CN102460864B - 光脉冲发射机 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于驱动激光二极管达到使得能够减轻或消除所谓的尖峰效应的程度的方法，该尖峰效应与在激光辐射过程的开始激光器中注入的载流子的数量超过平衡值相关。这样，尤其将提高可用在测距应用中的主振荡器功率放大器的效率。还公开了一种包括这样的激光二极管的光脉冲发射机。

Description

光脉冲发射机

技术领域

本发明总体涉及测距。具体而言，本发明涉及一种驱动激光二极管和光脉冲发射机的方法。

背景技术

测勘或测距技术涉及利用角度和距离的测量来确定对象的未知位置、表面或体积。所确定的从测量仪器到进行测勘的点的角度和距离可被用于计算测勘点相对于测量仪器的坐标。为了进行这些测量，光学测勘仪器或测地仪器通常包括一个电子距离测量(EDM)装置，该装置可被结合到一个所谓的全站仪中，参见图1。距离测量全站仪结合有电子部件和光学部件，并且通常还设置有一个带有可写信息的计算机或控制单元，用于控制待被执行的测量以及用于存储在测量过程中获得的数据。优选地，全站仪计算目标在固定的地面坐标系(fi xedground-based coordinate system)中的位置。这样的全站仪可包括一个望远镜，所述望远镜例如可布置有十字线用于瞄准目标。望远镜的转动角以及望远镜的倾斜角可相对于目标被测量。包括摄像机的全站仪也是已知的。

在常规的EDM中，光束被以光脉冲的形式朝向目标发射，接下来被该目标反射的光在光学测勘仪器(surveying instrument)诸如全站仪处被检测。借助例如飞行时间(TOF)或相位调制技术，对所检测到的信号进行处理使得能够确定离目标的距离。使用TOF技术，测量光脉冲从测勘仪器(EDM装置)行进到目标、在目标处被反射并返回到所述测勘仪器(EDM装置)的飞行时间，基于该飞行时间可计算所述距离。所接收的信号的功率损耗确定最大可能距离。利用相位调制技术，将不同频率的光从所述测勘仪器发射至目标，由此检测被反射的光脉冲，基于所发射的脉冲和所接收的脉冲之间的相位差来计算所述距离。如上所述，一旦已经测得所述角度和距离，就可计算测勘目标的实际位置。

在常规的扫描仪中，例如，在旨在用于工业、测勘和/或建筑应用或其他应用的扫描仪中，利用光束控制功能可将光束导向在所述目标的表面处的多个感兴趣的位置上。光脉冲被朝向每一个感兴趣的位置发射，检测从这些位置中的每一个反射的光脉冲，从而确定离这些位置中的每一个的距离。例如，使用LIDAR(光探测和测距)扫描仪，可测量散射光的特性以确定远距离目标的距离和/或其他信息。通常，使用激光脉冲确定离一个对象或表面的距离。

为了增加在TOF测距应用中的量程(measurement range)，使用主振荡器功率放大器(MOPA)可以是有利的，因为能够在发射的脉冲中实现高峰值功率，从而由于较高的信噪比而实现较长的射程和较高的测量速率。出于同样的原因，在相位调制***中，较高的输出功率也是有利的。在MOPA中，主激光器与用于放大该主激光器的输出的光学放大器结合使用。主激光器通常被称为种子激光器。通过使用光学放大器来提高输出，可减轻对种子激光器的要求，这允许发射机达到光束的较高的波长稳定性以及空间质量。一种特定类型的MOPA是使用微结构的半导体种子激光二极管和光泵浦光纤放大器(optically pumpedfiber amplifier)来实现，这种MOPA有时被称为主振荡器光纤放大器(MOFA)。

为了实现距离测量的足够高准确性，应使用短脉冲。通常，视应用而定，使用具有1到50ns的持续时间T_p的光脉冲。还已知利用次纳秒脉冲的发射机(参考，例如S.N.Vainshtein等人，Rev.Sci.Instrum.vol.71，no.11，p.4039-4044(2000))。为了提供持续时间为T_p的光脉冲，激光器中的载流子寿命T_L应约为T_p或更短。

