用于稳定脉冲激光输出的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明大致涉及用于稳定脉冲激光器输出的装置，且更具体地涉及使用实时反馈控制和声光可调谐调制器(acousto-optic tunable modulator, A0TM)的用于稳定脉冲激光器输出的装置。
【背景技术】
[0002]自21世纪以来，光源已得到大力地发展。除激光器产业之外，诸如发光二极管(LED)和半导体光学放大器(SOA)等各种其他元件也得到快速地发展并用于诸如照明、测试和皮肤护理等各种工业应用。在带宽激光器领域中，也已通过使用非线性效应(nonlinear effect)恰当地开发出250nm至2500nm的超宽带光源元件(光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator)和超连续谱源(Super-continuum source)等)。这些宽带光源已通过使用新的波长带而在光学通信、光学测量和生物成像领域中拓展了它们的应用范围。
[0003]然而，在宽带激光器的情况下，时间依赖性输出功率变化非常大。由于在工业中使用的常规低功率激光器(〈1W)是连续波(CW)型激光器，所以它们是非常稳定的激光器，且它们的时间依赖性输出变化小于5%。同时，由于宽带激光器是脉冲型激光器并使用非线性晶体，所以它们的时间依赖性输出变化非常大。
【发明内容】
[0004]技术问题
[0005]本发明的实施例提供了一种用于稳定脉冲激光器输出的装置，以用于稳定宽带脉冲激光器的输出。
[0006]技术方案
[0007]根据本发明的实施例的用于稳定脉冲激光器输出的装置可包括:定向耦合器，其用于接收脉冲激光器的输出，使得所述输出分支成第一光路和第二光路；光电探测器，其用于接收分支成所述第一光路的光并根据所述光的强度输出电流；电流-电压转换器，其用于将所述光电探测器的输出电流转换成电压并输出所转换的电压；函数发生器，其用于提供具有预定频率并与所述电流-电压转换器的输出信号成比例的输出；延时器，其被布置在所述第二光路上，以提供用于反馈控制的预定时间延迟；以及声光可调谐调制器，其用于接收所述函数发生器的输出信号以及从所述延时器提供的光学信号作为输入，并根据所述函数发生器的所述输出信号的振幅来调制和输出从所述延时器提供的所述光学信号。
[0008]在示例实施例中，所述用于稳定脉冲激光器输出的装置可还包括:放大器，其被布置在所述电流-电压转换器与所述函数发生器之间，以放大所述电流-电压转换器的输出信号并提供所放大的输出信号作为所述函数发生器的输入信号。
[0009]在示例实施例中，所述声光可调谐调制器可包括:盘状的压电换能器，其具有第一通孔，所述第一通孔形成在所述压电换能器的中心，且所述压电换能器用于生成声波；圆锥形的电介质椎体，其具有第二通孔，所述第二通孔形成在所述电介质椎体的中心；光纤，其被插入到所述第一通孔和所述第二通孔中以进行布置；以及消音器，其与所述电介质椎体间隔开预定距离，并与所述光纤耦接。
[0010]在示例实施例中，所述脉冲激光器的波长可以是可变的。
[0011 ] 在示例实施例中，所述延时器的延迟时间可处于50微秒和70微秒之间。
[0012]根据本发明的实施例的脉冲激光输出稳定方法可包括:接收脉冲激光器的输出光，以使所述输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，以根据光强度输出第一电流；将所述第一电流转换成第一电压；提供具有预定频率并与所述第一电压成比例的第二电压的输出；在所述第二光路上提供预定时间延迟；并接收所述第二电压，以根据所述第二电压的大小对所述第二光路的经时间延迟的光学信号进行声光调制并输出。
[0013]在示例实施例中，所述脉冲激光输出稳定方法可还包括:放大所述第一电压。
[0014]在示例实施例中，所述脉冲激光器的波长可以是可变的。
[0015]在示例实施例中，所述延迟时间可处于50微秒和70微秒之间。
【附图说明】
[0016]根据附图及随附的详细说明，本发明将变得更加明显。通过示例而非限制的方式来提供这里描述的实施例，其中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。附图不必按比例绘制，而是重点图示本发明的各方面。
[0017]图1图示了光纤声光可调谐调制器。
[0018]图2是根据本发明的实施例的用于稳定脉冲激光器输出的装置的框图。
[0019]图3a是测量声光可调谐调制器(AOTM)的传输控制特性的测试示意图。
[0020]图3b和3c分别图示了声光可调谐调制器(AOTM)的依赖于频率的调制性能。
[0021]图4a和4b分别图示了声光可调谐调制器(AOTM)的依赖于电压的调制性能。
[0022]图5a和5b分别图示了声光可调谐调制器(AOTM)的依赖于电压的操作延迟时间。
【具体实施方式】
[0023]目前已研制出诸如光学参量振荡器(OPO)和超连续谱源(SC)之类的在250nm至2500nm的波长范围中操作的激光器，以满足宽带激光器的需求。然而，与连续波(CW)激光器的输出相比，由于脉冲类型和非线性特性的原因，这些激光器的输出更不稳定。因此，需要一种用于实时地稳定宽带激光器的输出的装置。
[0024]本发明提供了一种用于实时地稳定脉冲激光器的输出的装置，该装置可在250nm至2500nm的宽波长范围中操作。
