CN104184031A - 降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构 - Google Patents

Abstract

一种降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，包括：一线偏振脉冲激光源，用于发出线偏振的脉冲激光；一高速光偏振转换器件，其位于线偏振脉冲激光源输出的光路上，用于选出不同周期的偏振旋转激光脉冲序列；一激光脉冲延时光路，其位于高速光偏振转换器件输出的光路上，主要用于调节被选出脉冲的光程，通过调节延时光路的光程，匹配基础脉冲的到达时间，以实现两个激光脉冲的能量叠加。本发明是在保证激光总体功率不变化的前提下，无需引入另外的激光器，仅通过降低脉冲重复频率，脉冲叠加，就可以实现脉冲能量的增倍，增加激光功率的利用效率。

Description

降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构

技术领域

本发明涉及脉冲激光技术领域，尤其涉及一种新降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构。

背景技术

脉冲激光器中，激光脉冲的重复频率，在同等功率条件下，脉冲的重复频率和脉冲能量成反比，脉冲重复频率和脉冲能量直接影响激光同物质的作用速度，因此激光脉冲重复频率和脉冲能量两个参数的调节在精细加工领域的打标、切割、划线，在远程激光探测，远程物理目标打击，以及激光诱导核聚变等领域具有重要的意义。目前，激光器脉冲重复频率调节主要是腔内调节，腔内调节分为两种方式，一种是主动调节：可以调节激光器中的光调制器件如电光、声光或者泵浦电源的电脉冲重复频率实现对光脉冲重复频率的调节，另外一种是被动调节方式，例如被动调Q或者被动锁模激光器中可以通过调节谐振腔长度或者可饱和吸收体的特性调节激光脉冲的重复频率。但是在一些场合，由于激光器自身的腔长、泵浦方式、增益介质储能、调制器件以及其他非线性光因素的影响，激光器输出的脉冲能量受到局限。

以被动锁模激光器为例，激光器谐振腔的长度决定了光脉冲的重复频率，由于谐振腔的长度通常在1.5m-2m，脉冲重复频率为75MHz-100MHz，脉冲能量通常仅为nJ量级。因此，要想获得能量的进一步增加，必须要在振荡腔外采取措施，以获得更高的脉冲能量。

另外，以脉冲激光的光纤放大为例，脉冲激光的光纤放大过程，尤其是高能量的线偏振激光光纤放大，高峰值功率和线偏振光会大大降低非线性效应的阈值，而这些非线性效应如自相位调制效应、受激布里渊散射以及受激拉曼散射均会带来脉冲激光的光谱展宽、脉冲畸变等脉冲恶化的现象。因此，在脉冲放大过程中需要保持相对较高的脉冲重复频率以降低脉冲峰值功率和脉冲能量，高峰值功率的光纤放大成为目前光纤放大激光技术的瓶颈。

清华大学杨昌喜教授采用分离脉冲光放大技术(申请公布号：201110242848.1)，就是采用双折射晶体先将入射脉冲进行分离，得到低峰值功率的脉冲串，然后将该脉冲串注入到光纤放大器中进行放大，最后将放大后的脉冲串进行复合，从而得到高峰值功率的脉冲输出。这种方法主要适用于光纤放大器中，用于降低光纤中非线性效应的影响，获得高放大倍率的脉冲能量输出。而针对不经过光纤放大线偏振激光脉冲，这种方法无法实现重复频率的降低和脉冲能量的加倍。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提出一种降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其是在保证激光总体功率不变化的前提下，无需引入另外的激光器，仅通过降低脉冲重复频率，脉冲叠加，就可以实现脉冲能量的增倍，增加激光功率的利用效率。