假设我们希望从微结构的激光器获得1ns长的光脉冲，以及假设使用载流子寿命T_L＜＜1ns的激光器。将微结构的激光二极管用作种子激光器需要一种合适的电激光驱动器，尤其是，对于TOF应用，需要一个脉冲激光驱动器。使用纳秒或次纳秒电脉冲驱动种子激光器导致在能够建立激光辐射(lasing)之前，引起一个强烈的张弛振荡过程，在张弛振荡限于一个脉冲的情况下该过程也称为“尖峰”。张弛振荡的起源与半导体中的复合过程直接相关(参见，例如“Handbook of semiconductor lasers and photonic integratedcircuits”的第四章，Ed.Y.Suematsu和A.R.Adams，Chapman & Hall，1994)。具体而言，张弛振荡的特征时间和振幅取决于自发发射以及受激发射的张弛时间T_s和T_ph，以及载流子和光子的数量(参见，例如“Handbook of semiconductor lasers and photonic integratedcircuits”中的第266页，Ed.Y.Suematsu和A.R.Adams，Chapman & Hall，1994)。

根据爱因斯坦的光的量子论，存在两种光发射过程(在Suematsu和Adams的书中也有描述)。第一种光发射过程的跃迁概率与存在的光子密度成比例。这称为受激发射过程。第二种光发射过程的跃迁概率与光子密度无关，称为自发发射过程。当将一个短电流脉冲施加至半导体激光二极管时，大量载流子被注入工作区(active area)。如果载流子的浓度足够高——在阈值水平以上，就实现粒子数反转，其中受激发射开始，这又导致光子数量增加，即，开始激光辐射。然而，在该过程的开始对应于受激发射的第一种光子的密度接近于零，光子数量的增加非常慢。由于该原因，在电流泵浦下的载流子浓度的不断增加并不立即导致光子密度的增加，载流子的浓度超过对应于平衡激光条件的水平，在载流子的浓度超过对应于平衡激光条件的水平的情况下，通过辐射复合(radiative recombination)过程来补偿载流子数量的增加。在光子密度变大到足以增强光复合(optical recombination)过程后，载流子的数量下降到平衡水平，从种子激光器发射出尖峰脉冲。所述尖峰脉冲被光纤放大器放大，从而与预期的主光脉冲一起存在于发射的信号中。由此，使期望的脉冲形状失真，这可导致距离测量准确性的下降。

虽然主脉冲的参数由驱动脉冲的振幅和持续时间确定，但尖峰脉冲的振幅和开始时间是较不可预测的。另外，尖峰脉冲的谱不同于主脉冲的谱，并且尖峰脉冲还可能在空间上不同于主脉冲，这可导致距离和角度测量的额外误差。因此，希望消除——或至少减轻——尖峰过程。

可通过不同的方式减轻所述尖峰或张弛振荡。首先，可以连续波(CW)模式驱动激光器，同时借助一个调制器例如一个声光调制器改变光功率。这种方法有如下问题：在输出处存在有限的消光比，并且对于调制器存在高的***损失。此外，最大输出功率是有限的。

另一种更普遍的方法在于，通过优化激光器结构形成产生更少的张弛振荡的激光二极管。例如，光学共振器的宽度和长度对波长和功率稳定具有大的影响。目前可用的半导体激光二极管具有高度优化的结构，使得它们可以宽范围的驱动电流提供单模输出。当在阈值以上驱动激光器时，这显著减小了张弛振荡，但是如果驱动电流从零急剧上升，仍存在尖峰。

减轻尖峰的第三种方法是，持续在激光阈值以上但是不是以CW模式操作种子激光器。然而，对于测距应用，通常不选择这种方案。首先，大多数测距仪器和设备都是电池驱动的，因此通常具有有限的能量供应，而在阈值以上驱动激光器会显著增加功率消耗。其次，持续在阈值以上驱动激光器导致在脉冲之间持续——尽管以较低强度——照明目标，但是这本身会降低对比度以及降低测量准确性。持续在阈值以上操作激光器的第三个并且最严重的缺点适用于如上文讨论的与光泵浦光纤放大器结合的种子激光器——持续应用超过激光阈值的偏流通常导致低效率。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，以及提供一种用于驱动激光二极管的方法和装置，使得减轻上述的张弛振荡效应。

