CN115377786B - 一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光脉冲时域对比度的系统和方法，该系统包括：锁模激光器分别与声光调制器和同步触发控制电路连接，用于产生基频锁模脉冲和控制电路时钟信号；声光调制器与光纤反馈光参量振荡器连接，用于降低锁模脉冲的重复频率；光纤反馈光参量振荡器用于将降低重复频率的脉冲进行参量放大，并提高脉冲时域对比度，并输出波长可调谐的脉冲；同步触发控制电路与声光调制器连接，用于将光信号转换成电信号，并发送至声光调制器；通过光参量振荡的阈值特性有效提高脉冲的对比度，能够有效提高输入脉冲的重复频率，降低脉冲序列时间间距，并能够通过调节光衰减器，实现对脉冲序列中脉冲幅度的任意调节。

Description

一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，尤其涉及一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法。

背景技术

脉冲对比度是激光脉冲的一项重要性质。而将高重复频率的锁模激光脉冲通过脉冲选取技术，降低至较低的重复频率或产生脉冲串已经广泛应用于激光加工、极高峰值功率光源产生、荧光寿命成像等领域。目前，这类激光系统的脉冲对比度受限于当前声光和电光器件的响应速度，对相邻脉冲和非相邻脉冲的抑制比只能达到10²：1或10⁴:1。这些残余的脉冲对于高峰值功率的激光系统而言会导致难以消除的背景信号，并消耗放大系统的增益。通常为了提高脉冲的对比度需要采用级联多个调制器的方法，这无疑造成了成本的增加和系统的复杂化。因此，如何找到一种提高锁模脉冲对比度，并满足不同波长要求的广泛使用性的方法，就成为业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法，可以提高锁模脉冲对比度，并满足不同波长要求的广泛使用性。

根据本发明的第一方面，提供了一种提高激光脉冲时域对比度的系统，包括：锁模激光器、声光调制器、同步触发控制电路和光纤反馈光参量振荡器；

所述锁模激光器产生基频锁模脉冲输出至所述声光调制器；

所述锁模激光器产生控制电路时钟信号输出至所述同步触发控制电路；

所述同步触发控制电路将光信号转换成电信号后发送至所述声光调制器；

所述声光调制器用于降低所述锁模脉冲的重复频率，并将所述锁模脉冲输出至所述光纤反馈光参量振荡器；

所述光纤反馈光参量振荡器用于将降低重复频率的所述锁模脉冲进行参量放大，并提高所述锁模脉冲的时域对比度，输出波长可调谐的脉冲。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述锁模激光器为根据需要选择的任意波段的被动锁模激光器，所述锁模激光器的类型包括：钛宝石锁模激光器、掺铒光纤锁模激光器和掺镱光纤锁模激光器。

可选的，所述声光调制器的光输入端与所述锁模激光器的锁模脉冲输出端连接。

可选的，所述同步出触发控制电路的输出端与声光调制器的射频驱动端连接。

可选的，所述光纤反馈光参量振荡器包括：双色镜、非线性晶体、反馈光纤、光纤反射镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、反射镜；

所述锁模脉冲通过所述双色镜的入射面输入所述光纤反馈光参量振荡器；所述双色镜的反射面的一侧依次设置有所述非线性晶体、准直透镜、反馈光纤和光纤反射镜依次设置于一条光路上，所述双色镜的反射面的另一侧依次设置有所述偏振分光棱镜、四分之一波片和反射镜；

所述双色镜对所述锁模脉冲的光参量振荡脉冲进行分离后，将所述锁模脉冲输入所述非线性晶体；

所述非线性晶体基于非线性效应将所述锁模脉冲转换为光参量脉冲后传输至所述反馈光纤；

所述反馈光纤用于对所述光参量脉冲与所述锁模脉冲的重复频率进行初步匹配，经过所述光纤反射镜反射后，再依次经过反馈光纤、准直透镜和非线性晶体到达所述双色镜的反射面上，经过所述双色镜反射后进入所述偏振分光棱镜；

所述偏振分光棱镜用于保持光纤反馈光参量振荡器内的偏振态；所述光参量脉冲经过所述偏振分光棱镜后一路作为输出，另一路进入所述四分之一波片和所述反射镜；

所述四分之一波片用于调整光参量脉冲偏振态和调节光纤反馈光参量振荡器的输出功率；

所述反射镜用于精确调节光产量振荡器的腔长，并与前述所有器件构成谐振腔。

可选的，所述双色镜和所述非线性晶体之间还设置有聚焦透镜；

所述聚焦透镜用于缩小所述锁模脉冲的光斑。

可选的，所述非线性晶体和所述反馈光纤之间还设置有准直透镜；

所述准直透镜用于将所述光参量脉冲耦合进入所述反馈光纤。

根据本发明的第二方面，提供一种提高激光脉冲时域对比度的方法，所述方法基于本发明实施例提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统，所述方法包括：

