CN102751655B - 提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置，该装置包括激光振荡器、信号发生器、选单控制器、泵浦激光器和激光放大器，该装置还包括与信号发生器、泵浦激光器和激光放大器连接的反馈控制器，用于实时监测激光放大器的脉冲能量，输出反馈信号来调节激光放大器激光腔的起振时刻相对于泵浦激光脉冲的延时。本发明无需改动放大器系统内的任何光路，只需用电路控制延时即可实现对放大激光脉冲能量的控制，实现起来简单易行且性能可靠。

Description

提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及超强超快激光的控制装置及其方法，特别是涉及一种提高超快激光放大器的脉冲能量稳定性的装置及其控制方法。

背景技术

超快激光放大器输出的脉冲能量的稳定性是影响物理实验结果的重要因素之一，采用啁啾脉冲放大技术的超快放大器所输出的脉冲能量会受到泵浦激光、种子激光、放大腔等诸多因素的影响。目前的泵浦激光多采用商业化的全固态千赫兹激光源，其短期和长期脉冲能量稳定性都得到了较高的保证。但受实验室温度变化、机械形变等因素影响，即使激光振荡器输出的种子激光的能量和方向保持不变，种子激光的注入光路特别是激光放大腔仍会发生形变而使得放大后的激光脉冲能量发生改变。即便是商业化的超快激光放大器，其工作4小时内的脉冲能量（或者说平均功率）抖动可能会超过2%，而工作8小时内的脉冲能量抖动则可能会超过5%。对于较为精密的物理实验，在实验进行过程中，激光脉冲能量抖动须控制在1%以下，因此对放大后激光脉冲能量的主动控制是非常必要的。

改变种子激光的能量或者注入方向、调节激光放大器的腔镜、改变泵浦激光的能量均可以起到控制放大激光脉冲能量的作用。不过若要改变种子激光的脉冲能量，需要在种子激光注入放大器之前插入某些光学元件，这势必会增加色散；若改变种子激光的注入方向，则可能会影响放大激光脉冲的光谱特性，这两者都会影响到放大激光脉冲的脉宽。而调整激光放大器的腔镜则可能会使得放大脉冲激光束的指向发生改变。放大激光脉冲的能量与泵浦激光脉冲能量的线性关系较为明显，因此从理论上来说，调制泵浦激光脉冲的能量是控制放大激光脉冲能量的一个非常可行的方案，然而常用的商业化泵浦光源如Empower（美国理波公司制造）、Evolution（美国相干公司制造）等并不接受外控命令控制其脉冲能量，即使由其自带的软件控制，泵浦能量改变的幅度也不够精细，因此用简单的命令控制方式并不能起到精密控制放大器脉冲能量的作用。控制泵浦激光脉冲能量的另一个方案是在泵浦光路中插入类似于声光晶体的光学调制元件，它受控制可对泵浦激光脉冲的能量进行快速的微调，但由于泵浦激光的脉冲能量和平均功率一般都很高（能量大于10mJ，平均功率大于10W），传输经过调制晶体的激光束的功率密度也很高，所用的调制元件必须有相当高的破坏阈值，并必须做好散热冷却处理工作，因此此方案实行起来并非易事，结构复杂且成本较高。

发明内容

为改善以上现有技术的不足，本发明提出一种提高超快激光放大器的脉冲能量稳定性的装置及其控制方法。即通过实时监测超快激光放大器的脉冲能量，输出反馈信号，调节放大器激光腔的起振时刻相对于泵浦激光脉冲的延时来提高放大激光脉冲能量稳定性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置，该装置包括激光振荡器、信号发生器、选单控制器、泵浦激光器和激光放大器，该装置还包括与信号发生器、泵浦激光器和激光放大器连接的反馈控制器，用于实时监测激光放大器的脉冲能量，输出反馈信号来调节激光放大器激光腔的起振时刻相对于泵浦激光脉冲的延时。

进一步，所述反馈控制器包括光学反射镜、光学透镜和互相连接的第二光电探测器、A/D转换电路、控制器和可编程延时器，所述可编程延时器分别与所述信号发生器和泵浦激光器连接，所述光学反射镜接收来自激光放大器输出的激光，该激光经过光学透镜后注入所述第二光电探测器。

进一步，所述的一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置，其特征在于，所述信号发生器包括相互连接的第一光电探测器和分频器。

进一步，所述选单控制器包括相互连接的可调延时器和高压模块。

一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的方法，该方法包括：

第一步，激光振荡器产生的飞秒激光由展宽器展宽成啁啾脉冲后注入激光放大器腔内，从振荡器腔中漏出的一部分激光由第一光电探测器接收并转化为电脉冲序列，形成一个稳定的时钟频率信号源；

第二步，分频器将第一光电探测器的输出信号进行分频，输出适用于泵浦激光器运转重复频率的触发信号，将该信号分为两路，一路输入反馈控制器中的可编程延时器，作为其工作触发信号；一路输入选单控制器中的可调延时器，作为其工作触发信号；