为此，提供了一种用预形成的电流脉冲驱动激光器的方法，用于形成被以光脉冲的形式朝向如下目标发射的光束：离所述目标的距离待由其中包括有所述激光器的测勘仪器测量，该预形成的电流脉冲由如下两个脉冲组成：一个主驱动脉冲和一个具有低于所述主驱动脉冲的振幅的振幅的在前脉冲。在所述主驱动信号之前的信号在下文将被称为预驱动信号。所产生的预驱动信号可被形成为使得减轻在激光器光输出处和光纤放大器的输出处的尖峰效应。

在半导体激光器中，所施加的在阈值水平以上的电流阶跃(current step)将导致粒子数反转，由此受激发射将开始。然而，由于受激光跃迁概率与光子的数量——在电流脉冲的开始光子的数量可非常低——成比例，粒子数反转水平可暂时超过平衡水平。在光子数量变得足够大之后，光复合过程增强，载流子数量下降到平衡水平，由此发射尖峰脉冲。载流子数量偏离平衡水平越多，尖峰效应将越强烈。受激发射的增加相对于电流阶跃被有效地延迟一段形成足够大数量的受激发射光子所需的时间。该特征时间T_c对于具体的激光器是特定的，并且取决于多个参数，诸如载流子复合时间、用于在共振器中建立光模的时间等。该时间T_c还与临界调制频率的倒数ω_c ^-1密切相关：激光器能够提供的调制速度越高，特征时间T_c就越短。

为了减轻或消除尖峰效应，所述预驱动信号应被形成为使得其电流水平保持在激光器电流阈值以上一段持续时间，使得在施加所述主驱动信号之前，激光器中注入的载流子的数量接***衡水平。

本发明的预驱动信号导致注入的载流子的数量缓慢增加至接近激光器阈值的一个值，在该情况下，受激发射光子的数量已经足够大，使得电流变化和光子数量变化之间的延迟非常短。接下来，当施加主电流脉冲时，关于注入的载流子的数量的过冲(overshooting)效应较小，可有效地减轻或避免尖峰。

发明人已经意识到，通过在施加激光器的主驱动信号之前施加所述预驱动信号至激光器，可消除光输出中存在的不期望的张弛振荡脉冲。

此外，提供了一种光脉冲发射机，该光脉冲发射机如上所述地用一个预驱动信号和一个主驱动信号进行驱动。

所述激光器可以其共振器的单模或者以其共振器的多模工作。与单模激光器相比，激光器的多模运行使得能够例如达到较高功率。这样，在操作所述光脉冲发射机时，可以不需要光学放大器。

根据一个示例实施方案，所述光脉冲发射机的脉冲发生器可适于形成所述预驱动信号，使得所产生的光输出信号具有的能量含量小于由所述主驱动信号产生的光输出信号的能量含量的预定的一小部分。

这样的配置使得能够例如减小光脉冲发射机的能量消耗。同时，可减轻或消除尖峰效应。所述预定的一小部分可基于选定的应用和/或性能要求来选择。例如，在一些应用中，该预定的一小部分可以是约10％。在一些应用中，所述预定的一小部分可以比10％低相当多。

在一个示例实施方案中，所述光脉冲发射机包括一个光泵浦放大器，用于放大由所述激光二极管提供的信号，由此产生所述光脉冲发射机的一个光输出信号。由此所述激光二极管可结合一个光学放大器使用。激光器和光学放大器的结合可例如构成主振荡器功率放大器(MOPA)。

在一个示例实施方案中，所述光脉冲发射机或所述光泵浦放大器包括一个掺杂光纤放大器。

所述掺杂光纤放大器可适于在肉眼安全的波长范围内工作。例如，所述掺杂光纤放大器可以是在约1530nm到1565nm的波长范围内工作的掺铒光纤放大器(EDFA)，其中在高峰值功率下激光器的肉眼安全工作是可能的。通常，所述掺杂光纤放大器可掺杂有一种或多种稀土金属，诸如钕(Nb)、镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tb)、镨(Pr)、钬(Ho)，并且可适于分别在约1.03-1.10μm、1.0-1.1μm、1.5-1.6μm、1.45-1.53μm、1.3μm以及2.1μm的波长工作。所述掺杂光纤放大器可掺杂稀土金属的任意组合。

