CN101311810A - 啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种啁啾展宽激光脉冲的光谱整形装置及方法，该装置由锁模激光器、光栅展宽器、透镜、脉冲取样器、光纤分束器、光纤放大器、同步光电转换装置、整形电脉冲发生器和集成波导电光调制器构成，本发明可实现对放大前的啁啾展宽脉冲进行光谱预整形，大大减小了啁啾脉冲放大系统中的增益窄化效应。该装置不需复杂的光路和机械装置，改变光谱形状非常方便，操作灵活，效率高，容易嵌入到啁啾脉冲多级放大系统中去。

Description

啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置及方法

技术领域

本发明涉及啁啾激光脉冲，特别是一种啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置及其方法。

技术背景

啁啾脉冲放大技术常用于产生太瓦甚至拍瓦超短超强激光脉冲实验装置中，种子激光脉冲在展宽器中进行时间展宽，再进行多级放大。由于展宽后的种子激光脉冲的功率密度过低，放大阶段通常分为高增益预放大和功率放大两个阶段。在高增益预放大阶段，由于激光介质的增益窄化效应通常导致放大的激光脉冲光谱窄化，使得最终放大后的激光脉冲无法压缩回原来的脉宽。应用光谱预整形技术，可以降低光谱窄化效应，从而实现脉宽更窄、峰值功率密度更大的激光脉冲输出。为了克服超短激光脉冲放大过程中的增益窄化效应，人们提出了几种光谱整形的方法，诸如在光路中加载窄带干涉滤光片与石英双折射滤光片，采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，这些方法在一定程度上满足了实验的需要，但是也存在一些问题，诸如整形后的光谱存在一些尖峰，改变光谱形状比较繁琐，对光路调节精度要求比较高，稳定性不好，器件加工比较困难等。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置及其方法。该整形装置和方法不需复杂的光路和机械装置，改变光谱形状非常方便，操作灵活，效率高，容易嵌入到啁啾脉冲多级放大系统中去。

本发明是基本原理如下：

种子激光脉冲经过光栅展宽，耦合到单模光纤中，经过加载有门电脉冲的集成波导调制器选取激光单脉冲，再经过加载有整形电脉冲的集成波导调制器进行时间整形，从而实现光谱整形。

设种子激光脉冲电场强度为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{seed}}\left(t\right)=E\left(t\right)e^{i[{\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\β}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)z]}---\left(1\right)$

经过展宽器展宽后：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{str}}\left(t\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{seed}}\left(\mathrm{\ω}\right)\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right)\mathrm{d\ω}---\left(2\right)$

式中： $\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)+{\mathrm{\φ}}^{\′}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)+\frac{1}{2}{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\left({\mathrm{\ω}}_0\right){(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2,$ φ′，φ″分别为群延时、群速色散系数。

在集成波导调制器中进行时间整形：

ε(t)为整形后激光脉冲电场强度随时间分布函数。式中

式中：V_π，V_π/2分别为电光调制晶体的半波电压和四分之一电压，V(t)为整形电脉冲电压，V_dc是直流偏置电压。

对(3)式进行傅立叶变换可得到电场强度在频域内的分布：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\exp (-\mathrm{i\ωt})\mathrm{dt}---\left(5\right)$

所以整形后的激光脉冲的光谱形状为：

I(ω)∝|ε(ω)|²        (6)

本发明的技术解决方案如下：

一种啁啾展宽激光脉冲的光谱整形装置，其特点在于：该装置由锁模激光器、光栅展宽器、透镜、脉冲取样器、光纤分束器、光纤放大器、同步光电转换装置、整形电脉冲发生器和集成波导电光调制器构成，其位置关系是：锁模激光器输出的待整形的超短激光脉冲，经光栅展宽器展宽，再经透镜耦合到第一单模光纤的输入端，该第一单模光纤的输出端接所述的脉冲取样器的输入端，该脉冲取样器的输出端通过第二单模光纤接所述的光纤分束器，该光纤分束器的第一输出端接所述的光纤放大器的输入端，该光纤放大器的输出端经第五单模光纤接所述的同步光电转换装置，该同步光电转换装置的输出端通过第一同轴电缆接所述的整形电脉冲发生器输入端，该整形电脉冲发生器的输出端通过第二同轴电缆接所述的集成波导电光调制器第一输入端；所述的光纤分束器第二输出端经第三单模光纤接所述的集成波导电光调制器的第二输入端，待整形的超短激光脉冲经过整形电脉冲调制后由第四单模光纤输出，光谱得到了整形。