本发明提供一种降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，包括：

一线偏振脉冲激光源，用于发出线偏振的脉冲激光；

一高速光偏振转换器件，其位于线偏振脉冲激光源输出的光路上，用于选出不同周期的偏振旋转激光脉冲序列；

一激光脉冲延时光路，其位于高速光偏振转换器件输出的光路上，主要用于调节被选出脉冲的光程，通过调节延时光路的光程，匹配基础脉冲的到达时间，以实现两个激光脉冲的能量叠加。

本发明的有益效果是，其是利用高速脉冲选择器件，快速将选择脉冲进行偏振旋转，被选择脉冲通过光路延时叠加到原有脉冲序列中，实现光脉冲在时间上的重叠，从而可以降低脉冲的重复频率，得到增倍的脉冲能量。还可以根据不同的需求自主的选择脉冲进行叠加，实现不同脉冲重复频率和脉冲能量间隔变换的脉冲序列。这种方法可以在原有功率不变的前提下，提高激光脉冲能量，有效提高激光的利用效率。该方法将会在高能量激光脉冲的需求场合具有重要应用，如：远程激光探测，远程物理目标打击，以及激光诱导核聚变等。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是依照本发明实施例的一种普遍适用于线偏振激光的降低脉冲重复频率提高脉冲能量的方法示意图；

图2是依照本发明实施例的脉冲能量增倍的示意图；

图3脉冲能量间隔增倍的示意图；

图4脉冲串的重复频率降低示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，包括：

一线偏振脉冲激光源11，用于发出线偏振的脉冲激光，所述的线偏振的脉冲激光源11，是连续波斩波激光源、调Q激光源或锁模脉冲激光源，输出激光脉冲范围覆盖毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒，所述脉冲激光源11的输出光偏振态为线偏振光，且脉冲重复频率是单一固定的，两个相邻脉冲时间间隔t也是固定的；

线偏振脉冲激光源11为重复频率为100MHz的皮秒脉冲激光器，输出功率为50W，波长为1064nm，两个脉冲的间隔为10ns，脉冲能量为5μJ，脉冲宽度为50ps，偏振态为水平偏振。该线偏振激光源发出的激光入射至高速偏振转换器件12。

一高速光偏振转换器件12，其位于线偏振脉冲激光源11输出的光路上，用于选出不同周期的偏振旋转激光脉冲序列，所述高速电光脉冲选择器件12为高速光偏振转换器件，其是根据需要完成一个或者几个激光脉冲的偏振旋转90度，该高速光偏振转换器件12，是电光普克尔盒、声光偏振转换器或磁致旋光偏振转换器，所述高速激光偏振转换器件12工作于两种状态，一种是无旋光状态，激光通过没有偏振旋转；另外一种是对光90度偏振旋转的状态，所述无旋光状态的工作时间大于激光脉冲间隔宽度，该激光脉冲可以完整通过；90度偏振旋光状态的工作时间大于激光的脉冲间隔宽度，90度旋转的偏振光可以完整的通过，该高速激光偏振转换器件12实现的两种状态的转换时间小于两个脉冲间隔时间，确保在两个脉冲间隙完成状态的转换，不影响单个脉冲偏振态的完整性；

高速光偏振转换器件12，为高速电光脉冲旋转器，采用高压驱动BBO晶体做成的普克尔盒，BBO晶体通光孔径10mm，晶体镀1064nm波长激光增透膜。要实现90度偏振转换，需要在普克尔盒上加半波(λ/2)电压4kV～8kV，加压时间小于10ns，保证在两个脉冲间隔内完成加压的过程。加压时间的可调范围为10ns-1μs，加压时间的重复频率为50MHz。线偏振脉冲激光源11出射的100MHz水平偏振光入射至高速偏振转换器件12，在两个脉冲间隔内，高速光偏振转换器件12快速加至8kV半波(λ/2)电压，加压时间内小于10ns，经过高速光偏振转换器件12的脉冲快速完成偏振状态的转换，由水平偏振态变至垂直偏振态，然后高速光偏振转换器件12在小于10ns的时间内完成退压过程，下一个激光脉冲经过高速光偏振转换器件12无偏振旋转，保持水平状态。激光脉冲序列15经过高速光偏振转换器件12，高速电光脉冲旋转器的重复频率为50MHz，分别在151和153等奇数脉冲通过时，加半波电压8kV，这些脉冲在通过脉冲旋转器之后变为垂直偏振。整个脉冲序列重复频率依然为100MHz，但是存在两种偏振态：151、153等奇数脉冲为垂直偏振，152、154等偶数脉冲为水平偏振。两种偏振共存的激光脉冲进入激光脉冲延时光路13。

