CN101764346B - 高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超快激光科学与精密测量技术领域，具体指的是一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法。该方法利用自参考测量方法的双光路干涉技术获得拍频信号，所述拍频信号经由锁相电路反馈控制激光器，该方法在双光路干涉技术中用于产生倍频光的一路激光光路中设置激光放大系统，将用于倍频的激光进行高功率放大。本发明的优点是，能获得载波包络相位稳定的高功率激光输出，这种方法比以往的先放大，再用f-2f系统测量载波相位，用锁相电路反馈控制激光器的方法更为稳定和实用，所获得的拍频信号的信噪比更高，可达40dB以上，本方法实现的高功率激光脉冲，其载波相位更加稳定，工作时间更长，输出的功率也可更高。

Description

高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法

技术领域

本发明属于超快激光科学与精密测量技术领域，具体指的是一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法。

背景技术

对高功率激光脉冲的载波包络相位（CEP）进行精密控制是实现高功率光学频率梳和紫外光学频率梳的重要途径。此外，载波包络相位锁定的脉冲光源还可以应用于强场激光物理研究，高能物理实验和精密测量等诸多方面。目前，最常使用的脉冲载波包络相位锁定的方法是自参考测量技术（又称f-2f系统）。所谓自参考测量技术是指利用激光脉冲的高频成分与低频成分的倍频进行拍频。其中，高频成分与低频成分的频率相近，彼此之间的频率差（拍频信号的频率）正是对应于激光载波包络的相位频移量。在激光器重复频率锁定的情况下，对f-2f系统测得的拍频进行锁定也就是对载波包络相位的锁定。实际操作当中，由于激光脉冲的光谱范围有限，所以需要利用一段非线性光学介质（如光子晶体光纤，PPLN晶体等），将一束飞秒激光的光谱展宽为包含了一个倍频层的超连续谱状。

通常人们采用的自参考测量技术有两种：单光路共线f -2f干涉法和双光路f -2f干涉法。在单光路干涉法中，激光脉冲经过一块PPLN晶体，得到展宽的光谱，同时获得低频成分的倍频光。然后，高频与倍频激光经过一片窄带滤光片，选出合适的频率成分用于产生拍频信号。这种方法的优点是光路简单，集成度高；缺点是拍频信号的信噪比低，操作困难。在双光路干涉法中，激光脉冲被分为两路，一路用于展宽，另一路用于倍频，之后两路再合束并通过光电探测器产生干涉获得拍频信号。这种方法使用性高，操作性强。为了获得高功率载波包络相位稳定的激光脉冲，通常人们是将自参考测量技术和脉冲放大技术相结合，将激光振荡器输出的激光脉冲先经过腔外放大，再使用自参考测量技术对放大后的激光脉冲进行相位的锁定。关于激光脉冲放大技术，特别是在近红外波段（1030 nm附近），目前常用的放大技术是光纤放大技术。其中，利用大模场面积的掺镱双包层光子晶体光纤为增益介质的放大系统可以在几十兆赫兹的重复频率下获得上百瓦平均功率输出的激光脉冲。但是，光纤放大系统虽然提高了飞秒激光的平均功率，激光的脉冲宽度也同样被光纤中的高阶色散效应展宽至皮秒量级。由于脉冲宽度的展宽，放大后的激光脉冲虽然可以在f-2f系统中产生覆盖一个倍频层的超连续谱，但是拍频信号的信噪比通常低于30dB，极大地限制了激光脉冲载波包络相位的锁定效果，并且随着激光脉冲能量的增高，非线性效应的增强，信噪比也在急剧下降，从而也限制了激光功率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法，同时分别利用脉冲放大和展宽技术控制高功率激光脉冲的载波包络相位，并实现载波包络相位稳定的高能超短脉冲激光光源。

本发明的目的实现由以下技术方案完成：

一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法，利用自参考测量方法的双光路干涉技术获得拍频信号，所述拍频信号经由锁相电路反馈控制激光器，该方法在双光路干涉技术中用于产生倍频光的一路激光光路中设置激光放大系统，将用于倍频的激光进行高功率放大。

