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CN1333498C - 用于锁模激光器的振荡器启动控制的方法和装置 - Google Patents

用于锁模激光器的振荡器启动控制的方法和装置 Download PDF

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CN1333498C CNB038015072A CN03801507A CN1333498C CN 1333498 C CN1333498 C CN 1333498C CN B038015072 A CNB038015072 A CN B038015072A CN 03801507 A CN03801507 A CN 03801507A CN 1333498 C CN1333498 C CN 1333498C
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Abstract

本发明涉及用于振荡器启动控制的装置和方法，更具体地说，涉及一种用于过激励激光器以获得锁模操作的装置和方法。具有启动控制的振荡器具有安装在基座上的激光工作介质。激光泵浦源被安装在基座上，用于从激光工作介质中激发出激光束。锁模检测器件(64)被安装在基座周围。过激励电路(61)与用于确定振荡器的锁模状态的锁模检测器件和信号处理器件耦合在一起。当振荡器(63)未处于锁模状态时，过激励电路对泵浦源(62)进行过激励。

Description

用于锁模激光器的振荡器启动控制的方法和装置
背景技术
锁模激光器(mode-locked laser)产生一串极高重复率的脉冲。一个激光器要想实现锁模，就要求它在多种不同的空腔谐振模下同时振荡，并且这些振荡是同相的。锁模是激光器的一种特殊工作方式，其中，腔内的调制(幅度或相位调制器)迫使所有的激光器模式都工作在恒定的相位上，即锁相或“锁模”，使得激光器输出的时域形状构成连续重复的一串短(一般在皮秒(picoseconds)或毫微微秒(femtoseconds)的量级)的光脉冲。可饱和吸收体(saturable absorber)就是一种常用的锁模器件。
可饱和吸收体是一种随着光强度的增加而减少光吸收的材料。可饱和吸收体一般在固体激光器空腔中呈现出对光强度的这种效应。可饱和吸收体的主要参数是(它所吸收的)波长范围，其动态响应(它复原得有多快)及其饱和能量密度(saturationfluence)(每单位面积上它在什么脉冲能量上饱和)。关于可处置的能量密度(能量/面积)的大小，这种可饱和吸收体有一个上限；高于这个上限，可饱和吸收体将受到损害。另外，一旦激光器处于锁模状态，那么当聚焦激光束时，将可饱和吸收体过多地暴露在腔内的激光功率之下，也会对其造成损害。相反，如果所提供的能量不足，那么可饱和吸收体将停止锁模。
由于上述原因以及其它非线性光学效应，例如自相位调制和克尔透镜锁模的影响，因此希望获得一种能够过激励(overdrive)振荡器从而开始锁模的器件和方法。此外，这样一种器件和方法将提供一种反馈环路，以确定振荡器的锁模状态，并向振荡器泵浦源提供一个过激励以开始锁模，随后将激光能量减小到最小的可维持能级上。另外，应当减小激光功率以避免因很高的腔内功率而产生双脉冲列发射。
发明内容
本发明涉及一种用于振荡器启动控制的装置和方法，更具体地说，涉及一种用于过激励激光器以获得锁模操作的装置和方法。
为了解决上面所指出的问题，应当在一开始的短时间内以更高的强度来驱动激光振荡器，直到该激光器进入了锁模操作，并且随后减小泵浦功率以进行正常操作。要想实现以上操作，需在振荡器的启动过程中或者在振荡器停止锁模时过激励泵浦二极管的泵浦电流。
需要来自振荡器的反馈信号来指示激光器是否处于锁模操作。可以从锁模检测器件例如光电二极管中获得该信号。应使振荡器泵浦二极管按以下方式工作，即无论何时反馈信号指示出振荡器未处于锁模状态，就以可调的时间量和数值量来提升泵浦电流。
在本发明的一个方面中，带有启动控制的振荡器由基底、安装在所述基底上的激光工作介质、安装在所述基底上的激光泵浦源、安装在所述基底周围的锁模检测器件、以及与所述锁模检测器件和激光泵浦源相耦合的过激励电路，其中所述激光泵浦源用于从所述激光工作介质中激发出激光束，而所述激光束被引导沿着某一路径传播。激光泵浦源可以是二极管、激光器、弧光灯或其它源，不过这仅是示意性的，而非限制性的。
锁模器件可以是可检测出振荡器的锁模状态的任何器件。在一个实施方案中，锁模检测器件是光电二极管。
