CN105742953A

CN105742953A - 一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置与方法

Info

Publication number: CN105742953A
Application number: CN201610314633.9A
Authority: CN
Inventors: 曾和平; 罗大平
Original assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: East China Normal University; Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2016-07-06

Abstract

本发明公开了一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置与方法，包括脉冲激光分束系统、脉冲放大系统、连续激光分束系统、载波包络相位同步系统及平衡光学互相关脉冲堆积放大系统，本发明将脉冲激光分束多路，每一路分别放大压缩获得多路较高功率超短脉冲，再通过与连续激光器拍频和电路混频，将放大的多路较高功率脉冲激光锁定在某一路上，实现多路脉冲激光的载波包络相位同步；最后通过平衡光学互相关技术进行多路脉冲激光的相干合成，实现多路脉冲堆积放大，输出超高功率的超短脉冲。

Description

一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置与方法

技术领域

本发明涉及超快光学及激光技术领域，尤其是一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置与方法。

背景技术

高功率超短脉冲激光源在工业制造和科学研究中有着广泛的应用，它常被用于物质检测和天文观测的等科学领域，工业生产也常用其进行加工制造。现有技术常见的各类激光器，高功率光纤脉冲激光器它具有脉冲宽度窄，重复频率高、平均功率高，单脉冲能量高等诸多优点。特别地，光纤锁模脉冲激光源和光纤放大器获得的超短脉冲激光更是具备体积小、放大增益高、光谱范围广、结构简便、价格低廉等优势，具有广阔的应用前景。因此，怎样获得高质量的超短脉冲激光成为科学研究的热门方向之一。

存在的问题是，光纤锁模激光器常见波段有1030nm、1064nm、1550nm和1310nm等，常见方法是将光纤锁模激光器的脉冲激光依次通过级联式的多级啁啾脉冲光纤放大器来获得高功率超短脉冲。该种方法中脉冲激光要依次通过多级的放大器和增益光纤，引入较多的非线性啁啾，即使引入多路的啁啾管理模块也很难将脉冲宽度压缩至100fs以下，同时高功率放大器也受到增益带宽的限制，超短脉冲放大后光谱存在窄化。近几年提出的自相似放大技术可以实现谱展宽和脉冲压缩获得几十飞秒的高功率超短脉冲，但是该方法受限于光纤放大器中模式不稳定和热效应等因素，同样无法获得超过100W的高功率超短脉冲。

受上述问题的限制，稳定的高功率超短脉冲激光源很难获得，各国学者们致力于研发出高性能的增益光纤来降低模式不稳定性和热效应以期获得更高的功率和更窄的脉冲，目前成果并不理想。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于多路同步相干脉冲实现超短激光脉冲堆积放大的方法与装置，本发明将脉冲激光分束多路，每一路分别放大压缩获得多路较高功率超短脉冲，再通过与连续激光器拍频和电路混频，将放大的多路较高功率脉冲激光锁定在某一路上，实现多路脉冲激光的载波包络相位同步；最后通过平衡光学互相关技术进行多路脉冲激光的相干合成，实现多路脉冲堆积放大，输出超高功率的超短脉冲。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置，其特点包括脉冲激光分束系统、脉冲放大系统、连续激光分束系统、载波包络相位同步系统及平衡光学互相关脉冲堆积放大系统；

所述脉冲激光分束系统由第一激光器、预放大器及脉冲激光分束模块组成；所述脉冲放大系统由放大器模块及压缩器模块组成；所述连续激光分束系统由第二激光器、预放大器及连续激光分束模块组成；所述载波包络相位同步系统由光路拍频模块和电路控制模块组成；所述平衡光学互相关脉冲堆积放大系统由脉冲激光合束模块，平衡光学互相关探测模块及光学延时控制模块组成；

