CN117954953A - 一种光电振荡锁模方法及锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光锁模技术领域，具体涉及一种光电振荡锁模方法及锁模激光器，包括S1，通过泵浦二极管向谐振腔注入泵浦光，由谐振腔中的增益光纤吸收泵浦光，转换为信号光，使得信号光在谐振腔中形成尖峰噪声；S2，通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行自光电振荡，或通过外部信号源输出的外部信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行外光电振荡，或通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，和外部信号源输出的外部信号，经信号混合处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行互光电振荡；S3，通过自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡，使尖峰噪声增强，转换为增加强度的尖峰噪声、驰豫振荡、和/或调Q脉冲，将光谱分裂展宽，完成谐振腔锁模。本发明能够降低锁模启动阈值，减少锁模启动时间，实现快速锁模启动。

Description

一种光电振荡锁模方法及锁模激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光锁模技术领域，具体涉及一种光电振荡锁模方法及锁模激光器。

背景技术

脉冲宽度在皮秒和飞秒的超快脉冲激光，具有高峰值功率、高重复频率、宽光谱等特点，在精密测量、精密成像、精密加工等方面具有重要应用价值。近年来，谐振腔类型和各种紧凑型光器件充分发展，锁模激光器的重复频率不断提高，锁模激光器达到锁模的泵浦阈值要求也不断增高。谐振腔包括线性谐振腔、可饱和吸收体谐振腔、非线性偏振旋转谐振腔和非线性环形镜谐振腔等，通过强度与透过率的相关性，强度越高透过率越高，来窄化脉冲，实现激光纵模之间的相位锁定，实现超短超快脉冲激光输出。

在锁模激光器中形成超快激光的过程中，如何实现稳定可靠的锁模自启动是一个关键问题，其决定了一台锁模激光器能否长期稳定工作。激光器在腔内振荡，完成光强由弱变强的过程，饱和吸收作用在光强较弱的时候损耗很大，影响锁模自启动的阈值。基于非线性效应的等效可饱和吸收体的光纤腔，比如非线性放大环形镜光纤腔，在低泵浦阈值下，所获得的非线性效应较弱，难以在低泵浦阈值下自启动，需要增加较高的泵浦阈值，启动锁模建立时间不稳定，启动锁模泵浦阈值较高对谐振腔及其他器件的损伤阈值形成压力。同时随着重复频率的提升，谐振腔长度减小时，激光器在腔内积累的相移不够，所需的泵浦启动阈值将进一步提高。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种光电振荡锁模方法，以解决传统的泵浦直接启动锁模方法中，启动时间较长，启动泵浦阈值较高的技术问题，实现稳定可靠的光电振荡锁模。

本方案中的光电振荡锁模方法，包括以下步骤：

S1，通过泵浦二极管向谐振腔注入泵浦光，由谐振腔中的增益光纤吸收泵浦光，转换为信号光，使得信号光在谐振腔中形成尖峰噪声；

S2，通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行自光电振荡，或通过外部信号源输出的外部信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行外光电振荡，或通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，和外部信号源输出的外部信号，经信号混合处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行互光电振荡；

S3，通过自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡，使尖峰噪声增强，转换为增加强度的尖峰噪声、驰豫振荡、和/或调Q脉冲，将光谱分裂展宽，完成谐振腔锁模。

本方案的有益效果是：

通过光电振荡的方法设置，使得被注入泵浦光的未锁模的谐振腔的尖峰噪声放大，转换为更强的尖峰噪声、驰豫振荡、和/或调Q脉冲，将光谱分裂展宽，更快达到谐振腔锁模状态，使谐振腔锁模。

以自光电锁模方式下的锁模启动，能够以简单的设置达到稳定快速锁模。以外光电锁模方式下的锁模启动，能够达到激光器部件的简略后稳定快速锁模效果。以互光电振荡方式下的锁模启动，能够快速准确达到锁模，还可以设置外部信号源输出的外部信号频率为谐振腔的重复频率，使谐振腔处于频率锁定运行状态。能够实现单尖峰脉冲快速启动，锁模启动阈值降低，锁模启动时间减少，实现光电振荡锁模，具有较高的启动稳定性和一致性。

