【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自锁模激光器，尤其涉及一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统。
技术介绍
1、锁模激光器能产生脉冲时间宽度在皮秒至飞秒量级的超短脉冲，具有很高的脉冲峰值功率与时间分辨率，在时间分辨光谱学、强场极端物理等前沿科研，超分辨显微镜、双光子成像等生命科学方面，以及远距离测控、激光精细加工等先进制造领域，都存在非常重要的应用。垂直外腔面发射半导体激光器(vecsel)利用半导体能带工程，可以柔性设计激光输出中心波长，进一步拓展锁模激光器的应用场景。自锁模vecsel激光器是利用增益介质在腔内高功率密度下存在的非线性透镜效应，结合特殊的激光谐振腔设计，当腔内功率密度达到一定阈值下，可以自动启动锁模过程。由于不需要额外增加启动锁模的元件，腔内损耗更低，有利于产生更高功率输出；同时简化了激光器结构，增加了激光器的机械稳定性和便携性能。
2、在自锁模vecsel激光器的具体应用场景中，通常需要锁模脉冲根据应用需求进行快速的通断操作。目前常用的技术方案有两种，一是让激光器始终稳定运行于自锁模模式，在输出激光光路上通过光电或者机电的方法实现通断控制，这类方法会显著提高成本，且速度较慢。二是通过电驱动泵浦光的通断，从而控制自锁模脉冲的启停操作。由于电子元器件性能限制，很难同时实现较大功率和高频调制需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，能够满足应用场景中对数瓦级平均功率的锁模脉冲的高速通断需求。
2、为了达到上述目
3、进一步，将所述激光器连续模式下所需的泵浦光功率的范围q从小到大平均分为n段，所述调制电路断开状态下泵浦激光二极管的输出功率的取值为范围q中靠近激光器竞争模式的一段。
4、进一步，所述输入电路包括恒压电源，所述偏置电路包括偏置电阻，所述调制电路包括高频功率调整管。
5、进一步，所述高频功率调整管处于断开状态时，所述驱动电路注入所述泵浦激光二极管的偏置电流为：其中vs为恒压电源电压，vd为泵浦激光二极管的电压，r1为限流电阻，r2为偏置电阻；
6、所述高频功率调整管处于接通状态时，所述驱动电路注入所述泵浦激光二极管的调制电流为
7、进一步，所述泵浦激光二极管发出的泵浦激光光束由泵浦光准直聚焦系统进行准直和聚焦。
8、进一步，所述半导体增益芯片设置在复合热沉上，所述复合热沉用于散热和控温。
9、进一步，所述电驱动单元的确定包括以下步骤：
10、确定激光器中连续模式下的泵浦光功率范围q以及锁模模式下的泵浦光功率范围w；在范围q中选取功率值p1作为连续激光所需的泵浦功率；在锁模模式下的泵浦光功率范围w中选取一个功率值p2作为锁模脉冲所需的泵浦功率；
11、根据功率值p1和功率值p2确定偏置电流id和调制电流的大小im；根据偏置电流id和调制电流的大小im确定高频功率调整管、vs、r1和r2。
12、进一步，所述限流电阻的阻值为0.1ω-0.5ω。
13、本技术方案的工作原理在于：vecsel激光器运转时，腔内存在较高的循环功率，其在半导体增益芯片上的非线性透镜效应，可以等效为和腔内循环功率密度大小相关的透镜，该透镜会改变激光谐振腔结构，进而改变在半导体增益芯片上的激光光斑大小。利用泵浦激光光斑作为软光阑，实现连续激光和锁模脉冲光的差异化增益(或损耗)，使得锁模脉冲光在模式竞争中胜出。当泵浦光功率较低时，非线性透镜效应可以忽略不计，vecsel激光器输出稳定的连续激光。当泵浦光功率增大到一定程度，腔内循环功率密度增大，出现较弱透镜效应，此时半导体增益芯片上光斑大小处于连续激光光斑到锁模脉冲光斑的过度阶段，腔内各种噪声引起的脉冲都可能放大，vecsel激光器处于脉冲间模式竞争阶段。进一步增大泵浦光功率时，腔内随机出现的某一高峰值脉冲具有更好的非线性透镜效应，其在半导体增益芯片上获得的增益更高，从而在模式竞争中胜出，实现自动锁模。并且在一定的泵浦光功率变化区间内，vecsel激光器都可以稳定的输出锁模脉冲。进一步增大泵浦功率，更强的透镜效应会使锁模脉冲光斑增益减小，导致输出又变成竞争模式。综上所述，在激光器光学结构不变的情况下，通过改变泵浦光功率大小，可以实现激光器输出从连续模式、竞争模式到自锁模模式的切换。
14、根据vecsel激光器各模式随泵浦光功率演化关系，可以通过带直流偏置的高频脉冲驱动电路，通过施加不同泵浦光功率，实现在连续激光和锁模激光模式间切换，实现兆赫兹级锁模脉冲通断控制需求。
15、在控制信号无效时，高频功率调整管处于断开状态，恒压电源通过限流电阻r1和偏置电阻r2为泵浦激光二极管(ld)注入电流，从而产生偏置泵浦光。其中注入偏置电流为：通过合理设计电路参数获得的偏置泵浦光功率，使激光器工作在临近竞争模式的连续激光模式区域。
16、当控制信号有效时，高频功率调整管处于导通状态，此时流过泵浦激光二极管(ld)的调制电流近似为：通过合理电路参数设计，可使得此时泵浦激光二极管(ld)的输出功率位于锁模模式所需的泵浦光功率区域，从而实现vecsel激光器稳定的锁模脉冲输出。
17、本技术方案的有益效果在于：