所述脉冲激光分束系统输出N路脉冲激光，（N为自然数）经过脉冲放大系统放大压缩后输出N路较高功率超短脉冲激光；所述连续激光分束系统输出N路独立的连续激光；所述脉冲放大网络输出的N路较高功率超短脉冲激光与激光分束系统输出的N路独立的连续激光一起输入载波包络相位同步控制系统，经拍频、反馈控制锁定后输出N路载波包络相位同步的超短脉冲激光；所述N路载波包络相位同步的超短脉冲激光输入到平衡光学互相关脉冲堆积放大系统，经合束、平衡光学互相关探测以及反馈光路延时控制生成脉冲堆积放大的高功率超短脉冲激光输出。

一种用上述装置实现高功率超短脉冲激光的方法，其特点在于它包括如下步骤：

生成N路高功率超短脉冲激光

脉冲激光分束系统由第一激光器发射的脉冲激光束经过预放大器后由脉冲激光分束模块将激光束分成功率相近的N路，输出独立的N路脉冲激光；

所述脉冲放大系统将脉冲激光分束系统的N路脉冲激光依次通过放大器模块和压缩器模块，并生成N路较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统；

其中，第一激光器选用掺镱光纤锁模激光器或掺饵光纤锁模激光器；脉冲激光分束模块选用光纤分束模块或空间分束模块；放大器模块选用N个掺镱光纤啁啾脉冲放大器、N个掺饵光纤啁啾脉冲放大器、N个脉冲预啁啾管理的自相似放大器、N个光学参量放大器或N个多倍频的非线性放大器；压缩器模块选用N个光栅压缩器、N个色散补偿光纤压缩器、N个棱镜压缩器或N个棱栅压缩器；

生成N路独立的连续激光

所述连续激光分束系统由第二激光器发射的激光束经过预放大器放大，再由连续激光分束模块分成功率相近的N路，并输出N路独立的连续激光至载波包络相位同步系统；

其中，第二激光器选用1030nm窄线宽连续激光器或1550nm窄线宽连续激光器；激光分束模块选用光纤分束模块或空间分束模块；

生成N路载波包络相位同步的超短脉冲激光

所述载波包络相位同步系统是将脉冲放大系统和连续激光分束系统一起输入的N路脉冲激光和N路独立的连续激光经光路拍频模块进行拍频，再将N路拍频信号通过电路控制模块反馈控制锁定，并输出N路载波包络相位同步的超短脉冲激光；

生成脉冲堆积放大的高功率超短脉冲激光

所述平衡光学互相关脉冲堆积放大系统是将载波包络相位同步系统的N路载波包络相位同步的超短脉冲激光，由脉冲激光合束模块合束，通过平衡光学互相关探测模块探测脉冲抖动，产生的脉冲抖动信号输至光学延时控制模块，最终输出脉冲堆积放大的高功率超短脉冲激光。

所述的载波包络相位系统的光路拍频模块由N个声光移频器、N个合束镜及N个光电探测模块组成；电路控制模块由N个第一电路滤波模块、N个第一电路放大模块、N-1个电路混频模块、N-1个第二电路滤波模块及N-1个第二电路放大模块组成。

所述的平衡光学互相关脉冲堆积放大系统中的脉冲激光合束模块由N-1个反射镜、2N-2个二分之一波片、N-1个偏振合束器组成；平衡光学互相关探测模块由N-1个1:1分束镜、2N-2二分之一波片及2N-2个光电探测模块组成；光学延时控制模块由N-1个电路处理模块、N-1个光学延时驱动模块及N-1个光学延时模块组成。

本发明将脉冲激光分束多路，每一路分别放大压缩获得多路较高功率超短脉冲，再通过与连续激光器拍频和电路混频，将放大的多路较高功率脉冲激光锁定在某一路上，实现多路脉冲激光的载波包络相位同步；最后通过平衡光学互相关技术进行多路脉冲激光的相干合成，实现多路脉冲堆积放大，输出高功率的超短脉冲。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明实施例1的使用状态示意图：

