CN113474953A - 锁模激光器的正弦相位调制 - Google Patents

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Abstract

一种超快锁模激光器，包括电路，该电路被设置成通过驱动波形驱动锁模激光器中的电光调制器(EOM)，该驱动波形是相位相干的正弦波形，其频率等于该锁模激光器的重复频率，或者，该驱动波形是相位相干的脉冲波形，其频率等于该锁模激光器的重复频率，或者，该驱动波形是相位相干的正弦波形，其频率等于该锁模激光器的重复频率的一半。

Description

锁模激光器的正弦相位调制
相关申请的交叉引用
本申请是2018年5月22日递交的美国专利申请第15/986,518号的部分延续申请，该申请要求2017年5月23日递交的美国临时专利申请第62/510,072号的优先权。美国专利申请第15/980,518号以及美国临时专利申请第62/510,072号的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及激光器调制技术。更具体地，本发明涉及使用以频率和相位相干的AC波形驱动的电光调制器(EOM)，对超快锁模激光器进行调制。
背景技术
锁模激光器
锁模技术是一种光学技术，可以使激光器产生持续时间极短的皮秒级(10-12s)脉冲或飞秒级(10-15s)脉冲。
该技术的基础是在激光器谐振腔的纵向模式之间引入固定的相位关系。该激光器被称为“锁相”或“锁模”激光器。这些模式之间的干涉导致激光以脉冲序列的形式产生。根据激光器的特性，这些脉冲的持续时间可能非常短。例如，通常人们知道，超快锁模激光器能够产生脉冲持续时间小于皮秒甚至短至几飞秒的脉冲的激光。该脉冲序列通常在50-100MHz的重复频率范围内，并且占空比小于0.01％或更低。
电光调制器(EOM)
电光调制器(EOM)是一种光学装置，其中具有电光效应的信号控制元件用于调制光束。可以对光束的相位、频率、幅度，或偏振施加调制。
最简单的EOM由诸如铌酸锂之类的晶体组成，该晶体的折射率是局部电场强度的函数。这意味着，若将铌酸锂晶体暴露于电场中，光将以更慢的传播速度通过该晶体。但是，离开晶体时光的相位与光通过晶体所需的时间长短成正比。因此，可以通过改变施加至晶体的电场来控制离开EOM时激光的相位。
将此相位变化与在晶体前后的偏振器结合作用，可实现幅度调制。当使用EOM作为幅度调制器时，该结构通常具有两个互相正交排列的晶体。这有助于减少热漂移。图1示出了EOM幅度调制器的示例结构。
电光幅度调制器可以是普克尔斯盒型调制器，它由两个匹配的铌酸锂晶体110、120组成，并封装在带有RF输入连接器的紧凑型外壳中。向晶体施加电场会引起折射率的(寻常和非寻常)变化，从而产生与电场有关的双折射，从而导致光束的偏振态发生变化。该电光晶体充当可变波片，其延迟线性地基于所施加的电场。通过置于出射处的线性偏振器140，通过该偏振器的光束强度随着所施加电压的线性变化而呈正弦变化。
电光相位调制器在线性偏振的输入光束上提供可变的相移。在一个实施例中，输入光束被线性偏振器130沿垂直方向，即晶体的Z轴，线性偏振。在RF输入150处的电压跨Z轴电极160施加，引起晶体的非寻常折射率变化，从而导致光信号发生相移。
DC调制
当前普遍使用两种DC控制方法用于锁模激光器的幅度调制。
现有技术使用高压/大功率DC耦合线性放大器已实现了～DC-1MHz调制控制。这种方法可以控制10到100个激光脉冲过程中的任何输出强度水平。图2示出了线性放大器的示意图。
其他一些EOM驱动器制造商使用推挽式结构，以在两个缓慢变化的DC电平之间切换。该方法允许在2至3个激光脉冲的过程中在两个输出强度级别之间切换。改变这些DC电平大约需要1,000至10,000个激光脉冲。这种方法在图像的边缘消隐或需要开/关功能的其他应用中非常有效。图3示出了推挽放大器的示意图。
