本发明属于光学与激光光电子技术领域，尤其涉及一种锥形激光器的锁定方法。
背景技术：
锥形放大器作为行波放大器常用在主振荡功率放大(mopa)结构光源中，其中，主控振荡器提供种子光，锥形放大器对种子光源进行放大。通过锥形放大器可以获得大功率、高亮度、窄线宽的单频光源，广泛应用于激光倍频系统、光通信、激光光谱与频率测量等领域。与宽发射域半导体激光器(bal)相比，锥形放大器输出光束质量更好，光纤耦合效率达到60％以上。
锥形放大器的增益很高(～20db),一般，锥形放大器的端面透镜必须镀有超高透射率的增透膜(透射率>99.9％)才能防止自激振荡。以当前的生产工艺和技术，为了实现超高透射率的增透膜，必须单件生产，因此超高透射率的增透膜的镀膜成本高，几乎达到了锥形放大器芯片的一半左右，这样就大大提高了锥形放大器的生产成本。此外，超高透射率的增透膜还会因为潮湿环境、有机颗粒附着以及化学侵蚀等因素而逐渐退变，产生自激振荡，严重影响锥形放大器的输出光质量，降低了锥形放大器的使用寿命。锥形放大器的增透膜退变(透射率降低为<99.9％)而产生自激振荡之后，本领域技术人员通常称之为锥形激光器，其不再适合作为行波放大器用于mopa结构光源中，而现有技术中解决该问题的办法就是更换ta芯片，这无疑提高了锥形放大器的使用成本。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种锥形激光器的锁定方法，从而使其实现锥形放大器的功能，该锁定方法包括如下步骤：
步骤1：调节种子光的注入方向以使其完全注入所述锥形激光器；
步骤2：在所述锥形激光器的正常工作电流附近调节所述锥形激光器的驱动电流，直到所述锥形激光器的输出光谱模式的边模消失为止。
根据本发明的锁定方法，优选地，所述步骤1包括如下子步骤：
步骤1a：将所述锥形激光器的工作电流设置在阈值电流附近；
步骤1b：调节所述种子光的注入方向，直到所述锥形激光器的输出功率最大为止。
根据本发明的锁定方法，优选地，通过所述锥形激光器在无种子光注入的情况下的驱动电流与输出光强的关系曲线来确定所述阈值电流。
根据本发明的锁定方法，优选地，所述阈值电流采用出厂值。
根据本发明的锁定方法，优选地，在所述步骤2中，以所述锥形激光器的正常工作电流为基准，增加或者减小所述锥形激光器的驱动电流。
根据本发明的锁定方法，优选地，在所述步骤2中，以0.1ma～5ma为单位增加或者减小所述锥形激光器的驱动电流。
根据本发明的锁定方法，优选地，在所述步骤2中，以1ma为单位增加或者减小所述锥形激光器的驱动电流。
本发明还提供了一种用于实施根据本发明的锁定方法的装置，至少包括：
主激光器，用于发射种子光；
锥形激光器，用于接收所述种子光；
驱动装置，用于调节所述锥形激光器的驱动电流；以及
光谱仪，用于监测从所述锥形激光器输出的光的模式。
根据本发明的装置，优选地，还包括光隔离器，其置于所述主激光器和所述锥形激光器之间，用于防止光路中的光反馈。
根据本发明的装置，优选地，还包括分束装置，其置于所述锥形激光器之前，用于将所述主激光器发射的种子光分成两束。
本发明采用注入锁定的方法压制了锥形激光器中的自激振荡，使其输出光斑质量、线宽和功率均达到锥形放大器的标准。这样，就可以降低生产过程中对锥形放大器的增透膜的要求，大大降低成本，另外，还可以解决锥形放大器的使用过程中增透膜老化带来的自激振荡问题。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的锥形放大器和锥形激光器在无种子光注入的情况下的驱动电流与输出光强之间的关系曲线；
图2为根据本发明实施例的当驱动电流大于阈值电流时的锥形放大器和锥形激光器的输出光谱图；
图3为根据本发明实施例的锥形激光器注入锁定过程中，种子光完全未注入、种子光部分注入和种子光完全注入情况下的输出光谱图；
图4示出根据本发明实施例的锥形激光器完全注入锁定时的拍频信号；
图5为根据本发明实施例的锥形激光器的完全注入锁定区域与驱动电流关系图；
图6为根据本发明实施例的fp腔的示意图；
图7为注入锁定范围的理论计算值与实验测量值对比图；以及