步骤1，探测所述锁模激光器的重复频率，调节所述同步触发控制电路参数选取所需的降频系数；

步骤2，观测所述声光调制器输出脉冲的功率和时域波形，调节所述同步触发控制电路的延时和门宽，优化输出的所述锁模脉冲的功率值至最大；

步骤3，通过观察光参量荧光脉冲的重复频率，受限调节反馈光纤的长度至所述锁模激光器重复频率的整数倍，再调节所述反射镜的位置实现光参量振荡。

本发明提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法，通过在锁模脉冲重复频率调节后加入光纤反馈光参量振荡器，并调节光参量振荡器腔长实现和锁模脉冲重复频率匹配，在不增加额外主动控制电路的前提下，可以有效的提高激光脉冲的对比度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光纤反馈光参量振荡器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种提高时域脉冲对比度的方法的流程图；

101、锁模激光器，102、声光调制器，103、同步触发控制电路，104、光纤反馈光参量振荡器，201、双色镜，202、聚焦透镜，203、非线性晶体，204、准直透镜，205、反馈光纤，206、光纤反射镜，207、偏振分光棱镜，208、四分之一波片，209、反射镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

根据非线性参量放大理论，非线性效应有明显的阈值特性，并且该阈值与光脉冲峰值功率成反比，即脉冲的峰值功率达到某一特定值时才能形成光参量振荡。利用这一特性，经过声光调制器后的激光脉冲，相邻和非相邻脉冲的强度远低于声光调制器选择的脉冲或脉冲串的强度，利用这一特性，结合光参量振荡的阈值特性，能够有效地提高脉冲的对比度。

图1为本发明提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统的结构框图，如图1所示，该系统包括：锁模激光器101、声光调制器102、同步触发控制电路103、光纤反馈光参量振荡器104。锁模激光器101分别与声光调制器102和同步触发控制电路103连接，用于产生基频锁模脉冲和控制电路时钟信号；声光调制器102与光纤反馈光参量振荡器104连接，用于降低锁模脉冲的重复频率；光纤反馈光参量振荡器104用于将降低重复频率的脉冲进行参量放大，并提高脉冲时域对比度，输出波长可调谐的脉冲；同步触发控制电路103与声光调制器连接102，用于将光信号转换成电信号，并发送至声光调制器102。

锁模激光器101、声光调制器102、同步触发控制电路103和光纤反馈光参量振荡器104。

锁模激光器101产生基频锁模脉冲输出至声光调制器102。

锁模激光器101产生控制电路时钟信号输出至同步触发控制电路103。

同步触发控制电路103将光信号转换成电信号后发送至声光调制器102。

声光调制器102用于降低锁模脉冲的重复频率，并将锁模脉冲输出至光纤反馈光参量振荡器104。

光纤反馈光参量振荡器104用于将降低重复频率的锁模脉冲进行参量放大，并提高锁模脉冲的时域对比度，输出波长可调谐的脉冲。

本发明提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统，通过在锁模脉冲重复频率调节后加入光纤反馈光参量振荡器，并调节光参量振荡器腔长实现和锁模脉冲重复频率匹配，在不增加额外主动控制电路的前提下，可以有效的提高激光脉冲的对比度。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种提高激光脉冲时域对比度的的系统的实施例，结合图2可知，该系统的实施例包括：

锁模激光器101、声光调制器102、同步触发控制电路103和光纤反馈光参量振荡器104。

在一种可能的实施例方式中，锁模激光器101为根据需要选择的任意波段的被动锁模激光器101，锁模激光器101的类型包括：钛宝石锁模激光器、掺铒光纤锁模激光器和掺镱光纤锁模激光器。

