于接收射出光学谐振腔的激光，所述光电探测器的输出端连接示波器，所述示波器用于接收光电探测器的输出信号；所述压电陶瓷安装在光学谐振腔中的腔镜上，所述高压驱动信号源用于输出周期信号加载到位于腔镜上的压电陶瓷，使光学谐振腔的腔长随之周期性变化，本发明成本低，对检测设备要求低。

Description

基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置及方法
技术领域
本发明属于锁模激光器技术领域，具体涉及一种基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置及方法。
背景技术
锁模是指通过一定的技术手段使激光腔内振荡频率不同的各纵模之间保持确定的相位关系。基于锁模技术的激光器，即锁模激光器，能够实现宽频谱、超短脉宽、高峰值功率的光脉冲输出，在光频测量、非线性光学等领域有着广泛的应用。在实际使用过程中，锁模激光器的工作状态会受到其所处工作环境的影响，如环境中机械振动、温湿度的剧烈变化都会使锁模激光器的工作状态劣化，甚至出现无法锁模的情况。而处在非正常锁模状态的激光脉冲往往伴随着更多的附加噪声，不利于后续应用的开展。因此对锁模激光器的工作状态进行实时、准确的检测是非常有必要的。
临界锁模和Q开关锁模是最为常见的两种非正常锁模状态。临界锁模意味着激光器处于连续和锁模状态的临界位置，此时使用光谱仪可以在激光器输出光谱上观察到非常强的直流成分(图1(a)虚线中的尖峰所示)；当激光器处于Q开关锁模时，输出激光的光谱特性相对于正常锁模状态并不会有明显的差别，一般需要借助射频频谱分析仪(以下简称频谱仪)观察其重复频率信号的频谱中是否出现边带(图1(b)中虚线所示)才能对锁模状态进行判定。
综上所述，基于现有锁模激光器状态检测方法，至少需要光谱仪和频谱仪两种仪器才能对一台锁模激光器的工作状态进行全面的检测与分析。值得注意的是，高重复频率锁模激光器的频谱分析对光电探测器、频谱仪的带宽特性提出了较高的要求，设备成本会大大增加。
发明内容
为解决现存的技术问题，本发明的目的是提出一种基于光学谐振腔的锁模激光器工作状态监视装置及方法，用于解决现有技术中存在的锁模激光器状态检测设备要求高和设备成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，
基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，包括锁模激光器、光学谐振腔、压电陶瓷、高压驱动信号源、光电探测器和示波器，其中：
所述锁模激光器的输出端朝向光学谐振腔设置，且锁模激光器发出的脉冲激光进入光学光学谐振腔，光学谐振腔用于对进入腔内的激光进行循环反射，并射出光学谐振腔；光电探测器设置在光学谐振腔的激光射出端，用于接收射出光学谐振腔的激光，所述光电探测器的输出端连接有示波器，所述示波器用于接收光电探测器的输出信号并进行显示和记录；
所述压电陶瓷安装在光学谐振腔中的腔镜上，所述高压驱动信号源用于输出周期信号加载到位于腔镜上的压电陶瓷，使得光学谐振腔的腔长(即自由光谱区)随之周期性变化。
进一步的，所述光电探测器的波长响应范围覆盖锁模激光器的中心波长，用于接收光学谐振腔的透射信号。
进一步的，所述光学谐振腔为三镜环形腔结构，包括两个平面镜和一个凹面镜，所述压电陶瓷安装在所述凹面镜的背面。
优选的，所述锁模激光器为钛宝石锁模激光器，中心波长815nm，带宽6nm，脉冲宽度为130fs，重复频率75MHz；
优选的，所述光学谐振腔的长度设定为4m。
进一步的，所述高压驱动信号源的输出频率为20Hz，幅度变化范围0-200V的锯齿波信号，施加到压电陶瓷上，使光学谐振腔的腔长周期性变化。
锁模激光器状态检测方法，具体方法如下：
首先，锁模激光器发出的激光脉冲透过光学谐振腔中靠近锁模激光器一侧的平面反射镜进入光学谐振腔，调节光学谐振腔中的两个平面反射镜的角度，使得进入谐振腔内多次反射的激光在空间上完全重合；然后将高压驱动信号源输出的周期信号加载到位于腔镜上的压电陶瓷，驱动光学谐振腔的腔长周期性变化；最后在远离锁模激光器一侧的平面镜透射处放置光电探测器，用于接收光学谐振腔的透射激光并转换成电压信号以同轴电缆连接示波器，示波器对该输入信号进行显示与记录，基于激光脉冲在光学谐振腔内的多光束干涉的特点，最终可通过示波器采集到的波形，即光学谐振腔透射信号的形状来对锁模激光器的工作状态进行判别。
进一步的，当示波器采集到的波形出现分立、强度呈中间高两边低的透射峰信号，则锁模激光器正常锁模；
当示波器采集到的波形出现分立、强度呈中间高两边低的透射峰信号，同时附加若干边带，则锁模激光器Q开关锁模；