本发明可以使用振荡器的各种配置。在本发明的一个实施方案中，振荡器具有一个由Nd玻璃构成的激光工作介质。其它激光材料和晶体，例如掺杂Yb、Ti、Cr的基质(host)和其它物体，它们关于过激励支持都表现出类似的性质。
本发明的另外一个发明是过激励电路。该过激励电路被配置为使用锁模检测器件来检测锁模状态。当振荡器未锁模时，在振荡器启动或正常操作期间都有可能发生这种状态，这时将向泵浦源，例如激光泵浦二极管，提供电流。
在一个实施方案中，激光束由连续重复的一串皮秒或毫微微秒量级的短光脉冲构成。
在本发明的另一方面中，用于振荡器锁模的方法包括以下步骤：(a)在持续的时间段内向振荡器提供过激励电流，直到所述振荡器被锁模，(b)将提供给激光振荡器的过激励电流减小到所述激光振荡器的正常工作电流，并且(c)周期性地监控振荡器，以确定该振荡器是否锁模。
在本发明的又一个方面中，如果在步骤(c)中振荡器未锁模，则执行步骤(a)-(c)。
在本发明的一个实施方案中，如果振荡器未锁模，则产生一个错误信号。锁模检测器件被用来确定振荡器是否锁模。如果振荡器未锁模，则用于监控振荡器的锁模状态的电路将生成一个错误信号。
出于说明而非限制性的目的，适于所述装置和方法使用的脉冲型激光器的例子包括Nd玻璃激光器，例如IntraLase FS激光器；氩离子泵浦固态锁模激光器，例如Coherent公司Inova(氩)和Mira(钛蓝宝石)；二极管激光泵浦固态锁模激光器，例如连续波二极管泵浦倍频YAG和锁模钛蓝宝石激光器；以及直接二极管泵浦锁模固态激光器。
前面已经非常概括地勾画出了本发明的特点和技术优点的轮廓，以更好地理解后面对本发明的详细描述。下面将对本发明的特点和优点做进一步描述，它们构成了本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应当理解，可以很容易地将公开的概念和具体实施方案用作修改和设计其它结构的基础，以用于实现和本发明一样的目的。本领域的技术人员也应当意识到，这些等同的构造并没有背离所附权利要求所阐述的本发明的精神和范围。结合附图，从以下描述中将更好地理解据认为是本发明特性的新颖性特点、及其构成和操作方法，连同更多的目的和优点。然而，应当清楚地认识到，每一附图都只是出于示意和描述的目的，而并不想对本发明做出限制。
附图说明
为了更完整地理解本发明，下面的描述将结合附图来来进行，其中：
图1是可用于本发明的振荡器的示意图；
图2是反馈环路和监控电路的框图；以及
图3是用于过激励激光器泵浦源的电子电路的示意图。
具体实施方式
一开始先参考图1，其中示出了根据本发明来使用的振荡器10的示意图。本发明可以使用振荡器的各种配置。如图所示，振荡器10包括安装在基座14上的激光泵浦二极管12。激光泵浦二极管12产生具有一定波长的激光束16。当激光束16射出激光泵浦二极管12时，透镜20将激光束16聚焦穿过二色分光镜22，并入射到激光工作介质24上。
以本领域技术人员所公知的方式，来自激光泵浦二极管12的光束16中的光将在激光工作介质24上激发激光束26。例如，激光工作介质24可由Nd玻璃组成。一旦被激发，激光束26就从激光工作介质24出发射向输出耦合反射镜28。出于公开的目的，当参考图1时，应当理解，激光束26与它在振荡器10中所穿行的光路都被指定为标号26。
所举例的振荡器10的输出耦合器28对于入射到其上的激光束26，将反射其中约＞95％的光。从而允许激光束26中剩余的＜5％的光，即激光束26中未从输出耦合器28反射的那部分光射离振荡器10。另一方面，激光束26中从输出耦合器28反射的＞95％的光被反向传回二色光反射镜22。
在反射镜22处将激光束26反射到转动反射镜32，并被该反射镜3 2再反射到反射镜34。反射镜34以多层半导体结构制成，这种类型被本领域的技术人员公知为抗谐波Fabry-Perot可饱和吸收体(AFPSA)或半导体可饱和吸收镜(SESAM)。所述的SESAM是内建于反射镜结构中的半导体可饱和吸收体。具有这种结构的器件在光强度越高的地方反射的光越多。SESAM可以覆盖从小于800nm到大于1600nm的各种波长、从毫微微秒到毫微秒的脉冲宽度、以及从毫瓦到大于10瓦的平均功率水平。
然后，激光束26从反射镜34沿其光路26又反射回输出耦合器28。在它返回的光路上，激光束26依次被转动反射镜32和反射镜22反射。在输出耦合器28处，激光束26中超过95％的光被再次反射回去，在输出耦合器28和反射镜(SESAM)34之间往返一个来回。这个过程将按照本领域内公知的方式继续，直到产生了例如在眼外科中有用的脉冲化激光束36。正如这里所公开的，在反射镜34和输出耦合器28之间的光元件定义了通常所说的振荡器10的空腔(cavity)。
