CN103500913B - 脉冲光纤激光器及激光脉冲生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲光纤激光器以及激光脉冲生成方法。其中，脉冲光纤激光器包括：第一激光振荡源，用于发射具有第一波长的第一激光脉冲；第二激光振荡源，用于发射具有与第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲；第一光调制器，用于将第一激光脉冲调制成第一调制脉冲；第二光调制器，用于将第二激光脉冲调制成第二调制脉冲；上述两种脉冲结构上互补，合束器，用于将第一调制脉冲和第二条调制脉冲合成形成合成脉冲。采用本发明的脉冲光纤激光器以及激光脉冲生成方法，可获得大功率、高重复频率的激光脉冲结构或脉冲串。

Description

脉冲光纤激光器及激光脉冲生成方法

技术领域

本发明涉及一种光脉冲技术，特别是一种脉冲光纤激光器以及激光脉冲生成方法。

背景技术

未来新一代的先进加速器光源需要高平均功率电子源和高质量的电子束团，以获得较高的平均亮度。目前高质量的电子束团需要利用光阴极技术来产生，每个激光脉冲产生一个电子束团。因而光阴极驱动激光系统决定着产生的电子束团的时间结构和电子束质量。高平均功率的光阴极，需要使用高平均功率的高重复频率连续运行的激光系统。

加速器系统在调试时，束流诊断系统不能耐受很大的功率。调试过程中电子束团运转轨道没有处在优化状态，高能量电子束团容易散失到真空管道上，撞击管壁导致产生大量的额外辐射剂量，即使电子正常运行，通常的束流诊断大都需要介入式探测，连续大功率束流撞击监测靶，会产生大量辐射，所以通常需要运行在宏脉冲(含有多个脉冲的脉冲串)工作模式。

当机器启动运行时，为保证整个系统的良好运转，最好的方案是保持单个脉冲电荷量不变,脉冲的重复频率逐渐提高，从而逐步提高机器运行的平均流强。虽然保持脉冲重复频率不变，逐步提高每个束团的电荷，也可以逐步提高流强，但是束团的电荷量不同，沿着真空管道敷设的束流光学系统的各个部件的指标都要调整，这是很困难的事情。

电子的束团的上述运行方式都是靠调整光阴极驱动激光来实现的，激光的通断决定着电子束团的有无。目前的宏脉冲工作模式目前基本上都是用大功率的电光开关或声光开关来截取一段激光脉冲形成脉冲串结构，或通过间隔选取激光脉冲来改变脉冲重复频率。而高重复频率的渐增的模式目前还没有方法来实现。

高平均功率的光阴极，使用高平均功率的高重复频率(GHz)连续运行的皮秒脉冲激光系统。由于需要激光系统具有良好的性能，一般采用主振荡器加功率放大的激光结构，振荡源提供所需要的脉冲结构，后续的功率放大器提升激光脉冲功率。通常的激光功率放大器为多级放大器结构,以避免噪声。如目前使用的光纤放大器，需要把激光振荡源毫瓦级脉冲放大到百瓦,通常需要三级放大器，以保证每一级放大控制在几十倍之内。

目前的光调制模式基本上是在激光系统放大器之后功率最大的地方进行用电光调制器进行开关，获得需要的脉冲串。根据Cornell大学的经验，大功率的电光晶体，由于电压很高，开关速度不是很快(5ns)，对于高平均功率的高重复频率如GHz的脉冲，由于开光速度低，形成的脉冲串在脉冲的前端和后端电荷量逐渐变化的情况(如图1所示)，图1是一个典型激光系统示意图。图1中，1为激光振荡源，产生的脉冲串1a，2为激光放大器，2a为经放大器放大后的脉冲串，3为射频信号控制的大功率光调制器，3a为希望获得的脉冲串，而3a1为实际产生激光脉冲串。大功率光调制器开关速度低，无法形成的很窄的脉冲(串)结构或高重复频率的单脉冲序列。另外这些电光开关耐受功率也不是很大(50W)，调制开关的占空比也做得很有限(5％)，所以高重复频率下的重复频率渐增的模式目前还无法实现。