第三步，泵浦激光器工作在外触发模式下，触发信号由反馈控制器中的可编程延时器产生，放大激光的选单和倒空由选单控制器控制激光放大器腔内的选单器完成，将可编程延时器的延时调到最小，调节选单控制器中的可调延时器，寻找最佳延时，使激光放大器输出脉冲能量达到最高值；

第四步，增大可编程延时器的延时，使得激光放大器的输出能量较最高值降低5%～10%，此刻的能量值作为预设值；

第五步，光学反射镜收集到激光放大器的输出激光经反射镜漏出的非常微弱的一部分激光，通过光学透镜后注入第二光电探测器，第二光电探测器即可输出放大激光脉冲的能量信号，A/D转换电路采集第二光电探测器的输出信号，控制器处理A/D转化后的脉冲能量信息后发出指令控制可编程延时器的延时量，控制器中计算比较由A/D转换电路获得的脉冲能量信息，对可编程延时器进行伺服控制，将激光放大器的输出能量恒定在预设值。

本发明的优点在于：

在某个延时范围内，延时的大小与放大器输出激光脉冲的能量大小呈线性关系，只需用电路控制延时即可实现对放大激光脉冲能量的控制，无需改动放大器系统内的任何光路，实现起来简单易行且性能可靠。

附图说明

图1为工作在外触发模式下的超快激光放大装置的时序控制原理框图；

图2为本发明用于实现对超快激光放大器输出脉冲能量控制的装置原理框图。

具体实施方式

如图1所示为工作在外触发模式下的超快激光放大装置的时序控制装置原理框图，该装置主要包括信号发生器和选单控制器，信号发生器由第一光电探测器和分频器组成，选单控制器由可调延时器和高压模块组成。

所述信号发生器包括第一光电探测器、分频器，其中第一光电探测器通过探测作为种子激光的激光振荡器中的光信号，输出种子激光的脉冲重复频率信号。分频器将第一光电探测器的输出信号进行分频，输出适用于泵浦激光器运转重复频率的触发信号，该信号一方面输入泵浦激光器作为其工作触发信号，一方面输入选单控制器作为其工作触发信号。

所述选单控制器为激光放大器中的选单器提供激光脉冲的选单、倒空控制信号，选单控制器包括高压模块、可调延时器。其中可调延时器通过对第一光电探测器的输出脉冲进行计数来实现延时，该延时器由一个粗调延时器和一个微调延时器组成，粗调延时器可实现1μs～10μs的延时功能，分辨率达到12ns~13ns之间（具体数值依赖于激光振荡器的重复频率），微调延时器可实现100ns的延时功能，分辨率达到0.25ns。高压模块向激光放大腔中的选单器加载可调的高压信号，使选单器实现改变激光偏振方向的功能。

激光振荡器输出80MHz左右的飞秒锁模脉冲序列，从振荡器腔中漏出的一部分激光由第一光电探测器接收并转化为电脉冲序列，从而形成一个稳定的时钟频率信号源。激光振荡器产生的飞秒激光由展宽器展宽成啁啾脉冲后注入激光放大器腔内。放大激光的选单和倒空由选单控制器控制激光放大器腔内的选单器完成。泵浦激光器为LD泵浦的1kHz调Q脉冲激光器，在外触发模式下工作，触发信号由分频器产生。分频器将第一光电探测器输出的80MHz左右信号分频为1kHz信号，该信号一路同步触发泵浦激光器的调Q开关，一路输入选单控制器中的可调延时器。该信号经过可调延时器中的粗调延时器后产生3μs左右的延时，输入到选单控制器中的高压模块，驱动激光放大腔中的选单器工作，实现放大腔内激光的放大，进一步调节可调延时器中的微调延时器，寻找最佳延时，使得激光放大器输出脉冲能量达到最高值。

为实现脉冲能量的稳定控制，在时序控制装置中加入反馈控制器，如图2所示，反馈控制器包括光学反射镜、光学透镜、第二光电探测器、A/D转换电路、控制器、可编程延时器。光学反射镜收集到激光放大器的输出激光经反射镜漏出的非常微弱的一部分激光，通过光学透镜后注入第二光电探测器，第二光电探测器即可输出放大激光脉冲的能量信号，A/D转换电路采集第二光电探测器的输出信号，控制器处理A/D转化后的数字信息后发出指令控制可编程延时器的延时量，分频器输出的信号经过可编程延时器延时后，同步触发泵浦激光器的调Q开关。可编程延时器的延时分辨率为1ns，最大延时量大于500ns。先将可编程延时器的延时量设置为最小值，若激光放大器输出能量较最高值有所减少，将可调延时器的延时数值进行适当调节，直至激光放大器输出能量恢复到最高值；然后增大可编程延时器的延时，使得激光放大器的输出能量降低5%～10%（具体数值视放大器的稳定状况而定），此刻的能量值作为预设值，控制器中的软件计算比较由A/D转换电路获得的脉冲能量信息，对可编程延时器进行伺服控制，从而将激光放大器的输出能量恒定在此预设数值。在激光放大装置正常运转的情况下，通过反馈控制器的工作，24小时内激光放大器的输出能量抖动可稳定在1%以内。若对激光放大器输出的能量大小有较严格要求，可以事先提高泵浦激光能量将激光放大器的输出能量提高5%～10%，然后再重复以上步骤即可。