图4为本发明实施例2的使用状态示意图：

图5为本发明实施例3的使用状态示意图：

图6为本发明实施例4的使用状态示意图：

图7为本发明实施例5的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例及附图对本发明进一步说明如下：

实施例1：

参阅图1、图2、图3，本实施例脉冲激光分束系统00中的第一激光器01选用掺镱光纤锁模激光器011，脉冲激光分束模块03选用光纤分束模块031，放大器模块11选用三个掺镱光纤啁啾脉冲放大器111，压缩器模块12选用三个光栅压缩器121；连续激光分束系统20中的第二激光器21选用1030nm窄线宽连续激光器211，激光分束模块23选用光纤分束模块231；

通过掺镱光纤锁模激光器011、掺镱光纤啁啾脉冲放大器111和1030nm窄线宽连续激光器211的组合设置，实现三路的脉冲堆积放大，输出1030nm波段高功率超短脉冲激光。

具体工作过程如下：

脉冲激光分束系统00由掺镱光纤锁模激光器011发射的脉冲激光束经过预放大器02后由光纤分束模块031将激光束分成功率相近的三路，输出独立的三路脉冲激光；

脉冲放大系统（10）将脉冲激光分束系统（00）的每路脉冲激光依次通过掺镱光纤啁啾脉冲放大器111和压缩器模块121，并生成三路较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统30；

连续激光分束系统20将1030nm窄线宽连续激光器211发射的激光束经过预放大器22放大，再由光纤分束模块231分成功率相近的三路，并输出三路独立的连续激光至载波包络相位同步系统30；

载波包络相位同步系统30中，脉冲放大系统10输入的三路激光分别经过三个声光移频器311分为三路零级脉冲激光和三路一级脉冲激光，三路零级脉冲激光与连续激光分束系统20输入的三路独立的连续激光，分别经过三个合束镜312合束到三个光电探测模块312上，生成三路拍频信号，每路拍频信号依次经过第一电路滤波模块321和第一电路放大模块322，获得三路放大的拍频信号，选择某一路拍频信号作为参考拍频信号，直接反馈到该路中的声光移频器311，锁定该路的载波包络相位，其余两路放大的拍频信号分别与参考拍频信号输入到两个电路混频模块，生成两路混频信号，每路混频信号依次经过第二电路滤波器324和第二电路放大器325，生成两路放大的混频信号，每路混频信号分别反馈相应路的声光移频器311，将相应路的脉冲激光的载波包络相位与参考路载波包络相位进行同步，最后输出的一级光是载波包络相位同步的三路脉冲激光；

平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40是将载波包络相位同步系统30的三路载波包络相位同步的超短脉冲激光分为一路参考脉冲激光和两路待合成脉冲激光，参考脉冲激光经过依次二分之一波片412分别与每路依次经过反射镜411、二分之一波片412的待合成脉冲激光在偏振合束器413上合束，输出两路两束脉冲激光合成的脉冲激光和一路三束脉冲激光合成的脉冲，每路两束脉冲激光合成的脉冲激光经过分束镜421分为两对脉冲激光，每对脉冲激光分别依次通过二分之一波片422和光电探测模块423，生成两对脉冲的电学信号，每对电学信号分别输入电路处理模块431，生成两路两束合成脉冲的时域抖动电学信号，每路电学信号输入光学延时驱动模块432，生成两路光学延时模块驱动信号分别驱动光学延时模块433，控制每路脉冲激光的合成，实现三路脉冲的堆积放大，最后输出脉冲堆积放大的1030nm高功率超短脉冲激光。

实施例2：

参阅图1、图2、图4，本实施例脉冲激光分束系统00中的第一激光器01选用掺饵光纤锁模激光器012，脉冲激光分束模块03选用空间分束模块032，放大器模块11选用四个掺饵光纤啁啾脉冲放大器112，压缩器模块12选用四个色散补偿光纤压缩器122；