图8为根据本发明的用于锁定锥形激光器同时监测锥形激光器的锁定的光路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明人采用输出波长为780nm的光源(具体型号为eyp-dfb-0780-00080-1500-toc030000)作为主激光器(即种子光源)，将具有透射率为99.99％的增透膜(在本发明中称为超高透射率增透膜，本领域技术人员能够理解，透射率>99.9％可以被认为是超高透射率)的锥形放大器ta1(boosta_00264)和具有透射率为99.6％的增透膜(在本发明中称为普通透射率增透膜，本领域技术人员能够理解，透射率<99.9％可以被认为是普通透射率)的锥形放大器ta2(boosta_00208)进行对比实验。在本发明中，为了简单起见，将具有超高透射率增透膜的锥形放大器称为锥形放大器，而将具有普通透射率增透膜的锥形放大器称为锥形激光器。用lpe-1a功率计监测没有种子光入射(即主激光器的出射光未入射进入锥形放大器或锥形激光器)的情况(ps＝0mw)下，不同的驱动电流所对应的锥形放大器和锥形激光器的输出光强。参见附图1所示的驱动电流与输出光强之间的关系曲线。从图中可以看出，对于锥形放大器ta1，随着驱动电流的增加，输出光强始终很小，说明具有锥形放大器ta1不会发生自激振荡，因此这种锥形放大器的mopa结构光源的输出光不会存在边模，质量较高；而对于锥形激光器ta2，当驱动电流达到大约700ma的阈值电流时，输出光强急剧增加，说明在这种锥形激光器ta2中发生了自激振荡，使得相应的mopa结构光源的输出光会存在边模和种子模两种模式，质量必然较差。
为了进一步体现前述锥形放大器ta1和锥形激光器ta2的区别，本发明人采用bc106n-vis/m光谱分析仪检测没有种子光入射(即：ps＝0mw)的情况下，驱动电流为1000ma(大于阈值电流)时锥形放大器ta1和锥形激光器ta2的输出光谱图，参见图2。从图中可以看出，由于自发辐射放大效应(ase)，锥形放大器ta1的增益谱线覆盖765nm到795nm。而锥形激光器ta2在785nm处有一个窄峰，说明已经出现自激振荡现象。图2证明了当锥形放大器ta1中的超高透射率增透膜退变为普通透射率增透膜时，其端面反射率上升，锥形放大器从行波放大器变成了从激光器(即锥形激光器)，这将严重影响mopa结构光源的输出光束质量。
本发明人通过多次实验发现，对于锥形激光器，调节其工作条件，特别是驱动电流，由锥形激光器的自激振荡产生的边模会周期性地出现，在某些特定的驱动电流范围内，边模完全被抑制，在本发明中，边模完全被抑制的情况称为锥形激光器被锁定，对应的电流称为锁定电流。参见图3所示的锥形激光器在注入锁定电流时，种子光完全未注入(边模未被压制)、种子光部分注入(边模被部分压制)以及种子光完全注入(边模被完全压制)情况下的输出光谱图。当种子光未注入锥形激光器时，输出光谱中只有自激振荡产生的自由运转模式，本领域技术人员公知的是，自由运转模式指的是激光器没有种子光注入时的运转状态，这时处于完全未注入锁定状态；当种子光部分注入锥形激光器时，输出光谱中自激振荡产生的自由运转模式(边模)被部分地抑制；当种子光完全注入锥形激光器时，输出光谱中自激振荡产生的边模被完全抑制，输出光谱的频率和线宽与主激光器的完全一致，这说明增透膜退变对mopa结构光源的输出光谱产生的不利影响被消除。
为了清晰地判断完全注入锁定的情况，本发明人通过频谱分析仪检查拍频信号。其中，一束光是种子光，另一束光是锥形激光器的输出光且被声光调制器(aom)移频173.3mhz。当锥形激光器完全注入锁定时，在173.3mhz处会出现一个线宽小于5khz拍频信号，如图4所示。而一旦脱锁，就观察不到拍频信号。这足以体现注入锁定的效果。
图5示出完全注入锁定区域与驱动电流关系图。驱动电流从1500ma增加到1800ma的区间内共有1575ma-1604ma、1660ma-1688ma和1740ma-1766ma的3个注入锁定区域。注入区间的范围分别是29ma、28ma和26ma。根据自由运转波长随注入电流变化的系数(0.01nm/ma)，我们能够计算出以上三个注入锁定的范围均大于100ghz，这提供了稳定的工作区域。
本发明人还通过理论模拟验证了对锥形激光器的锁定的可能性。由于锥形激光器在自由运转时会发生自激振荡，通过注入锁定范围可以反推出反射率(对应透射率)。将锥形激光器视为fp腔，如图6所示。假设fp腔两端的反射率均为r。入射光场(种子光光场)、出射光场和腔内行波光场分别表示为ε1(t)、ε′1(t)和εc(t)，t表示时间，根据边界条件我们可以写出三者之间的关系：
其中，v1表示种子光的频率，k1为种子光频率对应的波矢，w1为v1对应的圆频率，g、α和l分别是fp腔内的增益介质的增益因子、损失因子和fp腔的长度。从上述公式(1)和(2)中可以得到注入种子光后fp腔的输出光强：
