用于穩(wěn)定脈沖激光輸出的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大致涉及用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置，且更具體地涉及使用實時反饋控制和聲光可調(diào)諧調(diào)制器(acousto-optic tunable modulator, A0TM)的用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自21世紀以來，光源已得到大力地發(fā)展。除激光器產(chǎn)業(yè)之外，諸如發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)等各種其他元件也得到快速地發(fā)展并用于諸如照明、測試和皮膚護理等各種工業(yè)應(yīng)用。在帶寬激光器領(lǐng)域中，也已通過使用非線性效應(yīng)(nonlinear effect)恰當?shù)亻_發(fā)出250nm至2500nm的超寬帶光源元件(光學(xué)參量振蕩器(Optical Parametric Oscillator)和超連續(xù)譜源(Super-continuum source)等)。這些寬帶光源已通過使用新的波長帶而在光學(xué)通信、光學(xué)測量和生物成像領(lǐng)域中拓展了它們的應(yīng)用范圍。
[0003]然而，在寬帶激光器的情況下，時間依賴性輸出功率變化非常大。由于在工業(yè)中使用的常規(guī)低功率激光器(〈1W)是連續(xù)波(CW)型激光器，所以它們是非常穩(wěn)定的激光器，且它們的時間依賴性輸出變化小于5%。同時，由于寬帶激光器是脈沖型激光器并使用非線性晶體，所以它們的時間依賴性輸出變化非常大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明的實施例提供了一種用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置，以用于穩(wěn)定寬帶脈沖激光器的輸出。
[0006]技術(shù)方案
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置可包括:定向耦合器，其用于接收脈沖激光器的輸出，使得所述輸出分支成第一光路和第二光路；光電探測器，其用于接收分支成所述第一光路的光并根據(jù)所述光的強度輸出電流；電流-電壓轉(zhuǎn)換器，其用于將所述光電探測器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓并輸出所轉(zhuǎn)換的電壓；函數(shù)發(fā)生器，其用于提供具有預(yù)定頻率并與所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出信號成比例的輸出；延時器，其被布置在所述第二光路上，以提供用于反饋控制的預(yù)定時間延遲；以及聲光可調(diào)諧調(diào)制器，其用于接收所述函數(shù)發(fā)生器的輸出信號以及從所述延時器提供的光學(xué)信號作為輸入，并根據(jù)所述函數(shù)發(fā)生器的所述輸出信號的振幅來調(diào)制和輸出從所述延時器提供的所述光學(xué)信號。
[0008]在示例實施例中，所述用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置可還包括:放大器，其被布置在所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器與所述函數(shù)發(fā)生器之間，以放大所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出信號并提供所放大的輸出信號作為所述函數(shù)發(fā)生器的輸入信號。
[0009]在示例實施例中，所述聲光可調(diào)諧調(diào)制器可包括:盤狀的壓電換能器，其具有第一通孔，所述第一通孔形成在所述壓電換能器的中心，且所述壓電換能器用于生成聲波；圓錐形的電介質(zhì)椎體，其具有第二通孔，所述第二通孔形成在所述電介質(zhì)椎體的中心；光纖，其被插入到所述第一通孔和所述第二通孔中以進行布置；以及消音器，其與所述電介質(zhì)椎體間隔開預(yù)定距離，并與所述光纖耦接。
[0010]在示例實施例中，所述脈沖激光器的波長可以是可變的。
