CN104049389A - 全光纤激光脉冲相位调制装置 - Google Patents

Abstract

一种全光纤激光脉冲相位调制装置，其构成包括同步延时控制器、2×2光开关、带通滤波器、光纤放大器、可调光延迟线、光纤相位调制器、电调制信号发生器、光纤隔离器、第一光纤分束器和第二光纤分束器。本发明利用全光纤化的环形腔的结构来多次对激光脉冲的位相进行调制，利用同步控制器和电调制信号发生器可对激光脉冲的位相按要求进行调制，其优点是全光纤化、结构紧凑、简单灵活，可以获得任意相位变化的激光脉冲。

Description

全光纤激光脉冲相位调制装置

技术领域

本发明涉及激光脉冲，特别是一种全光纤激光脉冲多次相位调制装置，利用光纤相位调制器对激光脉冲相位进行调制来改变脉冲的相位变化，从而获得任意相位变化的激光脉冲的装置。其优点是全光纤化、结构紧凑、简单灵活，可以获得任意相位变化的激光脉冲。 

背景技术

高能量超短激光脉冲在激光加工、超快光谱学、医学、高能物理等多种领域应用广泛。例如，超短激光加工技术近年来受到国内外的广泛关注，激光短脉冲与物质作用过程中的无热沉积和无接触特性大大提高了加工形貌可控性、加工精度及表面光滑性等加工特性，在金属、晶体、宝石、玻璃、高分子聚合物甚至炸药等多种材料的加工切割上表现出优良的特性，在汽车工业，医疗器械、工业安全等精密加工领域展现了广阔的应用前景。利用啁啾脉冲放大技术(CPA)可以获得高能量超短激光脉冲输出，但是CPA技术中使用锁模激光器与展宽器(光栅对、棱镜对和啁啾光纤光栅)共同作用产生啁啾脉冲，这种方式不能灵活控制，同时调节不便，造价高昂。 

目前啁啾脉冲多为利用锁模激光器结合展宽器产生，除此之外另外一种方式就是通过相位调制器直接对窄线宽脉冲进行调制，从而产生啁啾脉冲。 

假设入射脉冲具有高斯形式： 

$A\left(T\right)=\sqrt{P_{\max }}\exp (-\frac{1+\mathrm{iC}}{2}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^m)$

其中，Pmax是脉冲峰值功率，C为啁啾参量，T为以脉冲中心为零点的时间坐标， T_FWHM为脉冲半峰全宽。m表示脉冲的阶数，m>2对应超高斯脉冲。在通过相位调制器之后，其结果是在脉冲的不同位置上附加了一个相位，得到的调制脉冲为： 

A_out(T)＝exp(iΦ(T))A(T) 

$\mathrm{\Φ}\left(T\right)=\mathrm{\π}\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}f\left(T\right)$

其中，V为相位调制器的调制电压的幅值，V_π为半波电压，f(T)为调制信号的归一化波形。 

脉冲的啁啾定义为： 

$\mathrm{dw}=-\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}$

A_out(T)＝|A_out(T)|exp(if) 

从上式可以看到，脉冲的啁啾是与调制信号相关的，因此可以通过调节位相调制的信号来得到特定的啁啾分布的脉冲波形。 

在利用相位调制器产生啁啾脉冲的方式中，产生的脉冲的啁啾是与相位调制深度相关的，为了获得宽谱的啁啾脉冲就需要增加相位调制器的调制深度。相位调制器的调制深度为所加电压与半波电压的比值，但是受限于加工工艺，相位调制器的调制深度不能很好地满足产生啁啾脉冲的需要。 

为了解决这个问题，本发明利用环形腔的结构对激光脉冲多次调制，从而增加脉冲的调制量，可以有效的产生不同相位分布的激光脉冲。同时该装置采用全光纤化的结构，具有调节灵活、结构紧凑的优点。 