在一些实施方案的情况下，激光器的“肉眼安全”工作指的是激光器在如下的波长范围内工作，其中从激光器发射的光例如不能穿透人的角膜，从而保护视网膜不被激光损伤。

所述主驱动信号的占空比可以小于约1％。这样的配置可以尤其有利于测距应用。

所述预驱动信号的持续时间可长于激光器的特征时间。如上所述，激光器的特征时间通常由形成足够大数量的受激发射光子所需的时间确定。

所述脉冲发生器可适于形成所述预驱动信号，使得所产生的光输出信号(即，由所述预驱动信号产生的)具有的振幅不高于由所述主驱动信号产生的输出光信号的振幅的约20％。

替代地或可选地，所述脉冲发生器可适于形成所述预驱动信号，使得所产生的光输出信号(即，由所述预驱动信号产生的)具有不长于由所述主驱动信号产生的输出光信号的周期的约20％的持续时间。当研究随附的权利要求和下面的描述时，本发明的另外的特征以及利用本发明的优点将变得明了。本领域技术人员意识到，本发明的不同特征可被组合以形成不同于下文所述的实施方案的实施方案。

附图说明

下面将参照附图更加详细地描述本发明，在附图中：

图1示出其中可应用本发明的一个现有技术全站仪的示例；

图2示出在光学放大器的输出处的尖峰效应；

图3示出一个预驱动信号和一个主驱动信号的示例；

图4示出对半导体激光器的载流子密度和输出光功率的数值模拟；

图5A示出根据本发明的一个实施方案的光脉冲发射机的实施例；

图5B示出根据本发明的另一实施方案的光脉冲发射机的实施例；

图6示出一个预驱动信号、一个副驱动信号和一个主驱动信号的示例；

图7示出根据本发明的又一个实施方案的光脉冲发射机的实施例；以及

图8示出在图7的光脉冲发射机中产生的预驱动信号和主驱动信号的示例。

具体实施方式

首先，将简要描述一个全站仪形式的现有技术测勘仪器，在该现有技术测勘仪器中可应用本发明。

在图1中，示出了一个现有技术全站仪100的示例，该全站仪100包括安装在基座102上并且具有三脚架103形式的安装支承结构的照准仪101。所述照准仪101可围绕一个竖直取向的转动轴线V转动，以将该仪器在任何期望的水平方向上瞄准。在照准仪中，布置了一个中心单元104，该中心单元可围绕一个水平取向的转动轴线H转动，以将该仪器在任何期望的竖直方向上瞄准。使用全站仪100进行的测量一般与一个坐标原点相关，该坐标原点位于竖直取向的转动轴线V和水平取向的转动轴线H之间的交叉点处。

为了使照准仪围绕所述竖直取向的转动轴线转动以将该仪器在任何期望的水平方向上瞄准，提供了驱动装置105。借助一个刻度盘106和相应的角度编码器或传感器107来跟踪照准仪101的转动位置。为了使中心单元104围绕所述水平取向的转动轴线转动，提供了类似的驱动装置108、刻度盘109和传感器110。此外，所述仪器具有一个光学垂准器112，该光学垂准器给出沿着所述竖直取向的转动轴线的向下观测(view)。该光学垂准器由操作者用来使仪器居中或将仪器定位在地面上的任何期望点上方。还能够使用竖直和水平动作伺服旋钮(motion servo knob)115和116来手动操作所述仪器，以瞄准期望的目标。优选与所述仪器的伺服控制***相关联地实现用于转动所述仪器的装置，以实现驱动电机105和108的受控启动。

所述仪器的瞄准线居中位于竖直转动轴线和水平转动轴线之间的交叉点处，这可在图中看到，在所述图中这些轴线在中心单元104中的望远镜113的中心交叉。

在望远镜中，提供了一个光源114，诸如激光指示器。优选地，所述光源与望远镜共轴，但是该光源可放置在任何其他位置，使得它与望远镜不同心。应理解，可使用具有其他波长的光源，例如，人眼不可见的光。光源被用于指示待要瞄准的对象，以执行EDM。所述仪器还可包括一个显示设备，用于显示所指示的目标。该显示器可以是所述仪器的一个组成部分，但是更优选地，该显示器被包括在一个可移动的控制面板中，该控制面板可用于经由短距离无线电来远程控制该仪器。甚至可设想，该仪器被完全远程控制，其中所述显示器可以是远离所述全站仪的计算机屏幕的形式，并且其中发往所述仪器和来自所述仪器的信息通过无线计算机或无线电电话网络被传送。

