CN103682973B - 光纤和空间混合的再生激光放大器 - Google Patents

Abstract

一种光纤-空间混合再生放大器，由脉冲光源、能量注入单元、再生放大器单元、相位控制单元和同步控制单元构成，其特点是采用光纤作为放大器增益介质，可以很好地解决体材料热效应带来的重复频率无法提高的问题。并在再生腔内加入体相位调制器，能够在对光脉冲进行放大的同时对其光谱进行调制与展宽，提高光纤的非线性阈值以达到提升输出能量的效果。由于光纤的可盘绕性，可以实现再生放大器的小型化。本发明兼有高增益高稳定再生放大器和多程相位调制器的功能。

Description

光纤和空间混合的再生激光放大器

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种光纤和空间混合的再生激光放大器。

背景技术

在高功率激光研究领域都需要使用到脉冲激光，并且要求对脉冲激光的时间波形、脉冲宽度以及光谱特性进行控制，MOPA结构很好的解决了这一问题，它将主振荡器和功率放大器分开，其中主振荡器实现对激光脉冲时间及光谱特性的控制，功率放大器完成对激光脉冲功率及能量的放大。

高功率激光放大器常采用多级放大的形式。随着激光脉冲在放大介质中的不断放大，注入种子激光自身引入的波动对放大器的输出能量稳定性下降。再生放大器是一种单介质多程放大器，利用谐振腔的手段使激光脉冲在激光腔内多次放大，利用光开光决定激光脉冲的输入输出。通过这种方式可以使放大介质工作在饱和状态，放大器的输出能量收到放大介质上能级储能限制而稳定性得到提升。

体材料的放大介质由于受到热效应的限制，放大器在工作时必须要严格制冷并且无法工作在高重频状态下。使用光纤作为增益介质能够很好的解决这个问题，由于光纤的散热面积大，使得光纤的散热良好，能够很好地实现高重频的放大并不需要严格制冷。另外，利用光纤的可弯曲和盘绕性能，可以大大缩短谐振腔的空间光部分，从而实现再生放大器的小型化。不过由于光纤元件损伤阈值的限制，光路中除增益光纤之外的其他元件采用体材料的方式。

但是，由于光纤放大器的输出能力受到非线性效应的限制。光纤的横截面积小并且作用距离长，使得光纤能很容易产生非线性效应，特别是受激拉曼散射和受激布里渊散射。当光纤内部传输的光功率到达一定阈值的时候就会产生上述两种非线性效应，使激光能量大量的转化为斯托克斯光而损耗。可以通过在腔内加入体相位调制器对激光脉冲的光谱进行一定的展宽，这样可以降低每个频谱分量上的功率密度，提高非线性效应阈值，提高放大器的输出能量。同时，在放大器谐振腔内加入体相位调制器，相当于一种多程相位调制，每一程激光经过增益介质放大之后，都可以对其光谱进行进一步的展宽，可以提升对激光脉冲频谱的调制效果。另外，采用光纤作为增益介质，具有很宽的增益带宽，对激光进行相位调制后放大时不会产生严重的FM-AM(幅频)调制。

发明内容

本发明要解决的是提供一种光纤和空间混合的再生激光放大器，该放大器能够实现高重频、高稳定的高能量输出并不需要严格制冷，光束质量优良并且容易实现小型化。

本发明的技术解决方案如下：

一种光纤-空间混合再生激光放大器，其特点在于由脉冲光源、能量注入单元、再生放大器单元、相位控制单元和同步控制单元构成：

所述的能量注入单元，沿脉冲光源发出的脉冲激光包括依次的偏振控制器、第一单向隔离器、第二单向隔离器、分束器、非球面透镜、第一薄膜偏振片、第一半波片、法拉第旋转器和第一全反射镜构成；