连续激光分束系统20中的第二激光器21选用1550nm窄线宽连续激光器212，激光分束模块23选用空间分束模块232；

通过掺饵光纤锁模激光器012、掺饵光纤啁啾脉冲放大器112和1550nm窄线宽连续激光器212的组合设置，实现四路的脉冲堆积放大，输出1550nm波段高功率超短脉冲激光。

具体工作过程如下：

脉冲激光分束系统00由掺饵光纤锁模激光器012发射的脉冲激光束经过预放大器02后由空间分束模块032将激光束分成功率相近的四路，输出独立的四路脉冲激光；

脉冲放大系统10将脉冲激光分束系统00的每路脉冲激光依次通过掺饵光纤啁啾脉冲放大器112和色散补偿光纤压缩器122，并生成三路较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统30；

连续激光分束系统20由1550nm窄线宽连续激光器212发射的激光束经过预放大器22放大，再由空间分束模块232分成功率相近的四路，并输出四路独立的连续激光至载波包络相位同步系统30；

载波包络相位同步系统30中，脉冲放大系统10输入的四路激光分别经过四个声光移频器311分为四路零级脉冲激光和四路一级脉冲激光，四路零级脉冲激光与连续激光分束系统20输入的四路独立的连续激光，分别经过四个合束镜312合束到四个光电探测模块312上，生成四路拍频信号，每路拍频信号依次经过第一电路滤波模块321和第一电路放大模块322，获得四路放大的拍频信号，选择某一路拍频信号作为参考拍频信号，直接反馈到该路中的声光移频器311，锁定该路的载波包络相位，其余三路放大的拍频信号分别与参考拍频信号输入到三个电路混频模块，生成三路混频信号，每路混频信号依次经过第二电路滤波器324和第二电路放大器325，生成三路放大的混频信号，每路混频信号分别反馈相应路的声光移频器311，将相应路的脉冲激光的载波包络相位与参考路载波包络相位进行同步，最后输出的三路一级光是载波包络相位同步的三路脉冲激光；

平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40是将载波包络相位同步系统30的四路载波包络相位同步的超短脉冲激光分为一路参考脉冲激光和三路待合成脉冲激光，参考脉冲激光经过依次二分之一波片412分别与每路依次经过反射镜（411）、二分之一波片（412）待合成脉冲激光在偏振合束器413上合束，输出三路两束脉冲激光合成的脉冲激光和一路四束脉冲激光合成的脉冲，每路两束脉冲激光合成的脉冲激光经过分束镜421分为三对脉冲激光，每对脉冲激光分别依次通过二分之一波片422和光电探测模块423，生成三对脉冲的电学信号，每对电学信号分别输入电路处理模块431，生成三路两束合成脉冲的时域抖动电学信号，每路电学信号输入光学延时驱动模块432，生成三路光学延时模块驱动信号分别驱动光学延时模块433，控制每路脉冲激光的合成，实现四路脉冲的堆积放大，最后输出脉冲堆积放大的1550nm高功率超短脉冲激光。

实施例3：

参阅图1、图2、图5，本实施例脉冲放大系统10由放大器模块11及压缩器模块12组成，放大器模块11选用三个脉冲预啁啾管理的自相似放大器113，压缩器模块12选用三个棱镜压缩器123；

通过脉冲预啁啾管理的自相似放大器113的设置，可以实现三路宽光谱较高功率的近红外脉冲激光，以便于依次经过载波包络相位同步系统30和平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40输出宽光谱高功率近红外超短脉冲激光。

具体工作过程如下：

脉冲激光分束系统00由第一激光器01发射的脉冲激光束经过预放大器02后由脉冲激光分束模块03将激光束分成功率相近的三路，输出独立的三路脉冲激光；

脉冲放大系统10将脉冲激光分束系统00的每路脉冲激光依次通过脉冲预啁啾管理的自相似放大器113和棱镜压缩器123，并生成三路宽光谱较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统30；

连续激光分束系统20由第二激光器21发射的激光束经过预放大器22放大，再由连续激光分束模块23分成功率相近的三路，并输出三路独立的连续激光至载波包络相位同步系统30；