还可使用竖直和水平动作伺服旋钮115和116来手动操作所述仪器，以瞄准期望的目标。

优选地与所述仪器的伺服控制***相关联地实现用于转动所述仪器的装置，以实现驱动电机105和108的受控启动。

图2示出在光学放大器的输出处的张弛振荡效应。如先前已描述的，用纳秒或次纳秒电脉冲驱动种子激光器可在建立激光辐射之前导致一个张弛振荡过程。当将电流脉冲施加至激光二极管时，大量载流子被注入以实现粒子数反转，其中受激发射开始，且激光辐射开始。所述张弛过程导致主脉冲的前沿上的一个或多个超短尖峰脉冲，该主脉冲被从所述种子激光器输出，并且在经光纤放大器中的放大之后被从MOPA本身输出，参见图2。如从图2中可看出的，与主光脉冲相比，尖峰脉冲的持续时间相当短，并且尖峰脉冲的边缘相当陡峭。虽然主脉冲的参数由种子激光器驱动器确定，但尖峰脉冲的振幅和开始时间相反地由内部的激光器参数例如载流子复合时间、光子的倍增速率等确定。另外，尖峰脉冲可具有不同于主脉冲的谱的谱，它还可在空间上与主脉冲不同。这可导致距离测量的额外误差。因此，希望消除——或至少减轻——尖峰。

在电信应用中，通过持续在阈值以上驱动种子激光器来解决该问题。结果，载流子被注入到使得所产生的载流子密度不下降到激光阈值以下的程度。

然而，对于测距应用，一般不选择这种简单和直接的解决方案。首先，许多测距应用都使用电池驱动的设备，其中节能是必需的。其次，持续——尽管以低强度——照明目标可降低对比度从而降低测量准确性。持续在阈值以上驱动激光器的第三个并且最严重的缺点适用于如上文所讨论的使用与EDFA结合的种子激光器。在使用包括与EDFA结合的种子激光器的MOPA的情况下，持续应用超过激光阈值的偏流通常会导致非常低的效率，如下文将说明的。

考虑如下一个MOPA的实施例，该MOPA具有一个掺稀土金属的光纤放大器(XDFA)，以及一个产生如下矩形光脉冲的种子激光器，所述矩形光脉冲的持续时间T＝1ns，周期T＝10μs，振幅在P₀和P₁之间变化。对于具有增益G的理想XDFA，平均输出功率P_av为：

P_av＝G＊(P₀＊(T-T)+P₁＊T)/T. (1)

在P₀＝0的情况下，光峰值输出功率为：

P_pk＝G＊P₁＝P_av＊(T-T)/T≈10⁴＊_av. (2)

对于非理想的XDFA，由于放大器中的自发发射(即，噪声产生)，输出处的光脉冲的振幅将略微减小。尽管如此，利用恰当设计的XDFA仍可实现高的信噪比。

因此，被持久在其阈值以上驱动的种子激光器将相应地在其输出处产生一个持久存在的光信号P₀＞0。由于该光信号形成XDFA的输入信号，XDFA的输出峰值功率将显著减小。这是由于如下事实：XDFA的平均输出功率由不依赖于光输入信号的泵浦功率决定。例如，假设在种子激光器的输出处，P₀是P₁的10％(即，消光比是10)，则XDFA输出处的峰值光功率可被计算为：

P_pk＝P_av＊T/(T+0.1＊(T-T))≈P_av＊T/(0.1＊T)＝10＊P_av. (3)

由此，与P₀＝0时获得的等式(2)中的结果相比，输出峰值功率将被减小到1/1000。此外，XDFA发射的几乎所有——大约99.9％的——光能都在寄生CW信号中，这导致对于在电池驱动的应用中使用而言不可接受的低效率。

为了增加MOPA的效率，必须使用短电流脉冲驱动种子激光器，该短电流脉冲始于在阈值以下的一个值，例如零，即处于归零模式。然而，这导致尖峰问题。为了克服该问题，可根据本发明的方法驱动种子激光器，其中在施加主驱动信号之前，将一个预驱动信号施加至种子激光器。