AC调制
通常用AC波形来调制锁模激光器的幅度。通常可以通过在EOM晶体(纯电容元件)和其他无源元件之间增加电路来形成谐振回路。然后可以通过一个相对较低功率的AC信号发生器来控制该谐振系统。将该系统锁相到锁模激光器的脉冲序列，从而允许将信号叠加在脉冲串的输出强度上。如图4所示，AC波形410施加至锁模激光器的输出脉冲420，从而产生调制的幅度输出430。
上面讨论的调制技术的缺点是，需要很多个脉冲才能将输出幅度从一个值调整为另一个期望值。然而，还需要提高调制速度。特别地，对激光器功率进行逐脉冲控制将提供超快锁模激光器的改进，并开辟许多新用途。
发明内容
本发明的一个实施例是已经普遍使用的AC调制方案的扩展。通过使用功率RF技术，可以非常快速地调制EOM驱动器的相位或幅度。仿真表明，有多种可能的方法，其中使用AC EOM驱动信号在EOM对比度的整个范围内，在少于一个激光脉冲的情况下，对激光强度进行幅度调制。这允许逐脉冲地控制激光功率。需要脉冲激光调制的许多应用将受益于调制速度的提高，该调制的速度优于现有的技术。
本发明的一个实施例提供了一种超快锁模激光器，其包括电路，该电路被配置为通过驱动波形，以驱动锁模激光器中的电光调制器(EOM)，该驱动波形为相位相干的正弦波形，其频率等于锁模激光器的重复频率。
本发明的另一个实施例提供了一种超快锁模激光器，其包括电路，该电路被配置为通过驱动波形，以驱动锁模激光器中的电光调制器(EOM)，该驱动波形为相位相干的脉冲波形，其频率等于锁模激光器的重复频率。
本发明的另一个实施例提供了一种超快锁模激光器，其包括电路，该电路被配置为通过驱动波形，以驱动锁模激光器中的电光调制器(EOM)，该驱动波形为相位相干的正弦波形，其频率等于锁模激光器的重复频率的一半。
本发明的另一个实施例提供了一种超快锁模激光器，包括：锁模激光光源，该锁模激光光源被配置为输出具有重复频率的激光脉冲；同步电光调制器(SEOM)，其包括：半波片；第一偏振分束器或第一偏振器；电光调制器(EOM)；电路，该电路被配置以驱动波形来驱动该SEOM，该驱动波形是相位相干的正弦波形，其频率等于锁模激光光源的重复频率的一半；以及第二偏振分束器，其中，该SEOM被设置成，引导来自激光光源的激光脉冲通过半波片、第一偏振分束器、EOM，然后至第二偏振分束器；其中，第二偏振分束器被配置为将来自EOM的光脉冲分束成第一脉冲串和第二脉冲串；该第一脉冲串在第一方向上，并具有第一偏振态；该第二脉冲串在第二方向上，并具有第二偏振态。
本发明的另一个实施例提供了一种超快锁模激光器，包括：锁模激光光源、第一声光调制器(AOM)、第二AOM、电路；该锁模激光光源被配置为输出具有重复频率的激光脉冲串；该电路被配置以第一驱动波形来驱动该第一AOM，并以第二驱动波形来驱动该第二AOM，该第一驱动波形和第二驱动波形是相位相干的正弦波形，其频率等于该锁模激光光源重复频率的一半，以使得该第一AOM将激光脉冲序列中的奇数脉冲衍射至第一方向，并且该第二AOM将激光脉冲序列中的偶数脉冲衍射至第二方向。
本发明的另一个实施例提供了一种超快锁模激光光源，其被配置为输出具有重复频率的激光脉冲；2n–1个设置成n级的同步电光调制器(SEOM)，n为整数；对于k＝1到n，第k级包括2(k–1)个SEOM，即第k级的SEOM的输出被反馈至第(k+1)级的SEOM，第k级中的每个SEOM均通过相位相干的正弦波形驱动，其频率等于入射该级的脉冲串的重复频率的1/2；其中，每个SEOM包括：半波片、第一偏振分束器或第一偏振器、电光调制器(EOM)、电路，以及第二偏振分束器，该电路其被设置为通过驱动波形来驱动SEOM；其中，该SEOM被设置成，将来自SEOM的输入端的脉冲导向通过半波片、第一偏振分束器、EOM、然后至第二偏振分束器；其中，第二偏振分束器被配置为，将来自EOM的光脉冲分束成第一输出脉冲串和第二输出脉冲串；该第一输出脉冲串在第一方向上，并具有第一偏振态；该第二输出脉冲串在第二方向上，并具有第二偏振态。