本发明目的之二在于提供一种光电振荡锁模激光器，以减少锁模启动时间，实现快速锁模启动。

本方案中的光电振荡锁模激光器，包括泵浦二极管、谐振腔、光电探测器、调制器、外部信号源和信号处理器；

用于实现如上述的光电振荡锁模方法，所述泵浦二极管信号连接至谐振腔，所述谐振腔的一输出端信号连接光电探测器的一输入端，所述光电探测器探测未锁模时的尖峰噪声、驰豫振荡、调Q脉冲和启动后的锁模脉冲，所述光电探测器的另一输出端信号连接至信号处理器的一输入端，所述外部信号源的一输出端信号连接至信号处理器的另一输入端，所述信号处理器的一输出端信号连接至调制器的一输入端，所述信号处理器用于进行自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡的信号混合处理放大，所述调制器与谐振腔信号连接。

本方案的有益效果是：

通过激光器的设置，能够增强光信号，锁模启动时间减少，实现光电振荡锁模，促进锁模，有效降低锁模阈值。

进一步，所述谐振腔包括线性谐振腔、可饱和吸收体谐振腔、非线性偏振旋转谐振腔、偏移滤波锁模谐振腔或非线性环形镜谐振腔。

有益效果是：能够以不同的谐振腔设置，适用范围更灵活。

进一步，所述调制器包括电光调制器、声光调制器、偏振控制调制器或压电陶瓷。

有益效果是：调制器连接于谐振腔，能够对信号的增强变化后驱动至谐振腔进行启动锁模。

进一步，所述信号处理器包括信号选择器、PID滤波放大器、驱动放大器、混频器和鉴相器，所述光电探测器和参考信号源均连接信号选择器，所述信号选择器连接混频器和/或鉴相器，所述混频器和/或鉴相器连接PID滤波放大器，所述PID滤波放大器连接驱动放大器，所述驱动放大器连接调制器。

有益效果是：以信号处理器的设置，可以灵活地选择不同地光电振荡方法，实现谐振腔的启动锁模。

进一步，所述信号处理器输出信号的频率范围为0-1MHz。

有益效果是：区别于主动锁模的输出频率严格等同于谐振腔的重复频率，信号处理器输出信号用于驱动调制器，使尖峰噪声增强，输出频率可以灵活设置。

附图说明

图1为本发明光电振荡锁模方法实施例的流程框图；

图2为本发明光电振荡锁模激光器实施例一的原理框图；

图3为本发明光电振荡锁模激光器实施例一中谐振腔的连接原理图；

图4为本发明光电振荡锁模激光器实施例一中未锁模的波形示意图；

图5为常规锁模方式下泵浦功率300mW的波形示意图；

图6为常规锁模方式下泵浦功率135mW的波形示意图；

图7为本发明光电振荡锁模激光器实施例一中泵浦功率135mW低阈值启动锁模结果波形示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明。

实施例一

光电振荡锁模方法，包括以下步骤：

S1，通过泵浦二极管在锁模启动过程中向谐振腔输入功率逐渐增加的泵浦光，由谐振腔中的增益光纤吸收泵浦光，转换为信号光，使得信号光在谐振腔中形成尖峰噪声。

S2，通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行自光电振荡，或通过外部信号源输出的外部信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行外光电振荡，或通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，和外部信号源输出的外部信号，经信号混合处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行互光电振荡。

S3，通过自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡，使尖峰噪声增强，转换为增加强度的尖峰噪声、驰豫振荡、和/或调Q脉冲，将光谱分裂展宽，完成谐振腔锁模，可实现单尖峰脉冲快速启动，锁模启动阈值降低，锁模启动时间减少，实现光电振荡锁模，具有较高的启动稳定性和一致性。

光电振荡锁模激光器，如图2所示：包括泵浦二极管、谐振腔、光电探测器、调制器、外部信号源和信号处理器，本实施例的调制器为压电陶瓷；用于实现前述的光电振荡锁模方法泵浦二极管信号连接至谐振腔，泵浦二极管在锁模激光器启动过程中输出功率逐渐增加的泵浦光至谐振腔进行振荡，谐振腔内形成尖峰噪声、驰豫振荡、或调Q脉冲，谐振腔的一输出端信号连接光电探测器的一输入端，光电探测器探测未锁模时的尖峰噪声、驰豫振荡、调Q脉冲和启动后的锁模脉冲。

光电探测器的另一输出端信号连接至信号处理器的一输入端，外部信号源的一输出端信号连接至信号处理器的另一输入端，信号处理器的一输出端信号连接至调制器的一输入端，信号处理器用于进行自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡的信号混合处理放大，调制器与谐振腔信号连接，调制器用于接收信号，产生对谐振腔的调制，使谐振腔处于频率锁定运行状态。外部信号源用于提供参考频率信号，参考频率信号的频率为零或任意频率，信号处理器比较滤波获得任意频点中心附近的低频弛豫振荡信号。