上述啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置进行激光脉冲光谱整形的方法，包括下列步骤：

①光栅展宽器对接近傅立叶变换限的超短种子激光脉冲进行啁啾展宽，使激光脉冲的频率间隔和时间间隔成线性对应关系；

②脉冲取样器对高重复频率激光脉冲序列选取单单脉冲，使展宽后的激光脉冲的重复频率降低为1Hz；

③应用光纤分束器进行激光脉冲分束，通过同步光电转换装置产生同步的触发电脉冲，推动整形电脉冲发生器产生整形电脉冲，使之与待整形激光脉冲保持高度同步；

④应用整形电脉冲发生器产生的整形电脉冲输入所述的集成波导电光调制器，对由所述的光纤分束器第二输出端经第三单模光纤输入所述的集成波导电光调制器的第二输入端的待整形的超短激光脉冲进行电脉冲整形调制，由第四单模光纤输出。

本发明的技术效果：

1、该光谱整形方案可以得到光滑无调制的整形光谱波形。

2、该光谱整形方案无复杂的光路，激光脉冲主要在光纤中传输，调节方便，稳定性高。

3、该光谱整形方案可以非常方便的改变光谱波形，只需改变整形电脉冲波形。

4、该光谱整形方案中激光脉冲经过展宽、选取单脉冲，因此可以非常容易的嵌入到啁啾激光脉冲放大系统中去

附图说明

图1为本发明啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置的结构示意图。

图2为三个不同调制深度的整形电脉冲波形。

图3为对应图2中三个不同调制深度整形电脉冲调制后的激光脉冲光谱形状。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置的结构示意图。由图可见，本发明啁啾展宽激光脉冲的光谱整形装置，由锁模激光器1、光栅展宽器2、透镜3、脉冲取样器5、光纤分束器6、光纤放大器7、同步光电转换装置8、整形电脉冲发生器10和集成波导电光调制器11构成，其位置关系是：所述的锁模激光器1输出的超短激光脉冲，经光栅展宽器2展宽，再经透镜3耦合到第一单模光纤41的输入端，该第一单模光纤41的输出端接脉冲取样器5的输入端，该脉冲取样器5的输出端通过第二单模光纤42接所述的光纤分束器6，该光纤分束器6的第一输出端接所述的光纤放大器7的输入端，该光纤放大器7的输出端经第五单模光纤45接所述的同步光电转换装置8，该同步光电转换装置8的输出端通过第一同轴电缆91接所述的整形电脉冲发生器10输入端，该整形电脉冲发生器10的输出端通过第二同轴电缆92接所述的集成波导电光调制器11第一输入端；所述的光纤分束器6第二输出端经第三单模光纤43接所述的集成波导电光调制器11的第二输入端，待整形的超短激光脉冲在这里经过整形电脉冲调制后，由第四单模光纤44输出，光谱得到了整形。

所述的啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置进行激光脉冲光谱整形的过程包括下列步骤：

①光栅展宽器2对由锁模激光器1输入的接近傅立叶变换限的超短种子激光脉冲进行啁啾展宽，使激光脉冲的频率间隔和时间间隔成线性对应关系；

②脉冲取样器5对输入的已啁啾展宽的高重复频率激光脉冲序列选取单脉冲，使展宽后的激光脉冲的重复频率降低为1Hz；

③所述的光纤分束器6进行激光脉冲分束，较弱的光束通过同步光电转换装置8产生同步的触发电脉冲，推动整形电脉冲发生器10产生整形电脉冲，使之与待整形激光脉冲保持高度同步；

④应用整形电脉冲发生器10产生的整形电脉冲输入所述的集成波导电光调制器11，对由所述的光纤分束器6第二输出端经第三单模光纤43输入所述的集成波导电光调制器11的第二输入端的待整形的超短激光脉冲进行电脉冲整形调制，由第四单模光纤44输出。