附图说明
图1示出了EOM幅度调制器的示意图；
图2示出了线性放大器的示意图；
图3示出了推挽放大器的示意图；
图4描述了用AC波形进行幅度调制；
图5示出了根据一个实施例的EOM幅度调制组件；
图6描述了根据一个实施例的EOM幅度调制组件的测试结果；
图7示出了根据一个实施例的波形，其中对驱动波形相对于激光脉冲应用了90°的相移；
图8示出了根据一个实施例的一系列连接的脉冲产生级的示意性电路图；
图9示出了根据一个实施例的不同DC偏置下的多个波形；
图10示出了根据一个实施例的有相移和没有相移情况下的波形；
图11示出了根据一个实施例的由EOM幅度调制组件产生的脉冲串；
图12示出了根据一个实施例的EOM幅度调制组件的示意图；
图13示出了根据一个实施例的AOM幅度调制组件；
图14示出了根据一个实施例的多级SEOM结构；
图15示出了根据另一个实施例的多级SEOM结构；
图16示出了根据一个实施例的带有反馈回路的SEOM。
具体实施方式
旨在结合附图阅读根据本发明原理的示例性实施例的描述，这些附图应被视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本发明的范围。相对性的术语，例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“在……上”、“在……下”、“向上”、“向下”、“顶”和“底”以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为指的是所描述的方向或在所讨论的附图中所示的方向。这些相对性的术语仅是为了描述的方便，并且不需要以特定的方向构造或操作该设备，除非明确指出。除非另有明确说明，诸如“附接”、“附着”、“连接”、“耦接”、“互连”等术语是指这样的关系，其中结构直接或通过中间结构间接彼此固定或附接，以及两者可移动是或刚性的附接或关系。而且，本发明的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，明确地，本发明不应该限于这样的示例性实施例，该示例性实施例示出了一些可能的特征的非限制性组合，这些特征既可以单独存在，也可与其他特征的组合的方式存在；本发明的范围由所附的权利要求书限定。
本公开描述了目前设想的实施本发明的最佳方式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本发明的示例，其通过参考附图仅出于说明性目的而提出，以向本领域的普通技术人员建议本发明的优点和结构。在附图的多个视图中，相同的附图标记代表相同或相似的部件。
图5示出了根据一个实施例的调制器的结构。类似于图1的结构，EOM 510设置在两个偏振器530、540之间。定制电路560用于锁定激光器并产生锁相信号以输出至RF功率放大器570，该电路能够对信号进行逐步相移，RF功率放大器570驱动转换器580，该转换器580向EOM提供AC电压。DC输入(偏置)590用于在EOM的范围内调整AC信号的位置。用于此结构的AC信号远低于全对比度激光调制所需的幅度。
使用图5所示的结构进行测试，其结果如图6所示。波形610示出了来自EOM振幅调制组件前的传感器的脉冲。波形620是由定制相位同步电路产生的驱动波形，被传送至功率放大器。注意在数据集中一半处的180度的相位变化。波形630是探测器的输出，其表示激光强度。
这表明，使用此方法，可以在80MHz重复频率激光器的2-3个激光脉冲内将超快锁模激光器的激光强度调制为任意水平。任何现有技术都无法达到这种出色的调制速度。
在一个实施例中，代表EOM调制波形的正弦波形表示为：
Figure BDA0002355166120000051