一激光脉冲延时光路13，其位于高速光偏振转换器件12输出的光路上，主要用于调节被选出脉冲的光程，通过调节延时光路的光程，匹配基础脉冲的到达时间，以实现两个激光脉冲的能量叠加。

其中激光脉冲延时光路13包括：

一第一起偏器131，该第一起偏器131呈45度夹角接收高速光偏振转换器件12发出的光，在无旋光状态时将激光透射；在90度偏振旋光状态时，将激光反射；

一第二起偏器134，该第二起偏器134呈45度夹角接收第一起偏器131透射的无旋光状态时激光；

一第一45度高反镜132，该第一45度高反镜132呈45度夹角位于第一起偏器131反射的90度偏振旋光状态的激光；

一第二45度高反镜133，该第二45度高反镜133呈45度夹角位于第一45度高反镜132反射的光路上，并将光再一次反射，该第二45度高反镜133反射的光入射到第二起偏器134上，该第二起偏器134将第二45度高反镜133反射的激光再次反射，形成输出激光。

所述的该第一起偏器131和第二起偏器134是薄膜偏振片或格兰棱镜。

其中激光脉冲延时光路13中的第一起偏器131垂直反射脉冲经过光程142、143和144，所需的时间与水平透射偏振光经过光程141所需时间差恰好为相邻两个脉冲的时间间隔t，或是t的整数倍。

激光脉冲延时光路13，主要是由起偏器131、134和两个45度高反镜132、133组成，132、133可以同步平移以改变光程。起偏器131和134是针对波长1064nm的格兰棱镜，偏振消光比大于10000∶1，对水平偏振光透射，垂直偏振光反射。132、133为1064nm波长45度放置的高反镜，垂直反射脉冲所经过的光程142为1.5m、143为2m，144为1.5m。水平透射偏振光的光程为141为2m，垂直反射脉冲经过142、143和144所需的时间与水平透射偏振光经过141所需时间差t为10ns，恰好等于两个脉冲的时间间隔。

两种偏振态共存的脉冲序列15经过格兰棱镜131后分为两列，垂直偏振的脉冲151、153等奇数脉冲被反射进入延时光路，脉冲重复频率降低一半变为50MHz；水平偏振的激光脉冲152、154透射进入延时光路，脉冲重复频率变为50MHz。被反射脉冲序列经过光程142、143、144的总光程为5m，透射脉冲经过延时光路141的光程为2m，两列脉冲在延时光路中的光程差为3m，时间差为10ns，恰好等于初始脉冲序列中两个脉冲的时间间隔。因此，当两列脉冲到达格兰棱镜134时，奇数脉冲在时间上同偶数脉冲重合，即实现奇数脉冲和偶数脉冲的叠加，即形成脉冲能量增倍，重复频率减半变为50MHz的脉冲序列。

如图2所示，是上述过程脉冲重复频率降低和脉冲能量增倍的过程。

经过该装置前，脉冲序列1重复频率为100MHz，脉冲间隔为10ns，经过该装置后，变为脉冲序列2，脉冲重复频率降低一半，成为50MHz，脉冲能量变为原来的2倍，成为10μJ。