锁模激光器101产生基频锁模脉冲输出至声光调制器102。

在一种可能的实施例方式中，声光调制器102的光输入端与锁模激光器101的锁模脉冲输出端连接。

锁模激光器101产生控制电路时钟信号输出至同步触发控制电路103。

在一种可能的实施例方式中，同步出触发控制电路的输出端与声光调制器102的射频驱动端连接。

同步触发控制电路103将光信号转换成电信号后发送至声光调制器102。

声光调制器102用于降低锁模脉冲的重复频率，并将锁模脉冲输出至光纤反馈光参量振荡器104。

光纤反馈光参量振荡器104用于将降低重复频率的锁模脉冲进行参量放大，并提高锁模脉冲的时域对比度，输出波长可调谐的脉冲。

光纤反馈光参量振荡器104是这整个提高时域脉冲对比度系统的核心部件之一，器主要功能是对经过声光调制器102后的残余脉冲进行滤除，从而实现提高脉冲对比度的目的。在一种可能的实施例方式中，如图2所示为本发明实施例提供的一种光纤反馈光参量振荡器的结构示意图，结合图2可知，该光纤反馈光参量振荡器104包括：双色镜201、聚焦透镜202、非线性晶体203、准直透镜204、反馈光纤205、光纤反射镜206、偏振分光棱镜207、四分之一波片208、反射镜209。

经过声光调制器102的光脉冲通过双色镜201进入光纤反馈光参量振荡器104中，作为泵浦同由聚焦透镜202聚焦在非线性晶体203上。

非线性晶体203在泵浦光的作用下将产生光参量变换，所产生的参量光脉冲通过准直透镜204耦合进入反馈光纤205中，再由光纤反射镜206反射回到反馈光纤205中。

参量光再次经过准直透镜204、非线性晶体203、聚焦透镜202到达双色镜201上，在双色镜201的反射下经过偏振分光棱镜207稳定偏振态，通过四分之一波片208旋转偏振态由反射镜209反射后从新返回到双色镜201上，形成光产量振荡器。

通过调节反射镜209的位置与入射光的重复频率匹配，再调节四分之一波片208的角度，形成稳定的光参量振荡，参量光在这一腔中往返振荡，输出由偏振分光棱镜207控制，只有达到参量振荡阈值的光脉冲才能够完成参量光放大，由于声光调制器102抑制比不足，造成的残余光无法达到参量转换阈值，被光纤反馈光参量振荡器104滤除，从而达到提高脉冲对比度的目的。

锁模脉冲通过双色镜201的入射面输入光纤反馈光参量振荡器104；双色镜201的反射面的一侧依次设置有非线性晶体203、准直透镜204、反馈光纤205和光纤反射镜206依次设置于一条光路上，双色镜201的反射面的另一侧依次设置有偏振分光棱镜207、四分之一波片208和反射镜209。

非线性晶体203使用光学三阶非线性效应，包括但不限于周期激化铌酸锂晶体、BBO、KDP等。

双色镜201对锁模脉冲的光参量振荡脉冲进行分离后，将锁模脉冲输入非线性晶体203。

非线性晶体203基于非线性效应将锁模脉冲转换为光参量脉冲后传输至反馈光纤205。

反馈光纤205用于对光参量脉冲与锁模脉冲的重复频率进行初步匹配，经过光纤反射镜206反射后，再依次经过反馈光纤205、准直透镜204和非线性晶体203到达双色镜201的反射面上，经过双色镜201反射后进入偏振分光棱镜207。

反馈光纤205其特征为传输参量脉冲，包括但不限于单模光纤、单模保偏光纤、光子晶体光纤等。

偏振分光棱镜207用于保持光纤反馈光参量振荡器104内的偏振态；光参量脉冲经过偏振分光棱镜207后一路作为输出，另一路进入四分之一波片208和反射镜209。

四分之一波片208用于调整光参量脉冲偏振态和调节光纤反馈光参量振荡器104的输出功率。

反射镜209用于精确调节光产量振荡器的腔长，并与前述所有器件构成谐振腔。

在一种可能的实施例方式中，聚焦透镜202设置于双色镜201和非线性晶体203之间，用于缩小锁模脉冲的光斑。

在一种可能的实施例方式中，准直透镜204设置于非线性晶体203和反馈光纤205之间，用于将光参量脉冲耦合进入反馈光纤205。

锁模脉冲光信号转换为电信号，经过处理后驱动声光调制器102完成脉冲串和单个脉冲选择工作。

实施例2

本发明提供的实施例2为本发明提供的一种提高激光脉冲时域对比度的方法的实施例，该方法基于本发明实施例提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统，本发明提供的一种提高时域脉冲对比度的系统中，包含了锁模激光器101、声光调制器102、光纤反馈光参量振荡器104、同步触发控制电路103，上述四种部件的操作方式和控制顺序对实现本发明的技术方法，解决本发明所涉及的技术问题，获得本发明预期的效果都有极为重要的影响。