当示波器采集到的波形出现分立、等高的透射峰信号，且信号强度剧烈波动，则锁模激光器临界锁模。
本发明利用飞秒脉冲激光在光学谐振腔内的共振特性，即通过光学谐振腔透射信号的形状来对锁模激光器的工作状态进行判别，具体来讲：
当锁模激光器正常锁模时，谐振腔内的飞秒脉冲激光会在特定的腔长位置处共振，因此会出现分立的透射峰信号，当腔长偏离中心位置后，腔内往复传播的激光脉冲在时间上无法重合，导致透射峰信号表现为中间高两边低的强度分布；
当锁模激光器处于Q开关锁模时，可以等效为在正常锁模脉冲上增加了某一频率的强度调制，因此在透射峰信号中也会相应地出现若干边带；
当锁模激光器处于临界锁模时，输出激光的状态趋于连续工作模式，透射信号呈现出与连续光共振类似的等高透射峰，同时由于临界锁模的不稳定性，透射信号强度会出现剧烈的波动。
与现有技术相比，本发明的方案至少具有以下优点：能够直观、有效、实时地对锁模激光器各种工作状态进行全面检测；同时降低了器件的带宽要求，相应的设备成本也会大幅降低。具体而言，如果采用传统方法对脉冲的重复频率进行直接探测，则要求探测器的带宽高于脉冲的重复频率，而目前商用锁模激光器的重复频率可达10GHz或者更高，这对探测器的带宽提出了非常高的要求，成本也会大幅提高；基于激光脉冲在谐振腔内共振的特点，本发明方案中共振信号出现的频率只与腔长扫描频率有关，这意味着一个低带宽地探测器即可完成探测。
进一步的，本发明的技术方案中采用了示波器，具有数据采集功能及接口丰富的特点，因此本发明提出的方案具备良好的可拓展性，易于与其他系统进行集成。
附图说明
图1(a)为临界锁模与正常锁模的光谱。
图1(b)Q开关锁模与正常锁模重复频率信号的频谱。
图2为本发明的结构示意图。
图3为不同锁模状态下的透射信号，其中，图3(a)为正常锁模状态；图3(b)为Q开关锁模状态；图3(c)为临界锁模状态。
附图中：1-锁模激光器，2-光学谐振腔，3-压电陶瓷，4-高压驱动信号源，5-光电探测器，6-示波器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于该实施例。
如附图2所示，本发明的基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置由以下部件组成：
所述锁模激光器1采用钛宝石锁模激光器，中心波长为815nm，带宽为6nm，脉冲宽度为130fs，重复频率为75MHz；
在本实施例中，所述光学谐振腔2采用三镜环形腔结构，钛宝石锁模激光器发出的脉冲激光进入光学谐振腔2后，先后分别经过两个平面镜和一个凹面镜，且凹面镜背面装有压电陶瓷3。为了保证光学谐振腔的自由光谱区与飞秒脉冲激光器的重复频率相同；在本发明的某一实施例中，所述光学谐振腔2的长度设定为4m，可以满足多个纵模在光学谐振腔2内同时共振；
压电陶瓷3：在不同的电压驱动下压电陶瓷伸长量不同，可以线性地改变光学谐振腔2的腔长；
高压驱动信号源4：输出频率为20Hz，幅度变化范围0-200V的锯齿波信号，施加到压电陶瓷3上，使光学谐振腔2的腔长周期性变化；过低的频率会导致示波器采集的数据点少，进而增加了测量时间；过高的频率会提高对探测器的带宽要求
光电探测器5：其波长响应范围覆盖钛宝石锁模激光器1的中心波长，用于接收光学谐振腔2的透射信号；
在本发明的某一实施例中，所述示波器6采用数字示波器，用以实时观察、记录光电探测器5的输出信号。
上述器件的空间位置关系和信号流动方向如下所述：锁模激光器1、光学谐振腔2、光电探测器5位于同一光学平台上。锁模激光器1发出的激光进入光学谐振腔2，先后经过两个平面镜和一个凹面镜，进入腔内的激光在腔内多次循环反射最后从远离飞秒脉冲激光器一侧的平面镜透射并进入光电探测器5。经过光电探测器5转换而来的电压信号连接示波器6，示波器6可对该输入信号进行实时显示与记录。高压驱动信号4输出周期信号加载到位于腔镜上的压电陶瓷3，使得光学谐振腔的腔长(即自由光谱区)随之周期性变化。
为了检验本发明中所述方案的有效性，我们将锁模激光器1设定为不同的工作状态。首先，我们通过光谱仪、频谱仪分别测量锁模激光器的光谱和其重复频率信号的频谱，以确保此时锁模激光器1处于正常锁模状态(即没有出现Q开关锁模或临界锁模)。此时锁模激光器1输出的激光脉冲进入谐振腔内共振，示波器6采集到的透射信号如附图3(a)所示：透射峰信号清晰稳定，且呈现中间高两边低的强度分布。
随后，微调锁模激光器1，使其处于Q开关锁模状态，同样使锁模激光器输出激光在腔内共振时，示波器6采集到的透射信号如附图3(b)所示。此时的透射峰信号与正常锁模时一样会出现中间高两边低的强度分布；不同的是，Q开关锁模状态下的透射峰上看起来有很多毛刺，这是由于Q开关锁模使得透射峰上出现了若干边带。