上述方法实施步骤如下：

1)      将一台激光器的输出光分成两路，一路用于产生倍频光，另一路用于光谱展宽，经由一段非线性光学介质产生超连续谱激光； 

2)      在用于产生倍频光的一路激光光路中设置激光放大系统，进行激光脉冲放大；

3)      将步骤2）中放大后的一路激光经由分光镜，使透射的激光脉冲直接输出，反射的激光脉冲通过倍频晶体，产生倍频光；

4)      将步骤1）产生的超连续谱激光，与步骤3）产生的倍频光在光电探测器上重合，产生拍频信号；

5)      将所述拍频信号经由锁相电路反馈控制激光器的载波相位。

上述激光放大系统为多级光纤放大系统，包括预放大部分和主放大部分，所述预放大部分采用半导体激光器泵浦的单模掺镱光纤放大器，所述主放大部分采用高功率半导体激光器泵浦的大模场面积掺镱双包层光子晶体光纤放大器。

本发明的优点是，通过对f-2f系统中用于倍频的一个分路上加入激光放大系统，从而获得了载波包络相位稳定的高功率激光输出。这种方法比以往的先放大，再用f-2f系统测量载波相位，用锁相电路反馈控制激光器的方法更为稳定和实用。而且与以往的方法相比，本方法所获得的拍频信号的信噪比更高，可达40dB以上，在高功率（百瓦）情况下信噪比依然可稳定在40dB。所以这种本方案实现的高功率激光脉冲，其载波相位更加稳定，工作时间更长，输出的功率也可更高。

附图说明

附图1为本发明方法的流程示意图；

附图2为本发明实施例的结构装置示意图；

附图3为本发明实施例中多级光纤放大器的装置图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本发明提出对双光路干涉法中的一路光进行放大的方法，不同于先放大后采用f-to-2f技术的锁相方法，避开放大系统对脉冲宽度的负面影响，同时提高了相位信号的信噪比，可获得载波包络相位可控的高功率激光脉冲。

附图1所示为本发明方法的流程示意图，如图1所示，本发明方法利用将一台飞秒激光器的输出光分成两路，一路用于光谱展宽，产生超连续谱；另一路用于激光脉冲放大，在该光路中设置激光放大系统，再将放大后的激光部分输出，部分用于产生倍频光。然后，使两路脉冲光（倍频光和连续谱激光）在光电探测器上重合，产生拍频信号，并将该拍频信号通过锁相环电路用于反馈控制原激光器的载波相位。

首先用分束片将一台飞秒脉冲激光器的输出分成两路。一路光经过一段非线性介质，如光子晶体光纤，其光谱得到充分展宽，宽度覆盖一个倍频层。例如：一束波长在1000纳米处的激光，被展宽到一个倍频层后，其光谱宽度覆盖了500纳米到1000纳米的波长范围。因为飞秒激光有极高的峰值功率，所以它在非线性介质中很容易发生非线性效应，极大地展宽了它的频谱。另一路经过光纤放大器，平均功率被放大到数百瓦。放大后的高能脉冲光，绝大部分用于实际输出，少部分通过一块倍频晶体产生倍频光。因为经过放大器后，激光脉冲的宽度被展宽到皮秒量级，所以不适合用于产生超连续谱，但是对于倍频光的产生影响较小。因为脉冲宽度的增加虽然会降低倍频效率，但是可以通过增加入射光功率对其进行补偿。然后，将两路光用一片分光片合束，再用一个光电探测器对其探测，并产生拍频信号。该拍频信号可以通过锁相反馈电路对激光器的载波相位经行精密控制。

如附图2所示，图中符号分别表示： L为掺镱锁模光纤激光器(中心波长为1030nm)，C为锁相环电路，F为中心波长为515nm，带宽10nm的窄带滤光片；T为光电探测器。A1为90：10的分光片；A2和A3为由4个金镜做成的两组直角反射镜；A4为金镜；A5和A7为放大倍数50倍的显微物镜；A6为20cm长的光子晶体光纤；B1为一个激光放大系统；B2为99：1的分光镜；B3和B5为焦距50cm的凸透镜；B4为一块0.2mm厚度的BBO晶体（倍频晶体）； B6为50：50分光片。