光纤耦合小功率集成声光电光调制器，比大功率大体积的调制器需要的电压低，调制速度快，这在光通信的信号调制中已经普遍使用。但是这种调制器耐受功率很小，只能放在激光放大器的最前面，脉冲串经过放大器会出现的一些问题。经过放大环节，如果放大器使用连续稳定的泵浦源激励激光放大器，在输入信号关断时会激发并放大自发辐射信号或电光晶体没完全关断而泄露很小的光脉冲信号，这些光脉冲信号经过放大器，小信号比大信号的增益高，也就是，消光比会随着信号的放大器增益不同而降低这将使得放大的脉冲串信号的消光比严重下降。所以从获得高消光比考虑，一般都倾向于把电光开关放在最后一级放大器最后面。当然在脉冲串不很窄(毫秒级)，有人用同步开关放大器泵浦源的办法，使得放大器在没有输入信号时失去激励源来避免产生噪声，但是泵源工作于开关状态，输入信号和泵源的同步延迟时间，输入信号的宽度都跟信号的增益相关，参数确定比较困难，而且脉冲放大后的前后部分也增益也会有差别，造成脉冲串中的脉冲能量大小不一，实验也是针对一级放大器进行。对一般的大功率激光系统都含有几级放大器，调整脉冲宽度就要同时调整优化几个放大器参数非常困难。图2中，1为激光振荡源，发出的脉冲串1a，2为射频控制的光调制器，2a为希望获得的脉冲结构，3为多级的光放大器，3a为放大后的激光脉冲。由于有输入光脉冲的功率变化，使得增益发生改变。高功率脉冲串会因为反转粒子数减少，后续脉冲增益减小，造成脉冲能量变化。而放大器前面光调制器关断的泄漏脉冲，由于能量极低获得了较高的增益，消光比变低。而3a1为通过关断放大器泵源获得的脉冲串(只能针对微秒、毫秒量级串使用，纳秒皮秒无法使用)，虽然能够避免泄漏脉冲，但是很难在各种输入状态下获得均匀大小的光脉冲。在脉冲频率渐增方式中，虽然连续输入高密度的信号，自发辐射噪声问题较小，但是随着脉冲密度调整变化，对单个脉冲的增益也会发生变化，也就是放大后的脉冲功率会发生改变，需要同时优化几个放大器的泵源功率，匹配几级放大器的泵源输入，每一次优化将耗时费力，频繁调整几乎没有可行性。使用光调制器调整脉冲密度，对于稳定的放大器泵浦功率，由于小信号增益相对高,大信号获得的增益较低,开通和关断的残余脉冲在经过放大器后，输出信号消光比也会降低。综上所述，如果需要频繁调整输入的脉冲结构，就需要寻找一种有效的方法来解决激光系统中的对于信号放大过程中增益不稳定引发的放大信号不可控的这一问题。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种脉冲光纤激光器以及激光脉冲生成方法。按照本发明的脉冲激光器的工作模式改进的激光系统，可以解决目前应用中存在的上述问题，系统运行时激光放大器的工作状态不随着需要的脉冲结构的变化而变化，从而使得激光系统中多个激光放大器工作在稳定状态，避免频繁调整优化参数，通过功率放大，获得需要的各种时间结构的大功率高重复频率的光脉冲串。光纤调制器能够对高达10GHz重复频率的光脉冲光信号进行开关，但使用光纤调制器把对信号的开关放到了放大器的前面，带来的问题就是调制器关掉时，放大器泵源注入激发的粒子，会放大自发噪声或者关断时泄露的微弱信号，放大后也无法消除。这是因为放大器一直处在激励状态，弱小的信号获得了高的增益，波长正好混杂在有用信号中，无法分离。

要解决这个问题，本发明核心的方法就是把光纤调制器输入信号关断的部分，填充上另外一种波长的激光。这样这部分填充的信号，吸收了同样泵源功率，同样被放大。由于目前大功率激光常用的掺镱光纤有很宽的增益区，很容易找到激光的波长增益基本一致的两个波长。在后面的几级放大器放大过程中，由于脉冲的填充，所有放大器的工作参数都可以保持不变，免去了很难实现的放大器参数调整，也能使得整个放大系统稳定工作，保证激光系统的性能。

选择有用信号和填充信号使用不一样的激光波长，以便放大后很容易用光栅或薄膜滤光片分开，选出有用的激光脉冲。目前使用光栅和薄膜滤光片作为滤波器的波长分离的方法也能够得到较高的消光比。

由于用射频信号控制光纤调制器能够达到10GHz，所以可以达到很高的调制速度。用射频源输出控制一路光调制器产生的有用光脉冲信号，同时用射频输出的反相信号控制另一路光调制器产生填补信号，然后使用光学合束器把两路波长不同的信号耦合到一起。