其中VP是幅度，即波形的“峰值幅度”，f是频率，单位为Hz，而
Figure BDA0002355166120000055
是相位，单位是弧度。请注意，还有其他幅度表示方式，例如，
Figure BDA0002355166120000052
(均方根幅度)或VPeak-Peak＝2VP(峰对峰幅度)。
代表脉冲激光的周期性脉冲串表示为：
Figure BDA0002355166120000053
其中Ts是脉冲的周期。这意味着激光脉冲发生在t＝0，t＝Ts，t＝2Ts，...，等处。现在，EOM驱动正弦曲线的相位与此相对应，并由
Figure BDA0002355166120000056
定义。EOM上的电压仅在EOM材料(晶体)中存在激光脉冲时才相关。这意味着正弦波形上的电压仅在t＝0，t＝Ts，t＝2Ts等时刻上相关。因此，驱动电压是在这些时刻表示的正弦方程，现在看起来像是离散时间采样信号：
Figure BDA0002355166120000054
当正弦波形锁频至激光器时，我们有f＝1/Ts＝锁模激光器的重复频率。这是衍生本发明的关键创新概念。在一些实施例中，该概念可以扩展到具有相位相干脉冲波形的驱动波形，其频率等于锁模激光器的重复频率，以及扩展到具有相位相干正弦波形的驱动波形，其频率等于1/(2s)，等。
图7示出了一个波形，其中对驱动波形相对于激光脉冲应用了90°的相移，从而在脉冲到达的时刻改变EOM上的电压，以使EOM上的电压从VP变为0。
请注意，将相位再移90°(共180°)，会将电压变为–VP，将可用于驱动EOM的电压范围加倍。
在一个实施例中，由一系列连接的脉冲产生级产生离散数量的脉冲幅度。图8是根据一个实施例的一系列连接的脉冲产生级的示意性电路图。
当施加DC偏置(VDCAS)时，驱动波形表示为：
Figure BDA0002355166120000061
图9示出了以下情形时的波形：(1)不施加DC偏置910，(2)+DC偏置920和(3)-DC偏置930。图10示出了其中(1)没有施加DC偏置的情形1010；以及(2)没有施加DC偏置，施加+90度相移的情形1020。
在一个实施例中，施加DC偏置，使得波形以对称的正负电压居中，具有基本相等的EOM光学相移。
若驱动波形具有相位相干的正弦波形，其频率等于锁模激光器的重复频率的一半，则输出的脉冲串的重复频率将等于该锁模激光器的重复频率的一半。例如，基于上述实施例中那样设置的EOM，具有80MHz重复频率激光器的超快锁模激光器将输出40MHz的脉冲串。即，驱动波形具有频率为1/(2s)的相位相干的正弦波形。现在，驱动电压看起来像一个离散时间采样信号：
Figure BDA0002355166120000062
因此，
Figure BDA0002355166120000063
而
Figure BDA0002355166120000064
Figure BDA0002355166120000065
对于90°的相移，我们具有±VP的交流驱动电压。
在一个实施例中，将谐振驱动器用于驱动EOM，该驱动器与飞秒脉冲激光器或皮秒脉冲激光器相位同步。谐振驱动器以等于激光器重复频率一半的谐振频率运行，并对其进行相位对准，以使得脉冲在电场振荡的最小值或最大值处到达，如前一段所述的那样。在一个实施例中，经受最大电场的脉冲通过输出偏振器射出。在输出偏振器上，使用偏振分束器(PBS)将经受最小电场的脉冲(“低”脉冲)转移至第二路径，而不是丢弃这些脉冲。这将形成两个脉冲序列，每个脉冲序列的重复频率均为输入激光器的重复频率的一半，每个脉冲具有全峰值功率。例如，如图11所示，由80MHz激光器产生的12.5ns间隔的脉冲由同步的EOM(SEOM)1110调制成两个脉冲串，每个脉冲串的脉冲间隔为25ns，该同步的EOM由40MHz的波形驱动。反射镜1120用于将第二输出引向期望的方向，该期望方向可与第一输出的方向相同或不同。