本实施例中，掺镱光纤激光器L可以输出脉冲宽度30fs，平均功率100mW的激光脉冲。激光的中心波长在1030nm，光谱宽度60nm。该激光器的重复频率已经被精确锁定在80MHz。脉冲经过分光片A1后被分为两路，功率分别为90mW和10mW，各自用于展宽和放大后倍频。在展宽的光路中，90mW的激光通过一个50倍的显微物镜A5耦合进入光子晶体光纤A6，并由同型号的显微物镜A7耦合输出，输出功率约60mW。展宽后的光谱连续分布在500nm到1100nm的波长范围内。在倍频光路中，10mW的脉冲光经过多级光纤放大系统B1后功率可被提升1000倍以上，达到10W的水平。放大后的激光通过一面99：1的分光镜B2后，99%的透射激光被耦合输出，剩余1%的能量被反射。反射的激光通过一面凸面镜B3聚焦在一块BBO晶体B4上，通过调节放置在展宽光路中的两个直角镜组件（A2和A3）间的相对距离使两路激光脉冲在到达BBO晶体的时间上重合，即可产生倍频光（波长为515nm）。最初倍频光是发散的，需要通过透镜B5将其变为平行光。倍频光再和展宽的脉冲光在45度放置的分光镜B6上合束，然后经过滤光片F，过滤掉515nm以外的背景光，最后被光电探测器所接受。此时，光电探测器会将光信号转化成电信号，其中就包含了所需要的拍频信号。利用锁相环电路对该拍频信号的频率经行锁定即可实现对激光脉冲载波包络相位的锁定。

方案中对激光放大系统中放大器的种类和个数并没有特别限定，本实施例中所采用的激光放大系统是多级光纤放大系统，主要包括一个由单模掺镱光纤放大器组成的预放大系统和由一个大模场面积双包层掺镱光纤放大器组成的主放大系统。具体结构如附图3所示：C和D分别代表了预放大和主放大系统。C1为一台半导体激光泵浦源，最大输出功率为600mW；C2为980nm/1030nm波分复用器；C3为一段长1.5m的掺镱光纤；C4为准直器，可将光纤中的激光平行耦合输出到空间；C5为一面金镜；C6为半波片，可以改变激光的偏振；C7为一个空间隔离器，使激光单向传播，防止沿原路返回的激光损坏光纤放大器；D1为一面金镜；D2和D4为两面焦距为100cm的凸面镜，分别用于将激光耦合进（出）光纤；D3为一段长度为3m的大模场面积双包层掺镱光纤，用作主放大器的增益介质；D5为双色镜，增透980nm的光，反射1030nm的光,用作主放大器的泵浦耦合与放大信号光输出；D6为高功率半导体泵浦源，最高输出功率为500W。

预放大器可将10mW的脉冲激光放大至150mW。预放大后的脉冲经过一个由高功率半导体泵浦源D6通过双色镜D5反向泵浦的主放大器后，输出功率可达数十瓦，若继续增加泵浦功率可获得更高功率。

由此，整个方案不仅可以实现高功率的飞秒激光脉冲输出，同时还可以对高功率激光脉冲的载波包络相位进行测量，锁定和控制。

本系统的最大特点和优点就在于它将自参考测量技术和激光放大技术结合，在使用f-2f干涉结构测量载波相移量的同时，将其中的一路用于倍频的激光进行放大。这种做法不同与以往先放大再使用自参考测量技术，它的信噪比更高（40dB以上），而且信噪比不会随着放大功率的增加和脉冲宽度的展宽而变差。使用本文所述方案，可以获得载波包络相位频移量稳定在2mHz以内，稳定时间长达数小时，平均功率高达近百瓦的高能激光脉冲。

Claims (3)

1.一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法，利用自参考测量方法的双光路干涉技术获得拍频信号，所述拍频信号经由锁相电路反馈控制激光器，其特征在于该方法在双光路干涉技术中的用于产生倍频光的一路激光光路中设置激光放大系统，将用于倍频的激光进行高功率放大。

2.根据权利要求1所述的一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法，其特征在于该方法实施步骤如下：

1)      将一台激光器的输出光分成两路，一路用于产生倍频光，另一路用于光谱展宽，经由一段非线性光学介质产生超连续谱激光； 

2)      在用于产生倍频光的一路激光光路中设置激光放大系统，进行激光脉冲放大；

3)      将步骤2）中放大后的一路激光经由分光镜，使透射的激光脉冲直接输出，反射的激光脉冲通过倍频晶体，产生倍频光；

4)      将步骤1）产生的超连续谱激光，与步骤3）产生的倍频光在光电探测器上重合，产生拍频信号；

5)      将所述拍频信号经由锁相电路反馈控制激光器的载波相位。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率激光脉冲载波包络相位锁定的方法，其特征在于所述激光放大系统为多级光纤放大系统，包括预放大部分和主放大部分，所述预放大部分采用半导体激光器泵浦的单模掺镱光纤放大器，所述主放大部分采用高功率半导体激光器泵浦的大模场掺镱双包层光子晶体光纤放大器。

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