[0025]首先，将说明声光波长可调谐调制器的工作原理，该声光波长可调谐调制器是根据本发明的用于稳定脉冲激光器输出的装置的必要部件。
[0026]图1图示了光纤声光可调谐调制器。
[0027]参考图1，光纤声光可调谐调制器(AOTM) 140包括光纤144、用于施加声波的声生成部142以及在通过所生成的声波产生精密弯曲(fine bending)时吸收声能的消音器145。
[0028]声生成部142可包括盘状的压电换能器142a和电介质椎体142b。压电换能器142a可以是剪切模式(shear mode)的锆钛酸铅(PZT)压电换能器。压电换能器142a与电介质椎体142b彼此结合。在压电换能器142a的中心形成有第一通孔，且在电介质椎体142b的中心轴上形成有第二通孔。光纤144被插入到第一通孔和第二通孔中。
[0029]从激光器发射的高斯形态(Gaussian shape)的LPOl模式的光可沿着光纤144传播。在此情况下，当函数发生器(funct1n generator) 180将预定振荡频率的正弦型电压信号施加至压电换能器142a时，压电换能器142a可根据振荡频率在垂直方向上生成声波。因此，与压电换能器142a结合的电介质椎体142b将声能集中在电介质椎体142b的顶点。因此，声能在光纤144处产生周期性弯曲(per1dical bending)。当周期性弯曲的周期满足相位匹配条件时，可将LPOl模式最大限度地转换成LPlm模式。相位匹配条件对应于如下情形:声波长(Λ)等于LPOl模式和LPlm模式的有效折射率。
[0030]艮口，β01-βη=2π/Λ，
[0031]这里，^tll表示LPOl模式的传播常数，且β η表示LPlm模式的传播常数。
[0032]消音器145被布置成沿着光纤144与电介质椎体142b充分地间隔开。消音器145可吸收沿着光纤144传播的声能。
[0033]可以通过未示出的模消除器(mode stripper)来去除所转换的LPlm模式，其中该模消除器为具有更高模式的模消除器。因此，可以对被从激光器提供至AOTM 140的LPOl模式的传输进行调整。即，AOTM 140可执行强度调制。
[0034]AOTM 140可通过用于对被提供至函数发生器180的周期性弯曲进行调整的频率(f)以及用于对弯曲的振幅进行调整的电压(V)来调制输入端子的传输。
[0035]图2是根据本发明的实施例的用于稳定脉冲激光器输出的装置的框图。
[0036]参考图2，用于稳定脉冲激光器输出的装置包括定向耦合器120、光电探测器150、电流-电压转换器160、函数发生器180、延时器130以及声光可调谐调制器140，其中，定向親合器120用于接收脉冲激光器10的输出以便该输出分支成第一光路和第二光路，光电探测器150用于接收分支成第一光路的光并根据光的强度输出电流，电流-电压转换器160用于将光电探测器150的输出电流转换成电压并输出所转换的电压，函数发生器180用于提供具有预定频率并与电流-电压转换器160的输出信号成比例的输出，延时器130被布置在第二光路上以提供用于反馈控制的预定时间延迟，且声光可调谐调制器140用于接收函数发生器180的输出信号以及从延时器130提供的光学信号作为输入并根据函数发生器180的输出信号的振幅来调制和输出从延时器130提供的光学信号。
[0037]能够实时地提供反馈的激光器输出稳定装置可被分类为光学模块和电子模块。电子模块执行反馈功能，以生成稳定的脉冲。
[0038]脉冲激光器10输出脉冲光，且脉冲光的强度随时间变得不稳定。脉冲激光器10可以是光参量振荡器(0P0)或超连续谱源(SC)。脉冲激光器10的波长是可变的。脉冲激光器10的频率可在250nm至2500nm的范围内的整个或部分区域中变化。
[0039]脉冲光被提供至定向耦合器120。定向耦合器120将光路划分成第一光路和第二光路。更具体地，脉冲激光器的输出光可经由光纤定向耦合器分支成两条光路。
[0040]沿着第一光路传播的第一光被提供至光电探测器150，以向A0TM140提供控制信号。AOTM 140对沿着第二光路传播的第二光进行调制。延时器130被布置在AOTM 140与定向耦合器120之间，以对用于调制被提供至AOTM 140的第二光的时间延迟进行补偿。延时器130可以是光纤。由延时器130提供的时间延迟可处于数微秒(y sec)与数十微秒之间。
[0041]第一光被提供至光电探测器150。光电探测器150可以是能调整温度的发光二极管。光电探测器150可将第一光的强度转换成电流。光电探测器150的输出信号可通过电流-电压转换器160被转换成电压信号。
[0042]由于电流-电压转换器160的输出信号的大小为小，所以电流-电压转换器160的输出信号可被提供至放大器170。放大器170可放大并输出输入电压信号。放大器170的增益是可变的。
[0043]放大器170的输出信号被提供至函数发生器180。函数发生器180的输出信号可具有预定频率并与输入信号成比例。在具有1500nm的波长范围的激光脉冲的输入端子的情况下，上述频率可以为2.23MHz至2.27MHzο
[0044]函数发生器180的输出信号被提供至AOTM 140。AOTM 140通过使用函数发生器180的频率和放大器170的输出电压来振动光纤，以调整传输。
[0045]例如，当脉冲激光器10输出高功率脉冲时，延时器130使时间发生延迟，且被放大的由光电探测器150检测的电压与函数发生器180结合，以向AOTM 140提供控制信号，使得传输减小以仅使固定量的光在延迟的时间内传输。另一方