[0011 ] 在示例實施例中，所述延時器的延遲時間可處于50微秒和70微秒之間。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實施例的脈沖激光輸出穩(wěn)定方法可包括:接收脈沖激光器的輸出光，以使所述輸出光分支成第一光路和第二光路；接收分支成所述第一光路的光，以根據(jù)光強度輸出第一電流；將所述第一電流轉(zhuǎn)換成第一電壓；提供具有預(yù)定頻率并與所述第一電壓成比例的第二電壓的輸出；在所述第二光路上提供預(yù)定時間延遲；并接收所述第二電壓，以根據(jù)所述第二電壓的大小對所述第二光路的經(jīng)時間延遲的光學(xué)信號進行聲光調(diào)制并輸出。
[0013]在示例實施例中，所述脈沖激光輸出穩(wěn)定方法可還包括:放大所述第一電壓。
[0014]在示例實施例中，所述脈沖激光器的波長可以是可變的。
[0015]在示例實施例中，所述延遲時間可處于50微秒和70微秒之間。
【附圖說明】
[0016]根據(jù)附圖及隨附的詳細說明，本發(fā)明將變得更加明顯。通過示例而非限制的方式來提供這里描述的實施例，其中，相同的附圖標記表示相同或相似的元件。附圖不必按比例繪制，而是重點圖示本發(fā)明的各方面。
[0017]圖1圖示了光纖聲光可調(diào)諧調(diào)制器。
[0018]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置的框圖。
[0019]圖3a是測量聲光可調(diào)諧調(diào)制器(AOTM)的傳輸控制特性的測試示意圖。
[0020]圖3b和3c分別圖示了聲光可調(diào)諧調(diào)制器(AOTM)的依賴于頻率的調(diào)制性能。
[0021]圖4a和4b分別圖示了聲光可調(diào)諧調(diào)制器(AOTM)的依賴于電壓的調(diào)制性能。
[0022]圖5a和5b分別圖示了聲光可調(diào)諧調(diào)制器(AOTM)的依賴于電壓的操作延遲時間。
【具體實施方式】
[0023]目前已研制出諸如光學(xué)參量振蕩器(OPO)和超連續(xù)譜源(SC)之類的在250nm至2500nm的波長范圍中操作的激光器，以滿足寬帶激光器的需求。然而，與連續(xù)波(CW)激光器的輸出相比，由于脈沖類型和非線性特性的原因，這些激光器的輸出更不穩(wěn)定。因此，需要一種用于實時地穩(wěn)定寬帶激光器的輸出的裝置。
[0024]本發(fā)明提供了一種用于實時地穩(wěn)定脈沖激光器的輸出的裝置，該裝置可在250nm至2500nm的寬波長范圍中操作。
[0025]首先，將說明聲光波長可調(diào)諧調(diào)制器的工作原理，該聲光波長可調(diào)諧調(diào)制器是根據(jù)本發(fā)明的用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置的必要部件。
[0026]圖1圖示了光纖聲光可調(diào)諧調(diào)制器。
[0027]參考圖1，光纖聲光可調(diào)諧調(diào)制器(AOTM) 140包括光纖144、用于施加聲波的聲生成部142以及在通過所生成的聲波產(chǎn)生精密彎曲(fine bending)時吸收聲能的消音器145。
[0028]聲生成部142可包括盤狀的壓電換能器142a和電介質(zhì)椎體142b。壓電換能器142a可以是剪切模式(shear mode)的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電換能器。壓電換能器142a與電介質(zhì)椎體142b彼此結(jié)合。在壓電換能器142a的中心形成有第一通孔，且在電介質(zhì)椎體142b的中心軸上形成有第二通孔。光纖144被插入到第一通孔和第二通孔中。
[0029]從激光器發(fā)射的高斯形態(tài)(Gaussian shape)的LPOl模式的光可沿著光纖144傳播。在此情況下，當函數(shù)發(fā)生器(funct1n generator) 180將預(yù)定振蕩頻率的正弦型電壓信號施加至壓電換能器142a時，壓電換能器142a可根據(jù)振蕩頻率在垂直方向上生成聲波。因此，與壓電換能器142a結(jié)合的電介質(zhì)椎體142b將聲能集中在電介質(zhì)椎體142b的頂點。因此，聲能在光纖144處產(chǎn)生周期性彎曲(per1dical bending)。當周期性彎曲的周期滿足相位匹配條件時，可將LPOl模式最大限度地轉(zhuǎn)換成LPlm模式。相位匹配條件對應(yīng)于如下情形:聲波長(Λ)等于LPOl模式和LPlm模式的有效折射率。
[0030]艮口，β01-βη=2π/Λ，
[0031]這里，^tll表示LPOl模式的傳播常數(shù)，且β η表示LPlm模式的傳播常數(shù)。