图12是根据一个实施例的SEOM 1110的细节示意图。四分之一波片1210，和第一PBS或第一偏振器1220，该第一PBS或第一偏振器1220被配置为接收来自飞秒脉冲激光器或皮秒脉冲激光器的输入，以将圆偏振激光脉冲提供至电光调制器(例如普克尔斯盒)1230。如果激光脉冲被PBS 1220反射，则它们将被导向至接收器1260中。该电光调制器1230由波形驱动器1240驱动。来自电光调制器的经调制的输出，根据它们各自的偏振状态，被第二PBS 1250分成输出1和输出2。
在一个实施例中，可以用声光调制器(AOM)代替EOM作为类似的驱动和脉冲分束结构。
声光调制器(AOM)，也称为布拉格单元，通过声波(通常在射频下)利用声光效应对光进行衍射和移频。它们用于激光器的Q开关、电信的信号调制，以及光谱仪的频率控制。压电换能器附接至诸如玻璃的材料。振荡电信号驱动该换能器振动，从而在材料中产生声波。这些可以被认为使得疏密交替的周期性平面移动，从而改变了折射率。入射光散射(请参阅布里渊散射)偏离所产生的周期性折射率调制，并且发生类似于布拉格衍射的干涉。相互作用可以被认为是三波混合过程，导致声子与光子之间产生和频或差频。
图13是根据一个实施例的，在超快锁模激光器结构中使用AOM的说明性示例。激光光源产生具有重复频率(例如80MHz)的脉冲串，当第一AOM 1310由相位相干的正弦波形驱动，其频率等于该锁模激光光源的重复频率的一半时，脉冲被该AOM衍射。在该示例中，在第一AOM的一阶衍射的方向上输出具有40MHz的重复频率的脉冲串。在第一AOM的未衍射(零阶)方向上，具有40MHz重复频率的脉冲串和剩余的80MHz脉冲串到达第二AOM 1320。第二AOM 1320由相干的正弦波形驱动，其频率等于锁模激光光源的重复频率的一半。因此，在第二AOM的一阶衍射方向上具有重复频率为40MHz的另一脉冲串，并且从第二AOM的未衍射(零阶)方向输出剩余的80MHz脉冲串。第一AOM和第二AOM中的驱动波形的相位，分别与来自锁模激光器的脉冲串的奇数脉冲和偶数脉冲同步。这种结构将形成两个脉冲串，每个脉冲串的重复频率是锁模激光光源的重复频率的一半。
根据一个实施例的超快锁模激光器的示例应用是，在2光子成像系统中，使用80MHz的Ti:Sapphire飞秒激光输入，来形成两路40MHz的激光，这两路激光可聚焦到样品中的不同位置。对结果信号进行解复用，可以在样品的两个独立的位置处提供图像，而不会损失激光的峰值功率(深度成像所需)或帧频降低。
根据一个实施例的超快锁模激光器的另一示例应用是，使用两个40MHz脉冲以两个不同强度的脉冲来激发样品(同样在2光子成像系统中)。通过解复用，并根据检测路径饱和度选择合适的样本，可以提供最终成像，该成像的动态范围是单个强度脉冲串的2倍。
通过使用更多这些同步的EOM(SEOM)设备，可以将这两个示例应用都变型为2的幂次。如图14所示，从一个80MHz的信号源中，可以使用3个SEOM来形成4个具有20MHz重复频率的脉冲串，而又不会损失激光脉冲的峰值功率。该峰值功率对于2光子系统中的深度成像非常重要。如图15所示，扩展至7个SEOM时，可以在10MHz的频率下提供8个脉冲串。通常，要产生2n个脉冲串，其重复频率等于锁模激光光源的重复频率的1/2n，n为整数，锁模激光器可将2n–1个SEOM设置成n个级，第k级包含2(k–1)个SEOM，k＝1到n。第k级的SEOM的输出被反馈至第(k+1)级的SEOM。第k级中的每个SEOM由相位相干的正弦波形驱动，其频率等于进入该级的脉冲串的重复频率的1/2。SEOM中的驱动波形的相位与锁模激光器产生的脉冲串中的各个脉冲的相位同步。
如图16所示，在一个实施例中，在期望峰值功率高于单个脉冲的情况下，可以将一条路径上的脉冲以高分辨率的时域对齐方式回送至SEOM的输入中，从而使对齐的脉冲的峰值功率增加。回送路径的延迟被设置为，使第二脉冲串中的脉冲与锁模激光光源产生的脉冲串中的下一个脉冲的到达重合。