图3为本发明实施例提供的一种提高激光脉冲时域对比度的方法的流程图，结合图1-图3可知，该方法的实施例包括：

步骤1，探测锁模激光器101的重复频率，调节同步触发控制电路103参数选取所需的降频系数。

步骤2，观测声光调制器102输出脉冲的功率和时域波形，调节同步触发控制电路103的延时和门宽，优化输出的锁模脉冲的功率值至最大。

步骤3，通过观察光参量荧光脉冲的重复频率，受限调节反馈光纤205的长度至锁模激光器101重复频率的整数倍，再调节反射镜209的位置实现光参量振荡。

可以理解的是，本发明提供的一种提高激光脉冲时域对比度的方法与前述各实施例提供的提高激光脉冲时域对比度的系统相对应，提高激光脉冲时域对比度的方法的相关技术特征可参考提高激光脉冲时域对比度的系统的相关技术特征，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种提高激光脉冲时域对比度的系统及方法，通过在锁模脉冲重复频率调节后加入光纤反馈光参量振荡器，并调节光参量振荡器腔长实现和锁模脉冲重复频率匹配，在不增加额外主动控制电路的前提下，可以有效的提高激光脉冲的对比度。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种提高激光脉冲时域对比度的系统，其特征在于，所述系统包括：

锁模激光器、声光调制器、同步触发控制电路和光纤反馈光参量振荡器；

所述锁模激光器产生基频锁模脉冲输出至所述声光调制器；

所述锁模激光器产生控制电路时钟信号输出至所述同步触发控制电路；

所述同步触发控制电路将光信号转换成电信号后发送至所述声光调制器；

所述声光调制器用于降低所述锁模脉冲的重复频率，并将所述锁模脉冲输出至所述光纤反馈光参量振荡器；

所述光纤反馈光参量振荡器用于将降低重复频率的所述锁模脉冲进行参量放大，并提高所述锁模脉冲的时域对比度，输出波长可调谐的脉冲；

所述光纤反馈光参量振荡器包括：双色镜、非线性晶体、反馈光纤、光纤反射镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、反射镜；

所述锁模脉冲通过所述双色镜的入射面输入所述光纤反馈光参量振荡器；所述双色镜的反射面的一侧依次设置有所述非线性晶体、准直透镜、反馈光纤和光纤反射镜依次设置于一条光路上，所述双色镜的反射面的另一侧依次设置有所述偏振分光棱镜、四分之一波片和反射镜；

所述双色镜对所述锁模脉冲的光参量振荡脉冲进行分离后，将所述锁模脉冲输入所述非线性晶体；

所述非线性晶体基于非线性效应将所述锁模脉冲转换为光参量脉冲后传输至所述反馈光纤；

所述反馈光纤用于对所述光参量脉冲与所述锁模脉冲的重复频率进行初步匹配，经过所述光纤反射镜反射后，再依次经过反馈光纤、准直透镜和非线性晶体到达所述双色镜的反射面上，经过所述双色镜反射后进入所述偏振分光棱镜；

所述偏振分光棱镜用于保持光纤反馈光参量振荡器内的偏振态；所述光参量脉冲经过所述偏振分光棱镜后一路作为输出，另一路进入所述四分之一波片和所述反射镜；

所述四分之一波片用于调整光参量脉冲偏振态和调节光纤反馈光参量振荡器的输出功率；

所述反射镜用于精确调节光产量振荡器的腔长，并与前述所有器件构成谐振腔。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锁模激光器为根据需要选择的任意波段的被动锁模激光器，所述锁模激光器的类型包括：钛宝石锁模激光器、掺铒光纤锁模激光器和掺镱光纤锁模激光器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声光调制器的光输入端与所述锁模激光器的锁模脉冲输出端连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步触发控制电路的输出端与声光调制器的射频驱动端连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双色镜和所述非线性晶体之间还设置有聚焦透镜；

所述聚焦透镜用于缩小所述锁模脉冲的光斑。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非线性晶体和所述反馈光纤之间还设置有准直透镜；

所述准直透镜用于将所述光参量脉冲耦合进入所述反馈光纤。

7.一种提高激光脉冲时域对比度的方法，所述方法基于所述权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，探测所述锁模激光器的重复频率，调节所述同步触发控制电路参数选取所需的降频系数；

步骤2，观测所述声光调制器输出脉冲的功率和时域波形，调节所述同步触发控制电路的延时和门宽，优化输出的所述锁模脉冲的功率值至最大；

步骤3，通过观察光参量荧光脉冲的重复频率，受限调节反馈光纤的长度至所述锁模激光器重复频率的整数倍，再调节所述反射镜的位置实现光参量振荡。

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