18、根据自锁模vecsel激光器各模式间的转换特性，本专利技术设计了带偏置泵浦功能的泵浦电驱动技术方案，可实现自锁模vecsel激光器输出脉冲的高速通断控制需求。尽管常见的ld驱动电源通过简单通断也可能获得相似功能，但受功率调整管器件性能的影响，传统驱动电源很难同时实现大功率和高频调制需求。本专利技术根据自锁模vecsel激光器各模式转换特性，通过较小的泵浦光功率变化实现对锁模脉冲高速通断控制。
19、本技术方案中自锁模vecsel激光器的结构紧凑，具有良好的稳定性和性价比，并且可快速实现脉冲通断控制，有望在前沿科本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：包括电驱动单元、泵浦激光二极管、半导体增益芯片(2)、输出镜(4)和后端镜(5)，所述电驱动单元用于驱动所述泵浦激光二极管产生泵浦激光光束(3)，泵浦激光光束(3)辐射至所述半导体增益芯片(2)上；所述半导体增益芯片(2)为多量子阱结构，在吸收泵浦激光光束(3)后可产生受激辐射以放大腔内循环激光；所述半导体增益芯片(2)、输出镜(4)和后端镜(5)构成激光谐振腔；所述输出镜(4)和后端镜(5)均能够对基频光进行反射，所述输出镜(4)还能够输出锁模脉冲激光光束；所述电驱动单元包括输入电路、偏置电路和调制电路；所述输入电路用于提供恒压电压，所述输入电路的正极串接限流电阻和所述泵浦激光二极管的阳极，所述泵浦激光二极管的阴极分别连接调制电路和偏置电路的一侧，所述调制电路和偏置电路的另一侧均接回至输入电路的负极；所述调制电路的通断由控制信号控制；所述电驱动单元能够改变所述泵浦激光二极管的输出功率，所述调制电路接通状态下泵浦激光二极管的输出功率为激光器锁模模式下所需的泵浦光功率，所述调制电路断开状态下泵浦激光二极管的输出功率为激光器连
2.根据权利要求1所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：将所述激光器连续模式下所需的泵浦光功率的范围Q从小到大平均分为n段，所述调制电路断开状态下泵浦激光二极管的输出功率的取值为范围Q中靠近激光器竞争模式的一段。
3.根据权利要求1所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：所述输入电路包括恒压电源，所述偏置电路包括偏置电阻，所述调制电路包括高频功率调整管。
4.根据权利要求3所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：所述高频功率调整管处于断开状态时，所述驱动电路注入所述泵浦激光二极管的偏置电流为：其中VS为恒压电源电压，VD为泵浦激光二极管的电压，R1为限流电阻，R2为偏置电阻；
5.根据权利要求1所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：所述泵浦激光二极管发出的泵浦激光光束(3)由泵浦光准直聚焦系统进行准直和聚焦。
6.根据权利要求1所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：所述半导体增益芯片(2)设置在复合热沉(1)上，所述复合热沉(1)用于散热和控温。
7.根据权利要求3所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：所述电驱动单元的确定包括以下步骤：
8.根据权利要求3所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：所述限流电阻的阻值为0.1Ω-0.5Ω。
...【技术特征摘要】
1.一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：包括电驱动单元、泵浦激光二极管、半导体增益芯片(2)、输出镜(4)和后端镜(5)，所述电驱动单元用于驱动所述泵浦激光二极管产生泵浦激光光束(3)，泵浦激光光束(3)辐射至所述半导体增益芯片(2)上；所述半导体增益芯片(2)为多量子阱结构，在吸收泵浦激光光束(3)后可产生受激辐射以放大腔内循环激光；所述半导体增益芯片(2)、输出镜(4)和后端镜(5)构成激光谐振腔；所述输出镜(4)和后端镜(5)均能够对基频光进行反射，所述输出镜(4)还能够输出锁模脉冲激光光束；所述电驱动单元包括输入电路、偏置电路和调制电路；所述输入电路用于提供恒压电压，所述输入电路的正极串接限流电阻和所述泵浦激光二极管的阳极，所述泵浦激光二极管的阴极分别连接调制电路和偏置电路的一侧，所述调制电路和偏置电路的另一侧均接回至输入电路的负极；所述调制电路的通断由控制信号控制；所述电驱动单元能够改变所述泵浦激光二极管的输出功率，所述调制电路接通状态下泵浦激光二极管的输出功率为激光器锁模模式下所需的泵浦光功率，所述调制电路断开状态下泵浦激光二极管的输出功率为激光器连续模式下所需的泵浦光功率。
2.根据权利要求1所述的一种外腔半导体自锁模激光器的脉冲控制系统，其特征在于：将所述激光器连续模式下所需的泵浦光功率的...
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