虽然已经在一定程度上详细地并且以关于若干所述实施例的一些特殊性描述了本发明，但是不意图将本发明限制于任何这样的细节，或实施例，或任何特定实施例，而是应当参考所附权利要求来解释本发明，以便鉴于现有技术提供对这样的权利要求的最宽泛的可能解释，并且因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前面根据发明人所预见的实施例描述了本发明，对于这些实施例，能够得到可实现的描述，尽管目前未预见的本发明的非实质性变型仍然可以表示其等同物。

Claims (8)

1.一种超快锁模激光器，包括：
锁模激光光源，其被配置为输出具有重复频率的激光脉冲；
同步电光调制器(SEOM)(1110)，包括：
半波片(1210)；
第一偏振分束器或第一偏振器(1220)；
电光调制器(EOM)(1230)；
电路(1240)，其被配置为以驱动波形来驱动SEOM，所述驱动波形是相位相干的正弦波形，其频率等于所述锁模激光光源的重复频率的一半；及
第二偏振分束器(1250)；
其中，所述SEOM被设置成，将来自激光光源的激光脉冲导向通过所述半波片、第一偏振分束器、EOM，至所述第二偏振分束器；
其中，所述第二偏振分束器被设置成，将来自所述EOM的光脉冲分束成第一脉冲串和第二脉冲串；所述第一脉冲串在第一方向上，并具有第一偏振态；所述第二脉冲串在第二方向上，并具有第二偏振态。
2.根据权利要求1所述的超快锁模激光器，所述SEOM被设置成，产生经相位调制的输出。
3.根据权利要求1所述的超快锁模激光器，所述SEOM被设置成，产生经幅度调制的输出。
4.根据权利要求1所述的超快锁模激光器，其中，所述SEOM包括普克尔斯盒。
5.根据权利要求1所述的超快锁模激光器，还包括一个或多个光学元件，所述光学元件被设置成，将所述第二脉冲串反馈回所述SEOM。
6.根据权利要求1所述的超快锁模激光器，还包括：回送路径，所述回送路径被设置成，将所述第二脉冲串导回至所述SEOM的输入中；
其中，所述回送路径的延迟被设置成，使所述第二脉冲串中的脉冲与锁模激光光源所产生的脉冲串中的下一脉冲的到达重合。
7.一种超快锁模激光器，包括：
锁模激光光源，其被设置成，输出具有重复频率的激光脉冲串；
第一声光调制器(AOM)(1310)；
第二AOM(1320)；
电路，其被设置以第一驱动波形驱动第一AOM，并以第二驱动波形驱动第二AOM，所述第一驱动波形和所述第二驱动波形是相位相干的正弦波形，其频率等于所述锁模激光光源的重复频率的一半，以使得所述第一AOM将所述激光脉冲串中的奇数脉冲衍射至第一方向，并且所述第二AOM将所述激光脉冲串中的偶数脉冲衍射至第二方向。
8.一种超快锁模激光器，包括：
锁模激光光源，其被配置为输出具有重复频率的激光脉冲；
2n–1个同步的电光调制器(SEOM)，所述电光调制器分为n个级，n为整数；
对于k＝1到n，第k级包括2(k–1)个SEOM，第k级的SEOM的输出被反馈至第(k+1)级的SEOM，第k级中的每个SEOM均以相位相干的正弦波形驱动，所述正弦波形的频率等于进入该级的脉冲串的重复频率的1/2；
其中每个SEOM包括：
半波片；
第一偏振分束器或第一偏振器；
电光调制器(EOM)；
电路，其被设置成，通过驱动波形来驱动所述SEOM；及
第二偏振分束器；
其中，所述SEOM被设置成，将来自SEOM的输入的激光脉冲导向通过所述半波片、第一偏振分束器、EOM，然后至所述第二偏振分束器；
其中，所述第二偏振分束器被设置成，将来自EOM的光脉冲分束成第一输出脉冲串和第二输出脉冲串；所述第一输出脉冲串在第一方向，并具有第一偏振态；所述第二输出脉冲串在第二方向，并具有第二偏振态。
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