[0032]消音器145被布置成沿著光纖144與電介質(zhì)椎體142b充分地間隔開。消音器145可吸收沿著光纖144傳播的聲能。
[0033]可以通過未示出的模消除器(mode stripper)來去除所轉(zhuǎn)換的LPlm模式，其中該模消除器為具有更高模式的模消除器。因此，可以對被從激光器提供至AOTM 140的LPOl模式的傳輸進行調(diào)整。即，AOTM 140可執(zhí)行強度調(diào)制。
[0034]AOTM 140可通過用于對被提供至函數(shù)發(fā)生器180的周期性彎曲進行調(diào)整的頻率(f)以及用于對彎曲的振幅進行調(diào)整的電壓(V)來調(diào)制輸入端子的傳輸。
[0035]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置的框圖。
[0036]參考圖2，用于穩(wěn)定脈沖激光器輸出的裝置包括定向耦合器120、光電探測器150、電流-電壓轉(zhuǎn)換器160、函數(shù)發(fā)生器180、延時器130以及聲光可調(diào)諧調(diào)制器140，其中，定向親合器120用于接收脈沖激光器10的輸出以便該輸出分支成第一光路和第二光路，光電探測器150用于接收分支成第一光路的光并根據(jù)光的強度輸出電流，電流-電壓轉(zhuǎn)換器160用于將光電探測器150的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓并輸出所轉(zhuǎn)換的電壓，函數(shù)發(fā)生器180用于提供具有預(yù)定頻率并與電流-電壓轉(zhuǎn)換器160的輸出信號成比例的輸出，延時器130被布置在第二光路上以提供用于反饋控制的預(yù)定時間延遲，且聲光可調(diào)諧調(diào)制器140用于接收函數(shù)發(fā)生器180的輸出信號以及從延時器130提供的光學(xué)信號作為輸入并根據(jù)函數(shù)發(fā)生器180的輸出信號的振幅來調(diào)制和輸出從延時器130提供的光學(xué)信號。
[0037]能夠?qū)崟r地提供反饋的激光器輸出穩(wěn)定裝置可被分類為光學(xué)模塊和電子模塊。電子模塊執(zhí)行反饋功能，以生成穩(wěn)定的脈沖。
[0038]脈沖激光器10輸出脈沖光，且脈沖光的強度隨時間變得不穩(wěn)定。脈沖激光器10可以是光參量振蕩器(0P0)或超連續(xù)譜源(SC)。脈沖激光器10的波長是可變的。脈沖激光器10的頻率可在250nm至2500nm的范圍內(nèi)的整個或部分區(qū)域中變化。
[0039]脈沖光被提供至定向耦合器120。定向耦合器120將光路劃分成第一光路和第二光路。更具體地，脈沖激光器的輸出光可經(jīng)由光纖定向耦合器分支成兩條光路。
[0040]沿著第一光路傳播的第一光被提供至光電探測器150，以向A0TM140提供控制信號。AOTM 140對沿著第二光路傳播的第二光進行調(diào)制。延時器130被布置在AOTM 140與定向耦合器120之間，以對用于調(diào)制被提供至AOTM 140的第二光的時間延遲進行補償。延時器130可以是光纖。由延時器130提供的時間延遲可處于數(shù)微秒(y sec)與數(shù)十微秒之間。
[0041]第一光被提供至光電探測器150。光電探測器150可以是能調(diào)整溫度的發(fā)光二極管。光電探測器150可將第一光的強度轉(zhuǎn)換成電流。光電探測器150的輸出信號可通過電流-電壓轉(zhuǎn)換器160被轉(zhuǎn)換成電壓信號。
[0042]由于電流-電壓轉(zhuǎn)換器160的輸出信號的大小為小，所以電流-電壓轉(zhuǎn)換器160的輸出信號可被提供至放大器170。放大器170可放大并輸出輸入電壓信號。放大器170的增益是可變的。
[0043]放大器170的輸出信號被提供至函數(shù)發(fā)生器180。函數(shù)發(fā)生器180的輸出信號可具有預(yù)定頻率并與輸入信號成比例。在具有1500nm的波長范圍的激光脈沖的輸入端子的情況下，上述頻率可以為2.23MHz至2.27MHzο
[0044]函數(shù)發(fā)生器180的輸出信號被提供至AOTM 140。AOTM 140通過使用函數(shù)發(fā)生器180的頻率和放大器170的輸出電壓來振動光纖，以調(diào)整傳輸。
[0045]例如，當脈沖激光器10輸出高功率脈沖時，延時器130使時間發(fā)生延遲，且被放大的由光電探測器150檢測的電壓與函數(shù)發(fā)生器180結(jié)合，以向AOTM 140提供控制信號，使得傳輸減小以僅使固定量的光在延遲的時間內(nèi)傳輸。另一方