Статья охватывает наиболее распространенные на практике методы изменения амплитуды модулированного лазерного излучения в наносекундной или субнаносекундной временной области в волоконно-связанных лазерных системах. Дано краткое изложение плюсов и минусов четырех основных технических подходов к лазерной модуляции.
Акустооптический модулятор
Основным преимуществом акустооптического модулятора (АОМ) является высокая рабочая мощность. При модуляции с использованием АОМ мощность несущего сигнала может достигать нескольких ватт (в некоторых случаях более 10 Вт). Основным недостатком является «технологический компромисс» между скоростью коммутации и вносимыми потерями: чем более сфокусирован пучок внутри акустооптического кристалла, тем быстрее он коммутируется, что сопровождается энергетическими потерями.
Рисунок 1. Волоконный акустооптический модулятор Brimrose (слева) и Gooch & Housego (справа)
Стоимость такого модулятора в целом складывается из трех составляющих АОМ:
Драйвер ВЧ, как правило, устанавливается при производстве. Пример многофункционального, простого в использовании модуля быстрой коммутации приводной электроники показан на рис.2.
Рисунок 2. Драйвер ВЧ производства AeroDIODE
Электрооптический модулятор: EOM
Основным преимуществом электрооптического модулятора (ЭОМ) является его полоса пропускания, которая простирается до 10 ГГц. Пользователю остается подобрать управляющую электронику для поддержки этой полосы пропускания.
Рисунок 3. Пример электрооптических модуляторов с широкой полосой пропускания ixBlue (ex-Photline) (слева) и EOspace (справа)
Экспериментальные схемы, содержащие ЭОМ, имеют важные особенности:
Вносимая потеря. Уровни энергетических потерь варьируются и зависят от модели. Зачастую на потери приходится полоса 4-5 дБ.
Максимальная входная / выходная мощность. В основном максимальная входная мощность находится в диапазоне от 10 до 50 МВт (17 дБм). Под максимальной подразумевается средняя мощность. Мгновенная же мощность может быть гораздо выше: легко преодолеть этот предел, подавая импульсный сигнал на вход (вместо сигнала постоянного тока). Модулированный входной сигнал может быть сгенерирован акустооптическим модулятором или лазерным диодом. Это, однако, порождает некоторые трудности, связанные со стабильностью V-смещения.
Рисунок 4. Пример конфигурации импульса для преодоления ограничения средней входной мощности ЭОМ
Стабильность V-образного смещения. Это одна из самых сложных технических проблем, с которой нужно справиться при использовании ЭOM. ЭОМ обычно дрейфует из-за тепловой неоднородности и т.д. Это приводит к тому, что передаточная функция (см. Рис.5) перемещается в горизонтальном направлении, и сигнал модуляции подается на изменяющуюся рабочую точку. Это может повлиять на качество модуляции.
Рисунок 5. Передаточная функция модулятора интенсивности
Чтобы управлять модулятором интенсивности и получить желаемую модуляцию, пользователь должен подать на модулятор два отдельных напряжения: (1) напряжение модуляции V (t) и (2) напряжение постоянного тока (также называемое V-смещением). Напряжение смещения выбирает нужную рабочую точку и компенсирует дрейф, чтобы сохранить более стабильные рабочие условия.
Рисунок 6. Типичная плата управления ЭОМ. 1-драйвер лазерного диода, 2-глобальная синхронизация, 3-Быстрая модуляция, 4-радиочастотный усилитель, 5-электроника V-смещения
Еще один продукт компании AeroDIODE обладает очень хорошими техническими характеристиками. Драйвер высокоскоростного лазерного диода изображен на рис. 7 ниже.
Рисунок 7. Плата формирователя импульса ЭOM, объединяющая драйвер лазерного диода и электронику синхронизации с несколькими выходами
Основная трудность, связанная с настройкой ЭОМ возникает, когда пользователю необходимо работать в импульсном режиме при очень низком рабочем цикле. Низкий уровень мощности не позволяет контролировать уровень смещения. Разница между поколениями электронных продуктов играет здесь важную роль.
Полупроводниковый оптический модулятор
Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) хорошо зарекомендовали себя как альтернатива волоконным усилителям и используются для модуляции и усиления импульсного сигнала.
Рисунок 8. Оптический усилитель, приводимый в действие специальной электроникой, ведет себя как волоконный модулятор без вносимых потерь
Использование оптического полупроводникового усилителя имеет ряд преимуществ по сравнению с другими решениями. Динамический диапазон дохода, как правило, выше, чем у ЭОМ или AOM. АОМ или ЭOM часто ограничены полосой до 30 дБ, а часто и меньше, так как существует сильная поляризационная зависимость. Спектр полупроводникового модулятора остается неизменным на протяжении всего импульса.
Рисунок 9. Полупроводниковый усилитель с высоким коэффициентом экстинкции
При использовании полупроводникового модулятора возможны коэффициенты экстинкции до 70 дБ. Максимальная входная мощность обычно не превышает выходную мощность насыщения около 50 МВт (17 дБм).
AeroDIODE предлагает драйвер ВЧ, оснащенный модулем управления, который совместим с конфигурациями большинства коммерчески доступных оптических усилителей.
Рисунок 10. Драйвер AeroDIODE может модулировать импульсное излучение длительностью 1 нс с очень высоким коэффициентом экстинкции - более 50 дБ
Рисунок 11. Наносекундный импульс, полученный на длине волны 1064 нм
Прямая модуляция лазерного диода
Еще один метод модуляции диодного излучения - прямая модуляция с использованием импульсного формирователя тока. Пример импульса наносекундной длительности показан на рис. 12. Можно увидеть пик усиления в начале импульса, это релаксация носителя внутри лазерного диода.
Форма импульса при короткой ширине импульса, а также время нарастания/спада и могут сильно отличаться от производителя к производителю.
AeroDIODE предлагает две модели импульсных драйверов включения/выключения лазерных диодов со скоростью переключения от 3 нсек/А до 0,5 нсек/А.
Еще один прибор для прямой модуляции излучения лазерных диодов называется "формирователь импульсов". Он включает в себя генератор и позволяет формировать выходной лазерный пучок с амплитудным разрешением 48 дБ и временным разрешением 500 пикосекунд.
Рисунок 12. Форма оптического импульса лазерного диода с распределенной обратной связью после модуляции
Этот модуль формирователя импульсов позволяет задать форму импульса. Как видно на рисунке ниже, этот модуль имеет специальную внутреннюю функцию, которая позволяет смягчить пик усиления:
Рисунок 13. Формы импульсов лазерного диода получены с использованием формирователя импульсов AeroDIODE
Вывод
Выходной сигнал при акустооптической модуляции позволяет имеет мощность до нескольких ватт. Электрооптические модуляторы экономят время, несмотря на высокий уровень сложности интеграции и низкий коэффициент экстинкции. Прямой лазерный диод - самое бюджетное решение, требующее качественной управляющей электроники.
©AeroDIODE
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции AeroDIODE на территории РФ
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
В обзоре сравниваются наиболее востребованные модели наносекундных лазеров производства Litron Lasers и СОЛАР ЛС, в том числе лазеры с модуляцией добротности с высокой и сверхвысокой энергией импульса, высокой частотой повторения импульсов, компактные лазеры и лазеры с диодной накачкой.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