所述的再生放大器单元包括一个光学谐振腔和泵浦注入部分：由依次的第二薄膜偏振片、体相位调制器、电光开关、第二半波片、第三薄膜偏振片、带通滤波片、第三半波片、第一凸透镜、第一光纤头、增益光纤、第二光纤头、第二凸透镜、长波透射镜和第四半波片至所述的第二薄膜偏振片构成再生放大环形腔，所述的二薄膜偏振片为激光输入端口，所述的第三薄膜偏振片为激光输出端口，所述的泵浦注入部分包括：泵浦激光器发出激光经泵浦保护器、第三凸透镜、第二全反射镜反射至所述的长波透射镜进入再生放大环形腔进行泵浦，微波信号源发出端与所述的体相位调制器的控制端相连；

所述的相位控制单元和同步控制单元，其中相位控制单元由微波信号源与所述的体相位调制器构成，对激光脉冲进行光谱调制，所述的同步控制单元的输出端分别与所述的光源、体相位调制器和电光开关的控制端相连，同步控制激光脉冲的输入、输出以及相位调制器的开启时间。

所述的同步控制单元由一台皮秒精度的同步机构成。

所述的增益光纤为掺杂的保偏光纤或单偏光纤。

再生放大器单元的增益光纤使用发射谱与种子激光波长匹配的掺杂光纤，泵浦激光器采用波长与增益光纤吸收谱匹配的半导体激光器。为了实现偏振控制激光导入导出，掺杂光纤使用保偏或者单偏光纤。

再生放大器单元使用电光开关改变激光脉冲偏振，通过同步控制单元控制电光开关电压的开启和关闭实现激光的导入导出，通过控制电压开启的时间来控制激光脉冲在腔内放大的次数，保证再生放大器单元工作在饱和状态。再生放大器单元通过薄膜偏振片反射输出。

本发明的优点在于：

1、通过在再生腔内加入体相位调制器，相当于在腔内加入多程相位调制器，对每一程的激光脉冲进行光谱调制展宽，提高了光纤内的非线性阈值，使得输出能量更高。

2、采用了再生式的放大器结构，相比于多级放大器，这种结构能够使放大器工作在饱和区，输出能量稳定性得到提升，核心器件能够得到复用，结构简单。另外用电光开关控制激光输出，可以对ASE进行很好的抑制。

3、采用了光纤作为再生放大器的增益介质，相比于体材料的放大器，放大器能够工作在更高的重复频率，并能够保证输出能量稳定性和光束优良性。

4、由于光纤的可弯曲和盘绕性，所述的再生放大器能够实现小型化的应用。

附图说明

图1是本发明光纤-空间混合再生放大器结构框图

图2是本发明中能量注入单元结构示意图。

图3是本发明中再生放大器单元的结构示意图。

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。

先参阅图1，图1是本发明光纤空间混合再生放大器的总体结构框架图。由图可见，本发明由脉冲光源1、能量注入单元2、再生放大器单元3以及同步控制单元4组成。

能量注入单元2的结构示意图参见图2。。由图可见，由光源1发出的脉冲激光经过偏振控制器5、第一单向隔离器6、第二单向隔离器7、9:1分束器8、非球面透镜10、薄膜偏振片11、半波片12、法拉第旋转器13后，经由全反射镜14进入再生放大器单元。其中偏振控制器5可以调整光源1输出的激光脉冲的偏振态，单向隔离器6、7可以隔离反向的激光脉冲防止其进入光源1，9:1分束器8将激光按照9:1的比例分束，90％的部分经过非球面透镜10耦合成为空间光进入放大器，10％端口9作为监控端口可以监控注入脉冲的能量，薄膜偏振片11、半波片12以及法拉第旋光器13共同组成法拉第隔离器，防止反向激光破坏光纤，同时可以调整激光脉冲以S偏振进入再生放大器单元3。

再生放大器单元3的结构示意图详见图3。再生腔依次由以下元件构成：第二薄膜偏振片15、体相位调制器16、电光开关17、第二半波片18、薄膜偏振片19、带通滤波片20、第三半波片21、第一凸透镜22、第一光纤头23、增益光纤24、第二光纤头25、第二凸透镜26、长波透射镜27、第四半波片28、全反镜29、第三凸透镜30、泵浦保护器31以及泵浦激光器32。