上述脉冲重复频率降低，可以根据不同的需求自主的选择脉冲进行叠加，实现不同脉冲重复频率和脉冲能量间隔变换的脉冲序列。如图3所示，脉冲序列1，经过上述装置可以每三个脉冲选出一个脉冲反射进入延时光路中，延时光路的延时时间为脉冲间隔t，t为10ns，叠加到脉冲序列中，使得重复频率变为原来的三分之二，形成脉冲序列2。

上述脉冲重复频率的降低，可以是图2图3表述的单个脉冲的选择叠加，也可以是一串脉冲的选择叠加，形成整个脉冲串的重复频率变化。如图4所示。周期为t的脉冲序列，t为10ns，3个脉冲为一组，3个脉冲经过偏振旋转器被反射后进入延时光路，经过延时光路光程的时间为3t，30ns，3个脉冲经过该系统叠加到光路中，形成周期为3t的激光脉冲串，每组脉冲串的个数为3个。

同时，本发明不仅仅局限于上述的降低重复频率的过程，也可以是其他脉冲重复频率的减小和脉冲能量叠加。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，包括：

一线偏振脉冲激光源，用于发出线偏振的脉冲激光；

一高速光偏振转换器件，其位于线偏振脉冲激光源输出的光路上，用于选出不同周期的偏振旋转激光脉冲序列；

一激光脉冲延时光路，其位于高速光偏振转换器件输出的光路上，主要用于调节被选出脉冲的光程，通过调节延时光路的光程，匹配基础脉冲的到达时间，以实现两个激光脉冲的能量叠加。

2.根据权利要求1所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中所述的线偏振的脉冲激光源，是连续波斩波激光源、调Q激光源或锁模脉冲激光源，输出激光脉冲范围覆盖毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒，所述脉冲激光源的输出光偏振态为线偏振光，且脉冲重复频率是单一固定的，两个相邻脉冲时间间隔t也是固定的。

3.根据权利要求1所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中所述高速电光脉冲选择器件为高速光偏振转换器件，其根据需要完成一个或者几个激光脉冲的偏振旋转90度。

4.根据权利要求3所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中高速光偏振转换器件，是电光普克尔盒、声光偏振转换器或磁致旋光偏振转换器。

5.根据权利要求4所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中高速激光偏振转换器件工作于两种状态，一种是无旋光状态，激光通过没有偏振旋转；另外一种是对光90度偏振旋转的状态。

6.根据权利要求5所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中无旋光状态的工作时间大于激光脉冲间隔宽度，该激光脉冲可以完整通过；90度偏振旋光状态的工作时间大于激光的脉冲间隔宽度，90度旋转的偏振光可以完整的通过。

7.根据权利要求6所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中高速激光偏振转换器件实现的两种状态的转换时间小于两个脉冲间隔时间，确保在两个脉冲间隙完成状态的转换，不影响单个脉冲偏振态的完整性。

8.根据权利要求1所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中激光脉冲延时光路包括：

一第一起偏器，该第一起偏器呈45度夹角接收高速光偏振转换器件发出的光，在无旋光状态时将激光透射；在90度偏振旋光状态时，将激光反射；

一第二起偏器，该第二起偏器呈45度夹角接收第一起偏器透射的无旋光状态时激光；

一第一45度高反镜，该第一45度高反镜呈45度夹角位于第一起偏器反射的90度偏振旋光状态的激光；

一第二45度高反镜，该第二45度高反镜呈45度夹角位于第一45度高反镜反射的光路上，并将光再一次反射，该第二45度高反镜反射的光入射到第二起偏器上，该第二起偏器将第二45度高反镜反射的激光再次反射，形成输出激光。

9.根据权利要求8所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中第一起偏器和第二起偏器是薄膜偏振片或格兰棱镜。

10.根据权利要求8所述的降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构，其中激光脉冲延时光路中的第一起偏器垂直反射脉冲经过光程，所需的时间与水平透射偏振光经过光程所需时间差恰好为相邻两个脉冲的时间间隔t，或是t的整数倍。