参照图3给出了一个主驱动(电流)信号和一个预驱动信号的示例。预驱动信号的持续时间为约3.5ns，其振幅为0.2a.u.，而主驱动信号的持续时间为约1ns，振幅是1a.u.。如图3中示出的，预驱动信号可具有略高于种子激光器的阈值电流值的振幅。种子激光器的特征时间T_c应远小于1ns，否则该驱动信号将导致失真的、慢得多的光脉冲。

在图3的具体实施例中，假设T_c＜＜1ns，由预驱动信号产生的光脉冲的能量含量是主驱动信号和预驱动信号的总能量含量的约15％，这意味着浪费了XDFA的光能输出的约15％。

显然，预驱动脉冲越短，其具有的振幅越低，XDFA的效率就越高。预驱动电流脉冲的最低振幅由阈值限定。在最佳情况下，预驱动电流应增加至阈值或刚好高于阈值，以形成足够大数量的光子，从而增强受激发射过程。预驱动信号的持续时间的下限由具体的激光器的特征时间T_c确定。如果预驱动脉冲的持续时间变短，或与T_c相当，则预驱动信号的效应减弱然后消失。预驱动脉冲持续时间的上限由整个***的期望效率确定。

根据本发明的一个示例实施方案，预驱动脉冲的持续时间可以与主驱动脉冲的持续时间大致相同。在该情况下，即使在由于非常短的预驱动脉冲而导致预驱动电流具有相对高的振幅的情况下，XDFA的光效率也被最大化。原则上，甚至更短的预驱动脉冲是可能的，但是通常需要不必要地快速的驱动电子器件(例如，与相对高的成本相关联)。

下面将讨论预驱动信号对尖峰振幅的影响。假设向种子激光器施加一个具有最大值I_pk＞I_th(其中I_th是阈值水平或种子激光器的阈值电流值)的电流阶跃。载流子密度N_e将随着所施加的电流而增加，直到其达到激光阈值N_{e_th}。此时，实现粒子数反转，其中受激发射开始，这又导致光子数目增加。然而，在该过程的开始，受激发射光子的密度接近于零，并且光子数目的增加非常慢。由于这一点，在电流泵浦下的载流子浓度的不断增加并不立即导致光子密度的增加，并且载流于的浓度超过对应于与发射的光子的数量的平衡的水平。在光子密度变得足够大以增强光复合过程后，载流子的数量下降到平衡水平，从种子激光器发射出尖峰脉冲。电流阶跃的振幅越高，或者注入的载流子的数量偏离所述阈值N_{e_th}越多，尖峰将发生得越强烈。

为了估计尖峰脉冲的振幅，需要知道多个激光器参数，诸如约束因数、光复合时间、扩散系数等。为了示出尖峰效应，使用包括关于载流子数量和光子数量的速率等式的一个模型，对半导体激光器的载流子密度和输出光功率进行了数值模拟。在图4中示出了没有预驱动的高斯驱动脉冲的结果。

参照图4，在该图的被标为a)的左手侧，关于一个所施加的从零振幅开始的电流脉冲(“泵浦电流”)，示出了激光器的载流子密度和光功率。当施加该电流脉冲时，注入的载流子的数量在6ns时急剧增加，在光功率曲线中清楚地看到所导致的尖峰。在该图的被标为b)的右手侧，电流脉冲始于刚好小于阈值的一个值12(由于比例效应，这在图4中不十分明显)，这导致注入的载流子的数量缓慢增加至一个接近于阈值的值。在6ns处，当施加主电流脉冲时，关于注入的载流子的数量的过冲效应较小，有效避免了尖峰。在图4中，竖直轴上的所有数量都以任意单位给出。

因此，为了消除尖峰效应，预驱动信号中的电流应保持接近于阈值一段持续时间，使得注入的载流子的数量实际上达到平衡水平。在该情况下，即将到来的主脉冲将不会导致尖峰。优选地，预驱动信号中的电流应保持在等于或高于激光器电流阈值的值一段持续时间，使得激光器中注入的载流子的数量尽可能接近地——例如，如有可能实现地那样接近地和/或如期望实现地那样接近地——接***衡水平。例如，预驱动信号中的电流可被保持在等于或高于激光器电流阈值的一个值一段持续时间，使得激光器中注入的载流子的数量距平衡水平不到所述平衡水平的约10％地接近所述平衡水平。