根据本发明的第一方面，一种脉冲光纤激光器，包括：

第一激光振荡源，用于发射具有第一波长的第一激光脉冲；

第二激光振荡源，用于发射具有与所述第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲；

第一光调制器，用于将所述第一激光脉冲调制成第一调制脉冲；

第二光调制器，用于将所述第二激光脉冲调制成第二调制脉冲；

所述第一光调制器和所述第二光调制器均包括光纤集成的电光或声光调制器；

合束器，用于将所述第一调制脉冲和所述第二条调制脉冲合成形成合成脉冲。

根据本发明的另一方面，一种激光脉冲生成方法，包括：

发射具有第一波长的第一激光脉冲；

发射具有与所述第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲；

将所述第一激光脉冲调制成第一调制脉冲；

将所述第二激光脉冲调制成第二调制脉冲；

所述第一调制脉冲和所述第二调制脉冲均由光纤集成的电光或声光调制器调制形成；

将所述第一调制脉冲和所述第二条调制脉冲合成形成合成脉冲。

采用本发明的脉冲光纤激光器以及激光脉冲生成方法，可获得大功率、高重复频率的激光脉冲结构或脉冲串。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为一种现有技术的激光器产生的脉冲串的示意图；

图2为另一种现有技术的激光器产生的脉冲串的示意图；

图3为本发明的脉冲光纤激光器的一种实施方式的结构图；

图4为本发明的激光脉冲生成方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见图3所示，为本发明的脉冲光纤激光器的一种实施方式的结构图。

在本实施方式中，脉冲光纤激光器包括第一激光振荡源1、第二激光振荡源2、第一光调制器3、第二光调制器4和合束器5。

其中，第一激光振荡源1用于发射具有第一波长的第一激光脉冲1a；第二激光振荡源2用于发射具有与第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲1b。第一光调制器3用于将第一激光脉冲调制成第一调制脉冲3a；第二光调制器4用于将第二激光脉冲调制成第二调制脉冲3b。第一调制脉冲3a与第二调制脉冲3b在时间上具有互补结构。合束器5用于将第一调制脉冲和第二调制脉冲合成形成合成脉冲5c。

在一种实施方式中，控制第一光调制器3和第二光调制器4的射频信号(REF1与REF2)相位相反，这样通过两个光调制器的激光脉冲在时间上形成互补结构，或者说使得激光分时通过第一光调制形成激光脉冲3a和通过第二调制脉冲形成脉冲结构3b。通过合束器5把3a和3b的脉冲合成后，形成的脉冲5c除了波长差异外，在脉冲结构上与第一激光脉冲1a或第二激光脉冲1b的相同，也即是说，5c脉冲串的脉冲频率与第一激光脉冲1a、第二激光脉冲1b的脉冲频率相同。

进一步地，脉冲光纤光器还可以包括放大器模块6和分离器7。

放大器模块6可以包含多个级联的激光放大器，用于放大合成脉冲5c，达到要求的脉冲能量，形成功率放大后的脉冲6c。分离器7用于将经放大器放大后的合成脉冲6c分离为具有第一波长的第一分离脉冲7a和具有第二波长的第二分离脉冲7b。

由于在有用的第一激光脉冲3a结构中填充了脉冲3b，使得合成后的激光脉冲结构(5c)和其原始的激光脉冲(1a)结构相同,只是脉冲结构中含有两种不同波长的脉冲，这样的脉冲结构进入多级放大器，只要这两种波长都处在放大器增益介质的一致的增益区域内，放大系统的粒子跃迁增益放大都不会发生任何的改变，从而激光系统中多个激光放大器工作在稳定状态，获得稳定的放大的激光脉冲6c。也就是说，放大系统最终对任何输入的激光脉冲包括对有用的脉冲信号(3a)保持稳定不变地放大。

在一种实施方式中，第一激光振荡源1和第二激光振荡源2发出的激光脉冲波长可以分别为1030nm和1040nm，带宽可以限制在小于3nm，例如，1nm，这样两个波长相距较远，可以很容易分离。

在一种实施方式中，第一光调制器3和第二光调制器4均可包括光纤集成的电光或声光调制器。合束器5可以是光纤耦合器或光纤光栅、反射透射光栅等其他元器件构成的光学耦合器件，分离器7可以包括平面光栅、体光栅或薄膜滤光片，从而将波长不同的两种脉冲分离开来。