发明内容

本发明的目的在于克服锁模激光器结合展宽器产生啁啾脉冲的方式的缺点以及位相调制器调制量不足的缺点，提供一种全光纤激光脉冲相位调制装置，该装置利用环形腔的结构，通过多次相位调制的方式来有效增加装置对激光脉冲的相位的调制量，而且能够灵活控制激光脉冲的相位变化，全光纤的结构也使得整个装置较为紧凑。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种全光纤激光脉冲相位调制装置，其特点在于：该装置包括同步延时控制器、2×2光开关、带通滤波器、光纤放大器、可调光延迟线、光纤相位调制器、电调制信号发生器、光纤隔离器、第一光纤分束器和第二光纤分束器，依次前后连接的2×2光开关、带通滤波器、光纤放大器、第二光纤分束器、可调光延迟线、光纤相位调制器和光纤隔离器至2×2光开关构成环形腔，所述的第一光纤分束器的第一输出端接2×2光开关的第一端口，第二输出端接所述的同步延时控制器的输入端，所述的同步延时控制器的输出端与所述的2×2光开关的控制端相连，所述的2×2光开关的第二端口为本装置激光脉冲的输出端口，所述的第二光纤分束器的第二输出端接所述的电调制信号发生器的输入端，该电调制信号发生器的输出端接光纤相位调制器的第二输入端。 

输入的激光脉冲经过第一光纤分束器分为两部分：一部分经过所述的同步延时控制部分产生所述2×2光开关的开关信号，另一部分经过所述2×2光开关的第一 端口进入第三端口输出进入环形腔内，在环形腔内激光脉冲经过带通滤波器、光纤放大器和第二光纤分束器之后再次分为两部分：一部分经过电调制信号发生器产生电调制信号用于所述光纤相位调制器的电调制，另外一部分经过可调光延迟线进入所述光纤位相调制器，在位相调制器中激光脉冲受到电调制信号的调制后经过所述光纤隔离器经2×2光开关的第四端口再次进入2×2光开关，完成一次腔内循环，所述的同步延时控制器控制所述的2×2光开关，使得激光脉冲在环形腔内多次循环通过，直到同步延时控制部分控制2×2光开关输出激光脉冲。 

一种全光纤激光脉冲相位调制装置，特点在于沿入射激光脉冲的传播方向依次通过第一光纤分束器、同步延时控制部分、2×2光开关、带通滤波器、光纤放大器，经过光纤分束器之后一部分经过可调光延迟线、光纤相位调制器和隔离器，另外一部分经过调制电信号发生装置，产生光纤位相调制器的调制信号，同步延时控制部分控制脉冲在环形腔内的循环和输出。 

所述同步延时控制器由光电探测器(PIN)和数字延时脉冲发生器构成。 

所述2×2光开关由电光调制器或者声光调制器和光纤准直器构成。 

所述光纤放大器由波分复用器，掺杂光纤和泵浦源构成。 

所述调制电信号发生器产生任意的电调制信号，用于相位调制器上的调制信号。 

所述带通滤波器用于抑制环形腔内所述光纤放大器产生的自发辐射噪声。 

所述光纤放大器用于补偿脉冲传播过程中的损耗。 

所述光纤隔离器用于隔离反向光，防止腔内自激振荡。 

本发明优点在于： 

1.采用全光纤化的结构，使得本发明装置结构紧凑，便于调整。 

2.采用同步延时控制激光脉冲在环形腔内的循环，有效增加对激光脉冲位相的调制量。 

3.利用可调光延迟线和调制信号发生装置可以有效同步激光脉冲和相位调制器 

电调制信号。 

4.利用调制信号发生装置对激光脉冲产生任意位相变化的调制。 

附图说明

图1是本发明装置全光纤激光脉冲位相调制原理图。 

图2是2×2开关原理图。 

图3是同步延时控制部分原理图。 

图4是电调制信号发生装置。 

图中： 

1-同步延时控制；2-2×2光开关；3-带通滤波器；4-光纤放大器；5-可调光延迟线；6-光纤相位调制器；7-电调制信号发生器；8-光纤隔离器；9-光纤分束器；10-光纤分束器。11-光电探测器；12-数字延时脉冲发生器。21、22、23、24-光纤准直器；25-声光调制器。71-电比较器；72-信号发生器；73-电信号整形板；74-电放大器。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

先请参阅图1，图1是本发明全光纤激光脉冲相位调制装置的结构示意图。由图可见，本发明全光纤激光脉冲相位调制装置，包括同步延时控制器1、2×2光开关2、带通滤波器3、光纤放大器4、可调光延迟线5、光纤相位调制器6、电调制信号发生器7、光纤隔离器8、第一光纤分束器9和第二光纤分束器10，依次前后连接的2×2光开关2、带通滤波器3、光纤放大器4、第二光纤分束器10、可调光延迟线5、光纤相位调制器6和光纤隔离器8至2×2光开关2构成环形腔，所述的第一光纤分束器9的第一输出端接2×2光开关2的第一端口21，第二输出端接所述的同步延时控制器1的输入端，所述的同步延时控制器1的输出端与所述的2×2光开关2的控制端相连，所述的2×2光开关2的第二端口22为本装置激光脉冲的输出端口，所述的第二光纤分束器10的第二输出端接所述的电调制信号发生器7的输入端，该电调制信号发生器7的输出端接光纤相位调制器6的第二输入端。 