谐振腔包括线性谐振腔、可饱和吸收体谐振腔、非线性偏振旋转谐振腔、偏移滤波锁模谐振腔或非线性环形镜谐振腔，本实施例中谐振腔使用非线性放大环形镜谐振腔，如图3所示，非线性放大环形镜谐振腔包括波分复用器100、相移器110、分束器120、光纤布拉格光栅130、反射镜140、增益光纤150和压电陶瓷160，波分复用器100、相移器110、压电陶瓷160和分束器120顺序信号连接呈环状，分束器120通过增益光纤150信号连接反射镜140，泵浦二极管通过波分复用器100与光纤腔连接，启动过程中，提高泵浦二极管电流，逐渐增加腔内泵浦功率。

调制器包括电光调制器、声光调制器、偏振控制调制器或压电陶瓷。本实施例中的谐振腔采用压电陶瓷作为调制器。压电陶瓷160电连接于所述谐振腔的部分器件上，即压电陶瓷160电连接在相移器110和分束器120之间，或者压电陶瓷160电连接反射镜140，压电陶瓷在锁模启动后能够停止工作。

通过泵浦二级管向谐振腔注入泵浦光，谐振腔中的增益光纤吸收泵浦光，转换为信号光，信号光在谐振腔中形成尖峰噪声，在频域具有谐振腔信息。如图4所示，形成未锁模时的尖峰脉冲，通过传统的方法，在低泵浦功率下，将保持未锁模状态。光电探测器提取未锁模时的尖峰脉冲信号，用于信号处理电路的信号输入。

信号处理器包括信号选择器、PID滤波放大器、驱动放大器、混频器和鉴相器，光电探测器和参考信号源均连接信号选择器，信号选择器连接混频器和/或鉴相器，混频器和/或鉴相器连接PID滤波放大器，混频器与鉴相器的具体连接方式根据实际的光电振荡方式进行设置，PID滤波放大器连接驱动放大器，驱动放大器连接调制器。谐振腔以互光电振荡锁模方式进行锁模，此时，光电探测器探测到的尖峰脉冲信号，接入到信号处理器一输入端，外部信号源的输出信号接入到信号处理器另一输入端，通过信号处理器将两信号混合提取放大，驱动压电陶瓷，引起压电陶瓷长度变化，引起谐振腔的调制，用于谐振腔进行振荡启动锁模。

谐振腔以互光电振荡锁模方式进行锁模，谐振腔中的增益光纤吸收泵浦光，转换为信号光，信号光的状态包括尖峰噪声、驰豫振荡、和/或调Q脉冲状态；光电探测器将光信号转换成电信号输出至信号处理器，外部信号源输出外部信号至信号处理器；信号处理器信号混合处理放大，驱动控制谐振腔内压电陶瓷长度的变化，反馈作用于谐振腔进行锁模启动。

如图5所示，常规锁模方式需要通过300mW泵浦功率的高泵浦阈值来形成锁模，高泵浦阈值对应高强度，从图5上来看，前段为尖峰振荡状态，后段为锁模状态。如图6所示，在常规锁模方式下使用135mW泵浦功率的低泵铺阈值，会一直保持尖峰振荡状态，不能形成锁模状态状态，锁模光纤激光器原本的常规锁模方式，需要在300mW的泵浦光功率下，约在秒级可以实现锁模。

与常规锁模方式相比，本实施例的低阈值启动锁模激光器方案，通过将泵浦光输入到谐振腔，光电探测器探测到尖峰脉冲信号，接入到信号处理器一输入端，外部信号源的输出信号接入到信号处理器另一输入端，通过信号处理器将两信号混合提取放大，驱动压电陶瓷，引起压电陶瓷长度变化，引起谐振腔的调制，用于谐振腔进行振荡启动锁模。如图7所示，与图6在相同功率阈值下，通过互光电振荡的方式，可以实现较图6更强的振荡，该振荡可以使谐振腔从未锁模状态转换为锁模状态。与常规的锁模方式相比，可以降低一半以上的启动锁模阈值，可以将锁模建立时间减少到微秒到毫秒量级，能够稳定重复低阈值启动，避免高启动锁模阈值对其他光器件的损伤。

