CN105914571A - 长短激光脉冲同步装置 - Google Patents

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Abstract

一种长短激光脉冲同步装置，适用于短激光脉冲与任意整形长激光脉冲之间的高精度时间同步，实现多路激光脉冲信号之间稳定的相对时间关系，短脉冲激光系统输出光由1×2分束器分束，分束得到的一束光依次通过光脉冲堆积器、高速光电管、快速比较器和宽带高速电放大器Ⅰ，输出的方波电信号经孔径耦合微带线整形板的整形与宽带高速电放大器Ⅱ的放大后，输入振幅调制器的射频输入端。同时，长脉冲激光器的输出光经过可调延迟器Ⅱ通入振幅调制器，振幅调制器输出整形光脉冲。整形光脉冲与短脉冲激光系统输出光脉冲间相对时间抖动为3.5ps(均方根，5小时)，重复频率可以达到MHz量级，本装置结构紧凑，工作可靠，成本低，易扩展。

Description

长短激光脉冲同步装置
技术领域
本发明涉及多路激光脉冲同步装置，具体是一种长短激光脉冲同步装置，主要适用于短激光脉冲与任意整形长激光脉冲之间的高精度时间同步，实现激光脉冲信号之间稳定的相对时间关系。其优点是脉冲间相对时间稳定性高，结构紧凑，工作稳定，光纤化，激光脉冲间长时间相对时间抖动为3.5ps(均方根，5小时)。
背景技术
在超短超强激光系统中，精确稳定的多路激光脉冲时间控制是一个重要技术，它对整个系统的可靠性和准确性有重要影响。如在长短脉冲联合驱动实验中，对探针光脉冲与主激光脉冲间的相对时间及其相对时间稳定性控制；在光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)中，对超短信号光与泵浦光的同步时间控制等均对脉冲之间的时间控制提出很高的要求。
激光脉冲的时间同步控制包括两个方面，一个是实现激光脉冲之间的高精度的相对延时，另一个是保证这个相对延时的稳定性，即将时间抖动控制到最小。纳秒精度激光同步触发系统中，利用信号同步器的输出电脉冲作为多路延时器的电触发信号(参见先技术[1]发明专利：多路激光脉冲同步触发装置，申请号200610025355.1)。因为信号同步器的输出电脉冲上升沿慢且幅度有限，触发过程中触发点会有纳秒量级的时间抖动。这种时间抖动使得多路激光脉冲信号间的相对时延稳定性限制在纳秒量级，不能满足更高精度的触发。基于光纤脉冲堆积实现任意长脉冲整形的长短脉冲时间同步的技术方案(参见先技术[2]发明专利：超短脉冲与任意整形长脉冲的同步装置)可以获得高精度的长短脉冲同步，但是其任意整形脉冲的整形信号来源于对超短啁啾脉冲的时间堆积，其应用领域局限于啁啾脉冲，这是因为只有啁啾脉冲的堆积才可以避免脉冲叠加处引入的干涉效应对整形波形的稳定性的影响。基于光纤脉冲堆积获得高精度同步触发信号，通过触发信号发生器产生高速方波，再通过孔径耦合带状线获得任意整形电信号的技术方案(参见先技术[3]发明专利：201010234882.X)可以适用于啁啾或者非啁啾的短脉冲与任意整形长脉冲同步，但是因为方案中需要使用高速的信号发生器，其重复频率只能在10KHz以内，并且信号发生器的触发过程会引入额外的时间抖动，限制了其同步精度的提升。
发明内容
本发明提供一种长短激光脉冲同步装置，克服了上述现有同步装置的不足，将两个激光系统的输出光之间相对时间稳定性提高到3.5ps量级。实现了全光纤化，结构紧凑，成本低，降低了光信号幅度变化对同步精度的影响。两个激光系统的输出激光脉冲间长时间相对时间抖动在3.5ps(均方根，5小时)。