需要对振荡器10的空腔内的激光束26中的光进行色散控制，以建立并保持脉冲化的激光束26。对于本发明的振荡器10而言，在各反射元件的反射面上都适当地涂上了啁啾涂层(chirped coating)，例如反射镜22、输出耦合器28、转动反射镜32和反射镜34的反射面，使得短波(例如，蓝光)的群速度相对于长波(例如，红光)提高了。
当脉冲化激光束36(即，激光束26的5％)被输出耦合器28从振荡器10的空腔中发射出去的时候，它被传向分光镜38，其允许光束36的大约90％作为可用的光束36′通过。光束36′(即光束36的90％)主要是要应用于眼外科手术。光束36剩余的10％作为抽样光束36″从分光镜38被反射到光检测器40。
如图1所示，光检测器40通过线40与处理单元42相连。处理单元42通过线46与过激励电路49相连。过激励电路49通过线50与泵浦功率控制器47相连，泵浦功率控制器47通过线48与泵浦二极管12相连。
现在参考图2，所示意的简化框图示出了一个反馈环路和用于过激励泵浦源62的过激励电路61，以开始/保持振荡器锁模。泵浦源62被耦合到过激励电路61。泵浦源62向能够执行锁模操作的振荡器63提供泵浦功率。锁模检测器件64通过分光镜65与振荡器63耦合，并耦合到处理单元66，用于检测锁模操作。光电检测器，优选地为光电二极管，被用作锁模检测器件。还可以使用其它类型的光电检测器，包括CCD、光电倍增器或光电晶体管。另外，分光计、光谱分析仪、频率加倍检测器、非线性强度检测器或自动相关器都可以用作锁模检测器件。处理单元66接下来与过激励电路61相连，而过激励电路61与泵浦源62相连以形成一个反馈环路。
参考图3，示出了用于过激励泵浦源的电路的一个实施方案。进入的锁模错误信号是数字信号(例如，如果激光器未正确锁模，则为1)，其来自处理单元，而该处理单元用于分析来自检测器件的信号。它触发一个单稳触发器，并在一定时间段内将出口U2转换到高状态中。工作(up)时间由R0*C1时间常数来调整(一般约为3秒)。后面的运算放大器作为反相加法器来使用。它将过激励电压U2*(R1/R2)加到泵浦源的基本设置U3*(R1/R3)上。U3是一个固定的参考电压。然后，这个相加的结果被第二运算放大器(增益是-R5/R4)反转并放大。最终的出口电压U5被提供到泵浦源中，以按比例地驱动它。也可以使用可替换的电路，只要该电路能对振荡器脱离了锁模操作作出响应，能够在有限的时间段内提供一个过激励，从而将所述振荡器重新置于锁模操作中。
用于过激励特定激光器的具体百分比在一定程度上取决于激光器的变量，包括所使用的增益材料、所使用的可饱和吸收体、反射镜的涂层、以及激光器空腔的设计。然而，对于给定的激光器而言，开始锁模所需的具体功率可由激光器的操作者来决定。然后，这个基本功率水平增加一定的量或百分比，以将振荡器置于锁模操作中。应当使功率得到足够的增加，但是也应进行限制，以使得激光器的可饱和吸收体或其它组件不受到损伤。在一个实施方案中，为进入锁模操作，在基电流(base current)上所增加的过激励电流的百分比介于3％-60％之间。其它振荡器的过激励电流可能介于1％到500％之间。再次强调，确定用于开始锁模操作的基电流是很重要的。
例如，在本发明的一个实施方案中，具有二极管泵浦激光器的振荡器的工作电流是0.8安培。在启动振荡器时，向二极管泵浦激光器提供200mA的过激励电流。包括光电检测器的反馈环路监控活动中的激光器，以确定这个活动激光器何时实现锁模操作。当所述活动激光器实现锁模操作时，过激励电流将被减小到正常的工作电流。接下来，所述活动激光器受到监控。如果该活动激光器脱离了锁模操作，则生成一个错误信号。一个电路接收到这个信号，并向二极管泵浦激光器提供过激励电流，直到所述活动激光器再次进入锁模操作。在所述活动激光器的运行期间，连续进行周期性的监控。
虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变、替换和更换。而且，并不想把本发明的范围限制为本说明书中所描述的过程、机器、制造、物体成份、装置、方法和步骤的具体实施方案。本领域的普通技术人员很容易理解，根据本发明的公开内容，可以根据本发明来使用现存的或以后出现的、用于执行与这里所述的对应实施例基本相同的功能或实现基本相同效果的多种过程、机器、制造、物体成份、装置、方法和步骤。因此，所附权利要求想要将这些过程、机器、制造、物体成份、装置、方法和步骤全都包括在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种具有启动控制的振荡器，包括：