载波包络相位同步系统30将脉冲放大系统10和连续激光分束系统20一起输入的N路宽光谱脉冲激光和N路独立的连续激光经光路拍频模块31进行拍频，再将N路拍频信号通过电路控制模块32反馈控制锁定，并输出N路载波包络相位同步的超短脉冲激光；

平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40将载波包络相位同步系统30的N路载波包络相位同步的宽光谱超短脉冲激光，由脉冲激光合束模块41合束，通过平衡光学互相关探测模块42探测脉冲抖动，产生的脉冲抖动信号输至光学延时控制模块43实现脉冲堆积放大，最终输出宽光谱近红外高功率超短脉冲激光。

实施例4：

参阅图1、图2、图6，本实施例脉冲放大系统10由放大器模块11及压缩器模块12组成，放大器模块11选用三个光学参量放大器114，压缩器模块12选用三个棱栅压缩器124；

通过光学参量放大器114的设置，可以实现三路宽光谱的中红外脉冲激光，以便于依次经过载波包络相位同步系统30和平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40输出宽光谱中红外高功率超短脉冲激光。

具体工作过程如下：

脉冲放大系统10将脉冲激光分束系统00的每路脉冲激光依次通过光学参量放大器114和棱栅压缩器124，并生成三路宽光谱中红外较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统30；

平衡光学互相关脉冲堆积放大系统4）将载波包络相位系统30的N路载波包络相位同步的宽光谱超短脉冲激光，由脉冲激光合束模块41合束，通过平衡光学互相关探测模块42探测脉冲抖动，产生的脉冲抖动信号输至光学延时控制模块43实现脉冲堆积放大，最终输出中红外高功率超短脉冲激光。

实施例5：

参阅图1、图2、图7，本实施例脉冲放大系统10由放大器模块11及压缩器模块12组成，放大器模块11选用三个多倍频的非线性放大器115，压缩器模块12选用三个棱栅压缩器124；

通过频率倍频的非线性放大器115的设置，可以实现三路光谱可调谐的紫外脉冲激光，以便于依次经过载波包络相位同步系统30和平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40输出宽光谱可调谐紫外高功率超短脉冲激光。

具体工作过程如下：

脉冲放大系统10将脉冲激光分束系统00的每路脉冲激光依次通过光学参量放大器115和棱栅压缩器124，并生成三路宽光谱中红外较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统30；

平衡光学互相关脉冲堆积放大系统40将载波包络相位系统30的N路载波包络相位同步的宽光谱超短脉冲激光，由脉冲激光合束模块41合束，通过平衡光学互相关探测模块42探测脉冲抖动，产生的脉冲抖动信号输至光学延时控制模块43实现脉冲堆积放大，最终输出光谱可调谐紫外高功率超短脉冲激光。

Claims

1.一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置，其特征在于它包括脉冲激光分束系统（00）、脉冲放大系统（10）、连续激光分束系统（20）、载波包络相位同步系统（30）及平衡光学互相关脉冲堆积放大系统（40），

所述脉冲激光分束系统（00）由第一激光器（01）、预放大器（02）及脉冲激光分束模块（03）组成；

所述脉冲放大系统（10）由放大器模块（11）及压缩器模块（12）组成；

所述连续激光分束系统（20）由第二激光器（21）、预放大器（22）及连续激光分束模块（23）组成；

所述载波包络相位同步系统（30）由光路拍频模块（31）和电路控制模块（32）组成；

所述平衡光学互相关脉冲堆积放大系统（40）由脉冲激光合束模块（41），平衡光学互相关探测模块（42）及光学延时控制模块（43）组成；

所述脉冲激光分束系统（00）输出N路脉冲激光，（N为自然数）经过脉冲放大系统（10）放大压缩后输出N路较高功率超短脉冲激光；所述连续激光分束系统（20）输出N路独立的连续激光；所述脉冲放大系统（10）输出的N路较高功率超短脉冲激光与连续激光分束系统（20）输出的N路独立的连续激光一起输入载波包络相位同步系统（30），经拍频、反馈控制锁定后输出N路载波包络相位同步的超短脉冲激光；所述N路载波包络相位同步的超短脉冲激光输入到平衡光学互相关脉冲堆积放大系统（40），经合束、平衡光学互相关探测以及反馈光学延时控制生成脉冲堆积放大的高功率超短脉冲激光。