进一步调节锁模激光器1，使其处于临界锁模状态，示波器6采集到的透射信号如附图3(c)所示：透射信号呈现出与连续光共振类似的等高透射峰，同时由于临界锁模的不稳定性，透射信号强度会出现剧烈的波动。
综上所述，实例表明本发明设计的基于光学谐振腔的锁模激光器状态监视装置可实现对锁模激光器不同的工作状态(正常锁模、Q开关锁模、临界锁模)进行准确区分，同时由于数字示波器可对信号进行实时的显示，因此该装置能够直观、有效、实时地对锁模激光器工作状态进行检测。

Claims (8)

1.基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，其特征在于，包括锁模激光器（1）、光学谐振腔（2）、压电陶瓷（3）、高压驱动信号源（4）、光电探测器（5）和示波器（6），其中：
所述锁模激光器（1）的输出端朝向光学谐振腔（2）设置，且锁模激光器发出的脉冲激光进入光学光学谐振腔（2），光学谐振腔（2）用于对进入腔内的激光进行循环反射，并射出光学谐振腔（2）；光电探测器（5）设置在光学谐振腔（2）的激光射出端，用于接收射出光学谐振腔（2）的激光，所述光电探测器（5）的输出端连接有示波器（6），所述示波器（6）用于接收光电探测器（5）的输出信号并进行显示和记录；
所述压电陶瓷（3）安装在光学谐振腔（2）中的腔镜上，所述高压驱动信号源（4）用于输出周期信号加载到位于腔镜上的压电陶瓷（3），使得光学谐振腔的腔长随之周期性变化。
2.根据权利要求1所述的基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，其特征在于，所述光电探测器（5）的波长响应范围覆盖锁模激光器（1）的中心波长，用于接收光学谐振腔（2）的透射信号。
3.根据权利要求1所述的基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，其特征在于，所述光学谐振腔（2）为三镜环形腔结构，包括两个平面镜和一个凹面镜，所述压电陶瓷（3）安装在所述凹面镜的背面。
4.根据权利要求1所述的基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，其特征在于，所述锁模激光器（1）为钛宝石锁模激光器，中心波长815nm，带宽6nm，脉冲宽度为130fs，重复频率75MHz。
5.根据权利要求1所述的基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，其特征在于，所述光学谐振腔（2）的长度设定为4m。
6.根据权利要求1所述的基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测装置，其特征在于，所述高压驱动信号源（4）的输出频率为20Hz，幅度变化范围0-200V的锯齿波信号，施加到压电陶瓷（3）上，使光学谐振腔（2）的腔长周期性变化。
7.基于光学谐振腔的锁模激光器状态检测方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的锁模激光器状态检测装置，具体方法如下：
首先，锁模激光器（1）发出的激光脉冲透过光学谐振腔（2）中靠近锁模激光器（1）一侧的平面反射镜进入光学谐振腔（2），调节光学谐振腔（2）中的两个平面反射镜的角度，使得进入谐振腔（2）内多次反射的激光在空间上完全重合；然后将高压驱动信号源（4）输出的周期信号加载到位于腔镜上的压电陶瓷（3），驱动光学谐振腔的腔长周期性变化；最后在远离锁模激光器（1）一侧的平面镜透射处放置光电探测器（5），用于接收光学谐振腔（2）的透射激光并转换成电压信号以同轴电缆连接示波器（6），示波器（6）对输入信号进行显示与记录，基于激光脉冲在光学谐振腔（2）内的多光束干涉的特点，最终可通过示波器（6）采集到的波形，即光学谐振腔（2）透射信号的形状来对锁模激光器的工作状态进行判别。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，当示波器（6）采集到的波形出现分立、强度呈中间高两边低的透射峰信号，则锁模激光器正常锁模；
当示波器（6）采集到的波形出现分立、强度呈中间高两边低的透射峰信号，同时附加若干边带，则锁模激光器Q开关锁模；
当示波器（6）采集到的波形出现分立、等高的透射峰信号，且信号强度剧烈波动，则锁模激光器临界锁模。
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