图5A示出了根据本发明的一个实施方案的光脉冲发射机500的一个实施例。触发设备501用于引发用于种子激光器或激光二极管508的驱动信号。通过使用电延迟线502、503，可关于所产生的脉冲的定时(timing)来控制脉冲发生器504、505，其中可仔细选择经由电流源506、507供应至种子激光器的预驱动信号和主驱动信号的定时。触发设备产生一个触发信号，该触发信号通过相应的延迟线被延迟使得形成两个延迟形式的延迟信号：一个被供应用于产生预驱动信号，另一个用于产生主驱动信号。光脉冲发射机500可例如用如下一个掺铒光纤放大器(EDFA)510实现，该EDFA以约1550nm的波长工作，或者以约1550±20nm的波长工作，其中在非常高的峰值功率下，肉眼安全工作是可能的。所述EDFA通过一个泵浦激光器509被光泵浦。所述EDFA的输出脉冲在图中借助一个粗体箭头示出。该光输出脉冲接下来用于执行EDM。

在图5B中示出了光脉冲发射机的另一种实现方式。在此，使用仅一个电流源506，该电流源506将预驱动信号和驱动信号两者提供给种子激光器。所述源506由同上一实施例中的脉冲发生器一样的两个脉冲发生器504和505控制。

此外，光脉冲发射机500一般包括一个或多个微处理器(未示出)或某个其他的具有计算能力的设备，例如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等，以执行操作，诸如控制触发设备501以引发用于种子激光器或激光二极管508的驱动信号。当执行本发明的方法的不同实施方案的步骤时，微处理器一般执行被下载到发射机或存储在合适的存储区域诸如像RAM、闪存或硬盘中的合适的软件。这样的微处理器或处理单元可替代地或可选地相对于光脉冲发射机位于外部(并且电连接至光脉冲发射机)。

图6示出根据本发明的一个实施方案所产生的驱动信号的另一示例。假设主驱动信号不以与该主驱动信号上升的相同高速率下降，可产生一个具有负振幅的副驱动信号。所述负振幅的绝对值可例如与主驱动信号的振幅相当，或高于所述主驱动信号的振幅。所述副驱动信号一般在预驱动信号达到零时或随后开始。产生所述副驱动信号便于快速去除种子激光器中的注入的载流子，因此缩短了脉冲宽度。一个副驱动信号将相应地要求在图5A或5B的发射机中有第三延迟线、第三脉冲发生器和第三电流源。所述副驱动信号在图6中被以粗体示出。

图7示出根据本发明的又一个实施方案的光脉冲发射机700的实施例。脉冲发生器704产生经由电流源706供应至种子激光器或激光二极管708的预驱动信号和主驱动信号。所述光脉冲发射机700包括一个用泵浦激光器709光泵浦的EDFA 710。由于在该实施方案中使用了仅一个脉冲发生器704，所述预驱动信号和主驱动信号将作为一个复合信号被供应，该复合信号经由相同的信号路径被提供给种子激光器708。

图8示出在图7的光脉冲发射机中产生的预驱动信号和主驱动信号的示例。

尽管已参照本发明的具体示例实施方案描述了本发明，但许多不同的改变、修改等将变得对本领域技术人员来说是明显的。因此，所描述的实施方案不意在限制如随附的权利要求所限定的本发明的范围。权利要求中的任何参考标记都不应被解释为限制所述范围。

Claims (15)

1.一种驱动激光二极管的方法，包括以下步骤：

产生一个预驱动信号；

产生一个主驱动信号；

通过一个光泵浦放大器放大由所述激光二极管提供的信号，由此产生一个光输出信号；

其中所述预驱动信号被形成为使得所述预驱动信号的电流水平保持在接近于、等于或高于激光器电流阈值的一个值一段持续时间，使得在施加所述主驱动信号之前，所述激光器中注入的载流子的数量接***衡水平且其中所述预驱动信号被形成为使得所产生的光输出信号具有的能量含量小于由所述主驱动信号产生的光输出信号的能量含量的预定的一小部分；以及