2.根据权利要求1的装置用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的方法，其特征在于包括如下步骤：

生成N路较高功率超短脉冲激光

脉冲激光分束系统（00）由第一激光器（01）发射的脉冲激光束经过预放大器（02）后由脉冲激光分束模块（03）将激光束分成功率相近的N路，输出独立的N路脉冲激光；

所述脉冲放大系统（10）将脉冲激光分束系统（00）的N路脉冲激光依次通过放大器模块（11）和压缩器模块（12），并生成N路较高功率超短脉冲激光至载波包络相位同步系统（30）；

其中，第一激光器（01）选用掺镱光纤锁模激光器（011）或掺饵光纤锁模激光器（012）；脉冲激光分束模块（03）选用光纤分束模块（031）或空间分束模块（032）；放大器模块（11）选用N个掺镱光纤啁啾脉冲放大器（111）、N个掺饵光纤啁啾脉冲放大器（112）、N个脉冲预啁啾管理的自相似放大器（113）、N个光学参量放大器（114）或N个多倍频的非线性放大器（115）；压缩器模块（12）选用N个光栅压缩器（121）、N个色散补偿光纤压缩器（122）、N个棱镜压缩器（123）或N个棱栅压缩器（124）；

生成N路独立的连续激光

所述连续激光分束系统（20）由第二激光器（21）发射的激光束经过预放大器（22）放大，再由连续激光分束模块（23）分成功率相近的N路，并输出N路独立的连续激光至载波包络相位同步系统（30）；

其中，第二激光器（21）选用1030nm窄线宽连续激光器（211）或1550nm窄线宽连续激光器（212）；激光分束模块（23）选用光纤分束模块（231）或空间分束模块（232）；

生成N路载波包络相位同步的超短脉冲激光

所述载波包络相位同步系统（30）是将脉冲放大系统（10）和连续激光分束系统（20）一起输入的N路脉冲激光和N路独立的连续激光经光路拍频模块（31）进行拍频，再将N路拍频信号通过电路控制模块（32）反馈控制锁定，并输出N路载波包络相位同步的较高功率超短脉冲激光；

生成脉冲堆积放大的高功率超短脉冲激光

所述平衡光学互相关脉冲堆积放大系统（40）是将载波包络相位同步系统（30）的N路载波包络相位同步的较高功率超短脉冲激光输入脉冲激光合束模块（41）合束，通过平衡光学互相关探测模块（42）探测脉冲抖动，产生的脉冲抖动信号输至光学延时控制模块（43），最终输出脉冲堆积放大的高功率超短脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于载波包络相位系统（30）的光路拍频模块（31）由N个声光移频器（311）、N个合束镜（312）及N个光电探测模块（313）组成；电路控制模块（32）由N个第一电路滤波模块（321）、N个第一电路放大模块（322）、N-1个电路混频模块（323）、N-1个第二电路滤波模块（324）及N-1个第二电路放大模块（325）组成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于平衡光学互相关脉冲堆积放大系统（40）中的脉冲激光合束模块（41）由N-1个反射镜（411）、2N-2个二分之一波片（412）、N-1个偏振合束器（413）组成；平衡光学互相关探测模块（42）由N-1个1:1分束镜（421）、2N-2二分之一波片（422）及2N-2个光电探测模块（423）组成；光学延时控制模块（43）由N-1个电路处理模块（431）、N-1个光学延时驱动模块（432）及N-1个光学延时模块组成（433）。