相较于常规锁模方式的以敲击激光器的一些光器件，形成一个扰动，来更快的从弛豫振荡状态达到锁模状态，本实施例的锁模激光器压电陶瓷的设置和位置连接关系，改进信号处理器参数，达到在低泵浦阈值下，实现快速、稳定锁模的效果；且，因锁模激光器都存在一重复频率，本实施例的锁模激光器通过光电探测器能够转换出重复频率信号，与外部信号源的参考频率信号进行比较，产生误差信号，通过信号处理器，将误差信号放大驱动压电陶瓷，当激光器的重复频率变大时，使压电陶瓷伸长，降低激光器重复频率，当激光器重复频率减小时，使压电陶瓷缩短，增加激光器重复频率，使激光器的重复频率更稳定。

实施例二

光电振荡锁模方法，与实施例一的区别在于，S2，仅通过光电探测器直接提取尖峰脉冲信号输出至信号处理器；

通过自身信号放大驱动自身完成锁模，不考虑外部信号作用，增强未锁模的状态，促进快速达到锁模的状态。

光电振荡锁模激光器，与实施例一的区别在于，谐振腔以自光电振荡锁模方式进行锁模，不考虑外部信号源对信号处理器的输出，通过将泵浦光输入到谐振腔，光电探测器探测到尖峰脉冲信号，接入到信号处理器一输入端；信号处理器将尖峰脉冲信号放大，驱动压电陶瓷，引起压电陶瓷长度变化，引起谐振腔的调制，用于谐振腔进行振荡启动锁模。通过自身信号放大驱动自身完成锁模，不考虑外部信号作用，增强未锁模的状态，促进快速达到锁模的状态。

实施例三

光电振荡锁模方法，与实施例一的区别在于，S2，仅通过外部信号源输出信号至信号处理器，不考虑光电探测器的输出信号。

光电振荡锁模激光器，与实施例一的区别在于，谐振腔以外光电振荡锁模方式进行锁模，只考虑外部信号源向信号处理器的输出，外部信号源输出信号至信号处理器，信号处理器将外部信号放大，驱动压电陶瓷，引起压电陶瓷长度变化，引起谐振腔的调制，用于谐振腔进行振荡启动锁模。通过外接信号直接驱动完成锁模，适用范围更大，增强未锁模的状态，以促进快速达到锁模的状态。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种光电振荡锁模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过泵浦二极管向谐振腔注入泵浦光，由谐振腔中的增益光纤吸收泵浦光，转换为信号光，使得信号光在谐振腔中形成尖峰噪声；

S2，通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行自光电振荡，或通过外部信号源输出的外部信号，经信号处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行外光电振荡，或通过光电探测器提取尖峰噪声转换为电信号，和外部信号源输出的外部信号，经信号混合处理放大，驱动连接于谐振腔的调制器进行互光电振荡；

S3，通过自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡，使尖峰噪声增强，转换为增加强度的尖峰噪声、驰豫振荡、和/或调Q脉冲，将光谱分裂展宽，完成谐振腔锁模。

2.一种光电振荡锁模激光器，包括泵浦二极管、谐振腔、光电探测器、调制器、外部信号源和信号处理器；其特征在于：

用于实现如权利要求1所述的光电振荡锁模方法，所述泵浦二极管信号连接至谐振腔，所述谐振腔的一输出端信号连接光电探测器的一输入端，所述光电探测器探测未锁模时的尖峰噪声、驰豫振荡、调Q脉冲和启动后的锁模脉冲，所述光电探测器的另一输出端信号连接至信号处理器的一输入端，所述外部信号源的一输出端信号连接至信号处理器的另一输入端，所述信号处理器的一输出端信号连接至调制器的一输入端，所述信号处理器用于进行自光电振荡、或外光电振荡、或互光电振荡的信号混合处理放大，所述调制器与谐振腔信号连接。

3.根据权利要求2所述的一种光电振荡锁模激光器，其特征在于：所述谐振腔包括线性谐振腔、可饱和吸收体谐振腔、非线性偏振旋转谐振腔、偏移滤波锁模谐振腔或非线性环形镜谐振腔。

4.根据权利要求2所述的一种光电振荡锁模激光器，其特征在于：所述调制器包括电光调制器、声光调制器、偏振控制调制器或压电陶瓷。

5.根据权利要求2所述的一种光电振荡锁模激光器，其特征在于：所述信号处理器包括信号选择器、PID滤波放大器、驱动放大器、混频器和鉴相器，所述光电探测器和参考信号源均连接信号选择器，所述信号选择器连接混频器和/或鉴相器，所述混频器和/或鉴相器连接PID滤波放大器，所述PID滤波放大器连接驱动放大器，所述驱动放大器连接调制器。

6.根据权利要求2所述的一种光电振荡锁模激光器，其特征在于：所述信号处理器输出信号的频率范围为0-1MHz。