将所述预驱动信号和所述主驱动信号施加至所述激光二极管，其中所述预驱动信号是始于在所述激光器电流阈值以下的一个电流值的脉冲，其中所述预驱动信号减轻激光器光输出中的尖峰效应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述主驱动信号的占空比小于约1％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述预驱动信号的持续时间长于所述激光二极管的特征时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述主驱动信号的振幅达到零之前或者在所述主驱动信号的振幅达到零之后，所述预驱动信号的振幅达到零。

5.一种光脉冲发射机，包括：

激光二极管；

脉冲发生器，用于产生给所述激光二极管的驱动信号；

光泵浦放大器，用于放大由所述激光二极管提供的信号，由此产生所述光脉冲发射机的一个光输出信号；以及

电流源，经由所述电流源向所述激光二极管供应所述驱动信号，其中所述脉冲发生器适于：产生一个预驱动信号，该预驱动信号适于减轻激光器光输出中的尖峰效应，所述预驱动信号被形成为使得所述预驱动信号的电流水平保持在接近于、等于或高于激光器电流阈值的一个值一段持续时间，使得在将一个主驱动信号施加至所述激光二极管之前，所述激光二极管中注入的载流子的数量接***衡水平，其中所述预驱动信号是始于在所述激光器电流阈值以下的一个电流值的脉冲；以及形成所述预驱动信号，使得所产生的光输出信号具有的能量含量小于由所述主驱动信号产生的光输出信号的能量含量的预定的一小部分。

6.根据权利要求5所述的光脉冲发射机，其中所述光泵浦放大器包括一个掺杂光纤放大器。

7.根据权利要求6所述的光脉冲发射机，其中所述掺杂光纤放大器掺杂有Nd、Yb、Er、Tm、Pr、Ho或其任意组合。

8.根据权利要求6或7所述的光脉冲发射机，其中所述掺杂光纤放大器适于在肉眼安全的波长范围内工作。

9.根据权利要求7所述的光脉冲发射机，其中所述掺杂光纤放大器适于在1.03-1.10μm、1.0-1.1μm、1.5-1.6μm或1.45-1.53μm的波长区间内工作，或者在约1.3μm或2.1μm的波长下工作。

10.根据权利要求5所述的光脉冲发射机，其中所述脉冲发生器适于形成所述预驱动信号，使得所产生的光输出信号具有不高于由所述主驱动信号产生的输出光信号的振幅的约20％的振幅。

11.根据权利要求5所述的光脉冲发射机，其中所述脉冲发生器适于形成所述预驱动信号，使得所产生的光输出信号具有不长于由所述主驱动信号产生的输出光信号的周期的约20％的持续时间。

12.根据权利要求5所述的光脉冲发射机，其中所述脉冲发生器还适于产生所述预驱动信号，使得所述预驱动信号的持续时间长于所述激光二极管的特征时间。

13.根据权利要求5所述的光脉冲发射机，包括：

两个脉冲发生器，用于产生给激光二极管的驱动信号，一个脉冲发生器产生所述预驱动信号，另一脉冲发生器产生所述主驱动信号；

两个电流源，经由所述电流源之一将所述预驱动信号供应至所述激光二极管，以及经由所述电流源中的另一个将所述主驱动信号供应至所述激光二极管；

触发设备，产生一个触发信号，用于引发待由所述脉冲发生器产生的所述驱动信号；以及

两个电延迟线，用于控制由所述触发设备产生的触发信号的定时，一个延迟线使第一延迟的触发信号被供应至所述脉冲发生器之一以产生所述预驱动信号，另一个延迟线使得第二延迟的触发信号被供应至另一脉冲发生器以产生所述主驱动信号。

14.根据权利要求13所述的光脉冲发射机，还包括：

第三脉冲发生器，用于产生给所述激光二极管的一个副驱动信号；

第三电流源，经由该第三电流源将所述副驱动信号供应至所述激光二极管；以及

第三电延迟线，使第三延迟的触发信号被供应至所述第三脉冲发生器以产生所述副驱动信号，由此便于快速减小通过所述激光二极管的电流。

15.根据权利要求14所述的光脉冲发射机，其中所述副驱动信号被形成为使得它具有负振幅，所述副驱动信号的绝对值与所述主驱动信号的振幅相当或者高于所述主驱动信号的振幅，以及当所述预驱动信号达到零时或之后，所述副驱动信号开始。