参见图4所示，为本发明的激光脉冲生成方法的一种实施方式的流程图。

在本实施方式中，激光脉冲生成方法包括：

S10：发射具有第一波长的第一激光脉冲1a；

S20：发射具有与第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲1b；S30：将第一激光脉冲调制成第一调制脉冲3a；

S40：将第二激光脉冲调制成第二调制脉冲3b；

S50：将第一调制脉冲和第二条调制脉冲合成形成合成脉冲5c。

进一步地，激光脉冲生成方法还可以包括：

S60：放大合成脉冲成为放大后的脉冲6c；

以及，

S70：将经放大器放大后的合成脉冲6c分离为具有第一波长的第一分离脉冲7a和具有第二波长的第二分离脉冲7b。

作为一种优选方案，步骤S60可以具体包括：将合成脉冲5a经过多个级联的放大器进行放大，形成放大的脉冲6a。

采用本发明的脉冲光纤激光器以及激光脉冲生成方法，可获得功率大、一致性好的高重复频率的激光脉冲结构或脉冲串。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。光调制器是由射频信号进行控制的，可以使用一个射频信号发生器产生希望的调制波形，同时产生另一路反相波形，并进行相位延迟，这对于射频信号的产生是容易的，本领域的技术人员能够比较容易理解并实行。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。激光系统中激光振荡源1可以是重复频率吉赫兹的振荡源，输出重复频率为几千兆赫兹的皮秒和飞秒激光脉冲，光调制器M使用光纤集成电光调制器；也可以选用兆赫兹激光振荡源，输出重复频率为兆赫兹的皮秒和飞秒激光脉冲，光调制器M使用光纤集成的电光或声光调制器。20激光振荡源2用来产生辅助脉冲，也可以是跟振荡源1为同一个宽谱振荡源中选取不同谱线区间，也可以是跟1相同的振荡源，也可以是连续输出的普通的激光器，只需要调整使用可以分离的不同的激光波长即可。如果不同的激光波长在放大器中有增益差异，可以优化调整两种波长对应的输入功率进行匹配。

Claims (9)

1.一种脉冲光纤激光器，其特征在于，包括：

第一激光振荡源，用于发射具有第一波长的第一激光脉冲；

第二激光振荡源，用于发射具有与所述第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲；

第一光调制器，用于将所述第一激光脉冲调制成第一调制脉冲；

第二光调制器，用于将所述第二激光脉冲调制成第二调制脉冲；

所述第一调制脉冲与所述第二调制脉冲在时间上具有互补结构；

所述第一光调制器和所述第二光调制器均包括光纤集成的电光或声光调制器；

合束器，用于将所述第一调制脉冲和所述第二调制脉冲合成形成合成脉冲。

2.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括：

放大器模块，用于放大所述合成脉冲；

以及，

分离器，用于将经放大器放大后的合成脉冲分离为具有第一波长的第一分离脉冲和具有第二波长的第二分离脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：

所述第一光调制器和所述第二光调制器上施加的射频调制电压相位相反。

4.根据权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：所述放大器模块包括多个级联的放大器。

5.根据权利要求1或2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：

所述合束器包括光纤耦合器，或者由光纤光栅或反射透射光栅构成的光学耦合器件。

6.根据权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：所述分离器包括光栅或薄膜滤光片。

7.一种激光脉冲生成方法，其特征在于，包括：

发射具有第一波长的第一激光脉冲；

发射具有与所述第一波长不同的第二波长的第二激光脉冲；

将所述第一激光脉冲调制成第一调制脉冲；

将所述第二激光脉冲调制成第二调制脉冲，所述第一调制脉冲与所述第二调制脉冲在时间上具有互补结构；

所述第一调制脉冲和所述第二调制脉冲均由光纤集成的电光或声光调制器调制形成；

将所述第一调制脉冲和所述第二调制脉冲合成形成合成脉冲。

8.根据权利要求7所述的激光脉冲生成方法，其特征在于，还包括：

放大所述合成脉冲；

以及，

将经放大器放大后的合成脉冲分离为具有第一波长的第一分离脉冲和具有第二波长的第二分离脉冲。

9.根据权利要求8所述的激光脉冲生成方法，其特征在于，所述“放大所述合成脉冲”具体包括：

将所述合成脉冲经过多个级联的放大器进行放大。