为了便于理解本发明提出的光谱整形方案，用以下实施例对本方案进行描述，并数值计算了整形电脉冲波形和整形前后的光谱波形：

①锁模激光器1输出220fs的种子激光脉冲，光谱半极大全宽为7.4nm。

②经过光栅展宽器2，种子激光脉冲被线性展宽到1.2ns。

③通过透镜3耦合到单模光纤中。

④由取样器5由集成波导调制器和1Hz方波脉冲发生器构成，选取单脉冲，激光脉冲频率降为1Hz。

⑤激光脉冲通过单模光纤导入到光纤分束器6，激光脉冲分为两束，较弱的一束经过光纤放大器7进行放大，然后去同步光电转换装置8产生同步触发电脉冲，用该电脉冲去触发整形电脉冲发生器10产生整形电脉冲。

⑥由光纤分束器6输出的较强的一束激光脉冲，经过第三单模光纤43进行延时，和整形电脉冲同时被导入到集成波导电光调制器11，激光脉冲经过电光调制，时间上被整形，由于线性啁啾激光脉冲频率间隔和时间间隔的线性对应，整形后的激光脉冲的光谱波形和时间波形同样。

如图2所示的整形电脉冲电压波形随时间分布。图3是对应的光谱形状，实线对应激光脉冲未整形时的光谱。图3中激光脉冲的光谱经过整形后，经测试，不但波形由高斯状变为平顶的超高斯形状，甚至中间可呈现凹陷，而且光谱半极大全宽宽度比整形前加宽了1～4nm。

Claims (2)

1、一种啁啾展宽激光脉冲的光谱整形装置，其特征在于：该装置由锁模激光器(1)、光栅展宽器(2)、透镜(3)、脉冲取样器(5)、光纤分束器(6)、光纤放大器(7)、同步光电转换装置(8)、整形电脉冲发生器(10)和集成波导电光调制器(11)构成，其位置关系是：锁模激光器(1)输出的超短激光脉冲，经光栅展宽器(2)展宽，再经透镜(3)耦合到第一单模光纤(41)的输入端，该第一单模光纤(41)的输出端接脉冲取样器(5)的输入端，该脉冲取样器(5)的输出端通过第二单模光纤(42)接所述的光纤分束器(6)，该光纤分束器(6)的第一输出端接所述的光纤放大器(7)的输入端，该光纤放大器(7)的输出端经第五单模光纤(45)接所述的同步光电转换装置(8)，该同步光电转换装置(8)的输出端通过第一同轴电缆(91)接所述的整形电脉冲发生器(10)输入端，该整形电脉冲发生器(10)的输出端通过第二同轴电缆(92)接所述的集成波导电光调制器(11)第一输入端；所述的光纤分束器(6)第二输出端经第三单模光纤(43)接所述的集成波导电光调制器(11)的第二输入端，待整形的超短激光脉冲经过整形电脉冲调制后由第四单模光纤(44)输出，光谱得到了整形。

2、权利要求1所述的啁啾展宽激光脉冲光谱整形装置进行激光脉冲光谱整形的方法，其特征在于包括下列步骤：

①光栅展宽器(2)对锁模激光器(1)输入的接近傅立叶变换限的超短种子激光脉冲进行啁啾展宽，使激光脉冲的频率间隔和时间间隔成线性对应关系；

②脉冲取样器(5)对啁啾展宽的高重复频率激光脉冲序列选取单脉冲，使展宽后的激光脉冲的重复频率降低为1Hz；

③应用光纤分束器(6)进行激光脉冲分束，较弱的一束激光通过同步光电转换装置(8)推动整形电脉冲发生器(10)产生整形电脉冲，使之与待整形激光脉冲保持高度同步；

④应用整形电脉冲发生器(10)产生的整形电脉冲输入所述的集成波导电光调制器(11)，对由所述的光纤分束器(6)第二输出端经第三单模光纤(43)输入所述的集成波导电光调制器(11)的第二输入端的待整形的超短激光脉冲进行电脉冲整形调制，由第四单模光纤(44)输出。

Images