激光工作介质；
激光泵浦源，用于从所述激光工作介质中激发激光束，所述激光束被引导沿着一条光路传送；
用于监控所述激光束的锁模检测器件；
连接到锁模检测器件的处理单元，所述的处理单元被配置用于检测锁模状态；以及
与所述的处理单元和激光泵浦源相连接的过激励电路，所述的过激励电路被配置用以向激光泵浦源提供电流，以致启动振荡器锁模。
2.如权利要求1所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述锁模检测器件是光电检测器。
3.如权利要求2所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述光电检测器是光电二极管、光电倍增器或光电晶体管中的任何一个。
4.如权利要求1所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述锁模检测器件是分光计、光谱分析仪、频率加倍检测器、非线性强度检测器或自动相关器中的任何一个。
5.如权利要求1所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述激光工作介质由Nd玻璃构成。
6.如权利要求1所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述激光泵浦源是二极管、激光器或弧光灯中的任何一个。
8.如权利要求1所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述激光束由连续重复的一串皮秒量级的短光脉冲构成。
9.如权利要求1所述的具有启动控制的振荡器，其中，所述激光束由连续重复的一串毫微微秒量级的短光脉冲构成。
10.一种用于振荡器锁模的方法，包括以下步骤：
(a)在持续的时间段内向振荡器提供过激励电流以启动锁模；
(b)将提供给所述振荡器的所述过激励电流减小到所述振荡器的正常工作电流；以及
(c)周期性地监控所述振荡器，以确定所述振荡器是否锁模。
11.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
(d)如果在步骤(c)中所述振荡器未锁模，则执行步骤(a)-(c)。
12.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
(d)如果振荡器未锁模，则产生一个错误信号。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述振荡器包括：激光工作介质；
激光泵浦源，用于从所述激光工作介质中激发激光束，所述激光束被引导沿着一条光路传送；
用于监控所述激光束的锁模检测器件；
连接到所述的锁模检测器件上的处理单元，所述的处理单元被配置用于检测锁模状态；以及
与所述处理单元和激光泵浦源相连接的过激励电路，所述的过激励电路被配置用以向所述的激光泵浦源提供电流，以致启动振荡器锁模。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述锁模检测器件是光电检测器。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述光电检测器是光电二极管、光电倍增器或光电晶体管中的任何一个。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述锁模检测器件是分光计、光谱分析仪、频率加倍检测器、非线性强度检测器或自动相关器中的任何一个。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述激光工作介质由Nd玻璃构成。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述激光泵浦源是二极管、激光器或弧光灯中的任何一个。
20.如权利要求13所述的方法，其中，所述激光束由连续重复的一串皮秒量级的短光脉冲构成。
21.如权利要求13所述的方法，其中，所述激光束由连续重复的一串毫微微秒量级的短光脉冲构成。
22.如权利要求15所述的方法，其中，所述激光泵浦源是二极管、激光器或弧光灯中的任何一个。
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