如图3所示，由能量注入单元2输出的激光脉冲以S偏振经过薄膜偏振片反射进入再生腔，此时同步控制单元4给出同步信号，控制泵浦激光器31工作，泵浦光经过泵浦保护器30被凸透镜29准直并经过高反镜28和长波透射镜26反射后经凸透镜25聚焦在光纤头24进入增益光纤23，使增益光纤产生足够的上能级例子反转数。当激光脉冲经过电光开关17时，此时为时刻1，电光开关17处于关闭状态，此时，激光脉冲经过半波片18后变成P偏振，透射薄膜偏振片18然后经由凸透镜21的聚焦耦合进入光纤头22在增益光纤内放大，然后从光纤头24出射经过凸透镜25准直后透过长波透射镜26后透过薄膜偏振片15，此时为时刻2。同步控制单元2控制电光开关17在时刻1和时刻2之间开启为半波电压。激光脉冲经过第二薄膜偏振片15后经过电光开关17变成S光、又经过第一半波片18变成P光，继续在激光腔内放大。当放大多次之后，增益光纤24处于放大饱和状态，此时同步控制单元4给出同步信号控制电光开关电压17为0，由薄膜偏振片15出射的P偏振的激光脉冲经过半波片18之后变成S偏振由薄膜偏振片19输出。图3中的半波片21作用是调整激光脉冲偏振态使之对准增益光纤的应力轴，半波片的作用是调整光纤出射激光脉冲的偏振态为P偏振。

同时，同步控制单元4也要给出同步信号驱动微波信号源33使体相位调制器16开启，对每次经过体相位调制器16的激光脉冲的光谱进行调制，光谱得到一定展宽之后进入增益光纤24进行放大。

Claims (3)

1.一种光纤-空间混合再生激光放大器，其特征在于由脉冲光源(1)、能量注入单元(2)、再生放大器单元(3)、相位控制单元和同步控制单元(4)构成：

所述的能量注入单元(2)，沿脉冲光源(1)发出的脉冲激光方向依次包括偏振控制器(5)、第一单向隔离器(6)、第二单向隔离器(7)、分束器(8)、非球面透镜(10)、第一薄膜偏振片(11)、第一半波片(12)、法拉第旋转器(13)和第一全反射镜(14)；

所述的再生放大器单元(3)包括一个光学谐振腔和泵浦注入部分：由依次的第二薄膜偏振片(15)、体相位调制器(16)、电光开关(17)、第二半波片(18)、第三薄膜偏振片(19)、带通滤波片(20)、第三半波片(21)、第一凸透镜(22)、第一光纤头(23)、增益光纤(24)、第二光纤头(25)、第二凸透镜(26)、长波透射镜(27)和第四半波片(28)至所述的第二薄膜偏振片(15)构成再生放大环形腔，所述的第二薄膜偏振片(15)为激光输入端口，所述的第三薄膜偏振片(19)为激光输出端口，所述的泵浦注入部分包括：泵浦激光器(32)发出激光经泵浦保护器(31)、第三凸透镜(30)、第二全反射镜(29)反射至所述的长波透射镜(27)进入再生放大环形腔进行泵浦，微波信号源(33)发出端与所述的体相位调制器(16)的控制端相连；

所述的相位控制单元和同步控制单元(4)，其中相位控制单元由微波信号源(33)与所述的体相位调制器(16)构成，对激光脉冲进行光谱调制，所述的同步控制单元的输出端分别与所述的光源(1)、体相位调制器(16)和电光开关(17)的控制端相连，同步控制激光脉冲的输入、输出以及体相位调制器的开启时间。

2.根据权利要求1所述的光纤-空间混合再生激光放大器，其特征在于所述的同步控制单元由一台皮秒精度的同步机构成。

3.根据权利要求1所述的光纤-空间混合再生激光放大器，其特征在于所述的增益光纤为掺杂的保偏光纤或单偏光纤。