[发明专利]光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体的讲是一种采用精密电压驱动的光纤挤压式电控偏振控制器对光纤激光器锁模状态进行控制和自启动的方法。

背景技术

光纤激光器具有小体积、免调节、高稳定性、高功率密度等优点，被广泛应用于材料精细加工、超快光学、时频域激光精密控制、光通信等重要领域。光纤激光器自身具有的很多物理特性如自相位调制、群速度色散、非线性偏振旋转等，使得光纤激光器较容易结合各种锁模技术实现激光器被动锁模，有效改善光纤激光锁模脉冲的脉宽，有利于产生超短脉冲。

在非线性偏振旋转锁模的光纤激光器中，一般情况下，都采用激光腔内插入波片或者手动偏振控制器来对光纤激光器锁模状态进行调节。在稳定的环境中，光纤激光器锁模状态较稳定。但在实际应用中存在和面临如下问题：

一、光纤激光器对空气流动，机械振动，声波噪声、周围温度变化等外界干扰源较为敏感。当外界环境发生变化时，光纤激光器锁模状态可能会改变，甚至模式完全失锁。如果该光纤激光器作为种子源应用在基于啁啾脉冲放大技术（CPA，chirped-pulse amplification）的激光系统中，当发生激光器模式失锁时，系统应该立即关闭激光放大级泵光，否则可能会损坏放大增益光纤。若要恢复系统正常工作，需要人工调节腔内状态（调节手动偏振控制器），直到光纤激光器重新锁模，但由于是手动调节，调节精度和可恢复性无法高精度量化，而且调节的效率不一定，所花时间长。

二、可稳定锁模的光纤激光器在恒定外界环境中，每次启动激光器，基于腔内各种激光锁模技术，较易达到光纤激光器的自启动锁模。但当光纤激光器使用周围环境变化时，如使用环境温度变化，光学器件的热胀冷缩导致光纤激光器腔内锁模条件的变化，在每次激光器开启的时候可能出现光纤激光器无法自锁模或者锁模状态改变的情况。

发明内容

本发明的目的是针对传统非线性偏振旋转锁模光纤激光器实际应用方面的不足之处，提供一种可以实现精密智能化腔内偏振状态控制和光纤激光器自启动的方法。该方法应用精密电压驱动的光纤挤压式电控偏振控制器连接于光纤激光器腔内，使模式失锁的光纤激光器智能化地实现锁模自启动，或者实现光纤激光器的锁模状态间的切换；通过监测和反馈光纤激光器输出光光强、重复频率和光谱等信息，精密地扫描光纤挤压式电控偏振控制器的驱动电压，使光纤激光器腔内的偏振状态得以精密控制。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种光纤激光器锁模自启动快速反馈控制方法，该方法包括以下具体步骤：

a、光纤激光振荡源采用掺镱、铒（Yb、Er-fiber）增益光纤的任一波长的超短脉冲激光器；在光纤激光器的环形腔中加入电控偏振控制器；

b、初始化电控偏振控制器，设置中点电压，并做一次计数测量；

c、根据前次计数测量的大小，设置控制电压尝试的步长：当前次计数测量值大于光纤激光器正常工作时的80%时，则使尝试步长变小为短步长；当前次计数测量值小于光纤激光器正常工作时的80%时，使用长步长；

d、电压尝试增加一个步长，其步长大小由上述步骤决定；

e、判断X轴驱动电压增加一个步长后的值：当该值大于最大驱动电压时，取消该轴的尝试电压一个步长的增加，使Y轴驱动电压增加一步长电压；当该值大于最大驱动电压时，取消Y轴的尝试电压一个步长的增加，使Z轴驱动电压增加一个步长电压; 当该值大于最大驱动电压时，返回至X轴一个步长电压的增加；

f、读取反馈信号，判断驱动电压步长的走向（增加或减小驱动电压），当反馈信号值为零时，驱动电压步长为零，即驱动电压维持不变。

一种实现上述方法的系统，该系统包括光纤激光器，接入光纤激光器的电控偏振控制器，与光纤激光器输出相连的光电探测器，接收光电探测器信号的频率计数器以及与其依次连接的FPGA模块、D/A转换器和电控偏振控制器的驱动模块电压放大器。

所述电控偏振控制器为光纤挤压式，其包括挤压方向互成45度角交错排列的三个光纤挤压器。由邦加球理论可知，三个互成45度的光纤挤压器可构成一个全波片，实现任意偏振态和固定偏振态之间的转换，达到偏振控制的目的。

本发明利用模式失锁激光器单位时间输出激光脉冲个数小于模式锁定状态下的激光器单位时间输出激光脉冲个数的特点，先用长的尝试步长的控制电压进行反馈保证控制速度的要求，在接近设定偏振状态时（在单位时间激光脉冲个数较接近设定值时），用短的尝试步长的控制电压使反馈信号变化幅度变小以保证控制精度，实现偏振状态控制和自恢复的一个过程。