本发明还提出一种提高超快激光放大器的脉冲能量稳定性的控制方法，该方法包括如下步骤：

1.激光振荡器产生的飞秒激光由展宽器展宽成啁啾脉冲后注入激光放大器腔内。从振荡器腔中漏出的一部分激光由第一光电探测器接收并转化为电脉冲序列，形成一个稳定的时钟频率信号源。

2.分频器将第一光电探测器的输出信号进行分频，输出适用于泵浦激光器运转重复频率的触发信号。将该信号分为两路，一路输入反馈控制器中的可编程延时器，作为其工作触发信号；一路输入选单控制器中的可调延时器，作为其工作触发信号。

3.泵浦激光器工作在外触发模式下，反馈控制器中的可编程延时器产生泵浦激光器的触发信号，选单控制器控制激光放大器腔内的选单器进行对激光放大器的选单和倒空，此时将可编程延时器的延时调到最小，调节选单控制器中的可调延时器，寻找最佳延时，使激光放大器输出脉冲能量达到最高值。

4.增大可编程延时器的延时，使得激光放大器的输出能量较最高值降低5%～10%（具体数值视放大器的稳定状况而定），并将此刻的能量值作为预设值。

5.光学反射镜收集到激光放大器的输出激光经反射镜漏出的非常微弱的一部分激光，通过光学透镜后注入第二光电探测器，第二光电探测器即可输出放大激光脉冲的能量信号，A/D转换电路采集第二光电探测器的输出信号，控制器处理A/D转化后的脉冲能量信息后发出指令控制可编程延时器的延时量。控制器中的软件计算比较由A/D转换电路获得的脉冲能量信息，对可编程延时器进行伺服控制，将激光放大器的输出能量恒定在预设值。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置，该装置包括激光振荡器、信号发生器、选单控制器、泵浦激光器和激光放大器，其特征在于，该装置还包括与信号发生器、泵浦激光器和激光放大器连接的反馈控制器，用于实时监测激光放大器的脉冲能量，输出反馈信号来调节激光放大器激光腔的起振时刻相对于泵浦激光脉冲的延时；

所述反馈控制器包括光学反射镜、光学透镜和互相连接的第二光电探测器、A/D转换电路、控制器和可编程延时器，所述可编程延时器分别与所述信号发生器和泵浦激光器连接，所述光学反射镜接收来自激光放大器输出的激光，该激光经过光学透镜后注入所述第二光电探测器。

2.根据权利要求1所述的一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置，其特征在于，所述信号发生器包括相互连接的第一光电探测器和分频器。

3.根据权利要求2所述的一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的装置，其特征在于，所述选单控制器包括相互连接的可调延时器和高压模块。

4.一种提高超快激光放大器脉冲能量稳定性的方法，其特征在于，该方法包括：

第一步，激光振荡器产生的飞秒激光由展宽器展宽成啁啾脉冲后注入激光放大器腔内，从振荡器腔中漏出的一部分激光由第一光电探测器接收并转化为电脉冲序列，形成一个稳定的时钟频率信号源；

第二步，分频器将第一光电探测器的输出信号进行分频，输出适用于泵浦激光器运转重复频率的触发信号，将该信号分为两路，一路输入反馈控制器中的可编程延时器，作为其工作触发信号；一路输入选单控制器中的可调延时器，作为其工作触发信号；

第三步，泵浦激光器工作在外触发模式下，触发信号由反馈控制器中的可编程延时器产生，放大激光的选单和倒空由选单控制器控制激光放大器腔内的选单器完成，将可编程延时器的延时调到最小，调节选单控制器中的可调延时器，寻找最佳延时，使激光放大器输出脉冲能量达到最高值；

第四步，增大可编程延时器的延时，使得激光放大器的输出能量较最高值降低5%～10%，此刻的能量值作为预设值；

第五步，光学反射镜收集到激光放大器的输出激光经反射镜漏出的非常微弱的一部分激光，通过光学透镜后注入第二光电探测器，第二光电探测器即可输出放大激光脉冲的能量信号，A/D转换电路采集第二光电探测器的输出信号，控制器处理A/D转化后的脉冲能量信息后发出指令控制可编程延时器的延时量，控制器中计算比较由A/D转换电路获得的脉冲能量信息，对可编程延时器进行伺服控制，将激光放大器的输出能量恒定在预设值。