其中，v表示自由运转频率，i1为种子光的光强，c为光速，η是fp腔内的增益介质的折射率。经过短暂的时间后，输出光变得稳定并且满足关系rexp[g(v)l-αl]＝1，这对应自激振荡的阈值条件。当i′1超过锥形激光器自由运转状态下的输出光强i0时，锥形激光器能够被完全注入锁定。因此我们能够计算出注入锁定范围：
其中，w为v对应的圆频率，pinj表示种子光的光功率，pfree表示锥形激光器自由运转情况下的输出光功率。通过注入锁定范围对应的电流范围和自由运转波长随注入电流变化的系数(0.01nm/ma)，可以在实验上测出注入锁定的电流范围，通过波长随电流变化系数推出注入锁定范围δw，pinj,pfree由功率计测量，其余物理量由操作手册上可查，代入方程(5)可以计算出端面反射率r是0.4％，这比锥形放大器的端面反射率0.01％要大很多。
图7是注入锁定范围的理论计算值与实验测量值对比图。稳定的注入锁定范围是种子光强度和频率失谐(注入锁定范围)的函数，纵轴表示失谐δv＝v-v1并用波长计测量。实验测量值与由公式(5)得到的理论值基本吻合。通过增加注入光强，注入范围也随之变大，受限于锥形放大器的最大种子光强为40mw，最大的锁频范围可以达到150ghz。
基于前述，本发明人以具有透射率为99.6％的增透膜的boosta_00208型锥形激光器为例，通过如下方法实现了其锁定：
步骤一：采用700ma的驱动电流驱动锥形激光器，该电流对应锥形激光器的阈值电流；
步骤二：调节种子光的注入方向，同时用功率计监测锥形激光器的输出功率，当输出功率最大时，说明种子光完全注入锥形激光器，即种子光的注入方向已经被优化到最好；
步骤三：将锥形激光器的驱动电流调节至1900ma，这对应锥形激光器的正常工作电流，同时采用光谱仪观测锥形激光器的输出光谱的模式；以及
步骤四：以1ma为单位调节锥形激光器的驱动电流，直到观察到输出光谱模式中的边模完全消失为止。在调节过程中，可以以正常工作电流为基准增加或者减小锥形激光器的驱动电流。
图8为用于锁定锥形激光器同时监测锥形激光器的锁定的光路结构示意图。其中，主激光器dl(型号为：eyp-dfb-0780-00080-1500-toc030000)的输出光束经过光隔离器oi与第一半波片hwp1后，被第一个偏振分束立方体pbs1分成两束。光隔离器oi的作用是防止光反馈影响激光器的稳定性，pbs1将主激光器的光束分为两束，第一半波片hwp1用于调节两束光的分光比，偏振垂直于光学平台的光被反射，平行于光学平台的光透射。对于从pbs1出射的两束光，其中，第一光束作为种子光注入锥形激光器ta，第二光束用来和锥形激光器ta的输出光做拍频来证明锥形激光器ta的锁定效果。因为拍频的两束光的偏振必须相同，所以第三半波片hwp3用来调节第二光束的偏振以使得和锥形激光器ta的输出光偏振相同。第二半波片hwp2用来调节第一光束即种子光的偏振，以保证最大的输出光强。第四半波片hwp4同样是调节通过第二个偏振分束立方体pbs2的两束光的分光比，在此，第四半波片hwp4之前放置另一个光隔离器以防止光反馈。从第二个偏振分束立方体pbs2出射的第一光束进入光谱仪osa，以用于锥形激光器的锁定调节。从第二个偏振分束立方体pbs2出射的第二光束进入声光调制器aom用来移频锥形激光器ta的输出光，用光阑挡住0级光，透过1级光，0级光的频率与锥形激光器ta输出光相同，1级光的频率增加了173.3mhz。分束立方体bs用来合束两束作拍频的激光。当完全注入锁定后，通过快速光电探测器(pd)能够观测到经过分束立方体(bs)合束后的窄拍频信号。同时我们通过光谱分析仪(osa)监测ta的输出谱线，可以容易地看到种子光所在的模式与自激振荡模式的变化情况。
在本发明中，将锥形激光器的驱动电流设定在阈值电流处进行种子光注入方向的调节是因为在阈值电流处锥形激光器的输出功率对种子光的注入方向非常敏感。本领域技术人员还可以采用任意公知的方法来实现种子光的完全注入。
根据本发明的其他实施例，增透膜材料可以为介孔二氧化硅纳米粒子、多孔硅等。
根据本发明的其他实施例，锥形激光器的阈值电流可以采用设备的出厂数据，也可以通过锥形激光器在无种子光注入的情况下的驱动电流与输出光强的关系曲线来确定。
根据本发明的其他实施例，在步骤四中，可以以0.1ma～5ma为单位调节锥形激光器的驱动电流。
本发明采用注入锁定的方法压制了锥形激光器中的自激振荡，使其输出光斑质量、线宽和功率均达到锥形放大器的标准。这样，就可以降低生产过程中对锥形放大器的增透膜的要求，大大降低成本，另外，还可以解决锥形放大器的使用过程中增透膜老化带来的自激振荡问题。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。