输入的激光脉冲经过第一光纤分束器9分为两部分：一部分经过所述的同步延时控制部分1产生所述2×2光开关2的开关信号，另一部分经过所述2×2光开关2的第一端口21进入第三端口23输出进入环形腔内，在环形腔内激光脉冲经过带通滤波器3、光纤放大器4和第二光纤分束器10之后再次分为两部分：一部分经过电调制信号发生器7产生电调制信号用于所述光纤相位调制器6的电调制，另外一部分经过可调光延迟线5进入所述光纤位相调制器6，在位相调制器6中激光脉冲受到电调制信号的调制后经过所述光纤隔离器8经2×2光开关2的第四端口24再次进入2×2光开关2，完成一次腔内循环，所述的同步延时控制器1控制所述的2×2光开关2，使得激光脉冲在环形腔内多次循环通过，直到同步延时控制部分1控制2×2光开关2输出激光脉冲。 

参见图2，图2是本发明装置中的一种2×2光开关的结构装置示意图。所述2×2光开关构成包括：21、22、23、24光纤准直器，25、声光调制器。其中21端口作为激光脉冲的输入端，22端口作为脉冲输出端，23和24端口作为环形腔的两个端 口，通过控制声光调制器25，就可以实现激光脉冲在环形腔内的输入、循环和输出。激光脉冲首先经过21端口以布拉格衍射角入射，不被声光调制器衍射进入环形腔，从端口23输出之后，经过端口24输入，依旧以布拉格衍射角入射被声光调制器衍射从而再次进入环形腔，控制声光调制器的调制信号，当激光脉冲经过24端口入射后不被衍射时，激光脉冲在端口22输出。 

参见图3，图3是本发明装置中同步延时控制器的结构示意图。所述同步延时控制器的构成包括：光电探测器11、数字延时脉冲发生器12.激光脉冲经过分束之后，一部分到达光电探测器11被转化为电信号，作为数字延时脉冲发生器12的触发信号，数字延时脉冲发生器的输出控制2×2光开关，从而控制激光脉冲在腔内的循环。 

参见图4，图4是本发明装置中电调制信号发生装置的结构示意图。所述电调制信号发生装置的构成可以为：直接由任意波形发生器产生或者由71、电比较器，72、信号发生器，73、孔径耦合整形板，74、电放大器组成。激光脉冲分束后的一部分经过所述可调光延迟线之后达到电比较器71，转化为电触发信号触发信号发生器72，信号发生器72产生合适的电调制信号，经过孔径耦合整形板73之后产生可以用于所述光纤位相调制器的电调制信号，为了增加调制量，再经过电放大器74之后放大电调制信号，最后输出作用在光纤相位调制器上。 

Claims (1)

1.一种全光纤激光脉冲相位调制装置，其特征在于：该装置包括同步延时控制器(1)、2×2光开关(2)、带通滤波器(3)、光纤放大器(4)、可调光延迟线(5)、光纤相位调制器(6)、电调制信号发生器(7)、光纤隔离器(8)、第一光纤分束器(9)和第二光纤分束器(10)，依次前后连接的2×2光开关(2)的第一输出端、带通滤波器(3)、光纤放大器(4)、第二光纤分束器(10)、可调光延迟线(5)、光纤相位调制器(6)和光纤隔离器(8)至2×2光开关(2)的第二输入端构成环形腔，所述的第一光纤分束器(9)的第一输出端接2×2光开关(2)的第一端口(21)，第二输出端接所述的同步延时控制器(1)的输入端，所述的同步延时控制器(1)的输出端与所述的2×2光开关(2)的控制端相连，所述的2×2光开关(2)的第二端口(22)为本装置激光脉冲的输出端口，所述的第二光纤分束器(10)的第二输出端接所述的电调制信号发生器(7)的输入端，该电调制信号发生器(7)的输出端接光纤相位调制器(6)的第二输入端。