本发明的技术解决方案如下：
一种长短激光脉冲同步装置，包括短脉冲激光系统、1×2分束器、光脉冲堆积器、高速光电管、快速比较器、宽带高速电放大器Ⅰ、孔径耦合微带线整形板、宽带高速电放大器Ⅱ、可调延迟器Ⅰ、长脉冲激光器、可调延迟器Ⅱ、振幅调制器构成，其中长脉冲激光器、孔径耦合微带线整形板、宽带高速电放大器Ⅱ、振幅调制器构成整形脉冲激光系统。上述部件的连接关系如下：短脉冲激光系统的输出端与1×2分束器输入端相连，1×2分束器的第一输出端与光脉冲堆积器相连，然后经高速光电管、快速比较器、宽带高速电放大器Ⅰ、孔径耦合微带线整形板、宽带高速电放大器Ⅱ与振幅调制器的射频输入端相连；1×2分束器的第二输出端与可调延时器Ⅰ相连；长脉冲激光器的输出端经过可调延迟器Ⅱ与振幅调制器的光信号输入端相连。
所述的短脉冲激光系统是皮秒锁模激光器，或者飞秒锁模激光器，或者是锁模激光器与选单、放大模块的组合激光系统。
所述的1×2分束器将短脉冲激光系统的输出光分出一束，通入光脉冲堆积器，光脉冲堆积器用来将短脉冲堆积得到上升沿不变的宽脉冲。光脉冲堆积器的结构是通过延时光纤串联起来的一系列2×2端口50：50光纤耦合器。光脉冲堆积器的第一级2×2端口50：50光纤耦合器对1×2分束器的一路输出光进行第一次分束。第一级2×2端口50：50光纤耦合器的两个输出端口通过两段不同长度的延时光纤与第二级2×2端口50：50光纤耦合器的两个输入端口相连。所述的两段不同长度的延时光纤给两路分束光提供不同的时间延迟，使两分束光在第二级2×2端口50：50光纤耦合器输入端合束时具有一定时间差，从而在第二级2×2端口50：50光纤耦合器的输出端得到两路分束光拼接起来的宽脉冲。对第二级2×2端口50：50光纤耦合器的两个输出端再次进行上述的延时和合束操作，输出的脉冲宽度进一步增加。最终经多次分束合束输出的宽脉冲上升沿与输入短脉冲的上升沿相同，而脉冲宽度等于多次各分束脉冲的宽度拼接之和。
由于分束光拼接、干涉效应和分束比误差的差别等原因，光脉冲堆积所得的宽脉冲顶部会带有很大的起伏。所述的高速光电管将光脉冲堆积器的输出光脉冲转化为相同波形的电脉冲，通入快速比较器。
所述的快速比较器，用来消除电脉冲信号顶部的起伏，将顶部带有剧烈起伏的信号转换为固定输出幅度的形状规则的方波信号。设置快速比较器的参考电平，使其低于高速光电管输出的电信号的顶部起伏的最低点。当高速光电管输出的电信号的幅度高于所述的快速比较器的参考电平时，快速比较器输出具有快速上升沿的高电平信号；当快速比较器输出快速上升沿的高电平信号后，不会因为高速光电管输出的电信号的幅度顶部的起伏而变为输出低电平信号，在输入电信号脉冲宽度内，快速比较器的输出均为平坦的高电平信号。仅当高速光电管输出的电信号的幅度低于参考电平时，所述的快速比较器才输出低电平信号。所以，快速比较器消除了入射电信号的顶部起伏，得到与高速光电管输出的电信号的宽度相近、具有快速上升沿的顶部平坦的电脉冲信号。使用宽带高速电放大器Ⅰ对快速比较器的输出电脉冲信号进行保真放大，获得数伏特量级的快前沿方波信号。
所述的宽带高速电放大器Ⅰ输出的方波电信号经过孔径耦合微带线整形板整形为整形电脉冲，整形电脉冲经宽带高速电放大器Ⅱ放大后输入振幅调制器的射频输入端。同时，所述的长脉冲激光器的输出光经过可调延迟器Ⅱ输入振幅调制器的光信号入端。调节可调延迟器Ⅱ的时间延迟，使得整形电脉冲通入振幅调制器时，长脉冲激光器的输出光脉冲通过振幅调制器。振幅调制器在整形电脉冲的作用下，将长脉冲激光器的输出光脉冲整形为与整形电脉冲相同波形的整形光脉冲。
所述的振幅调制器输出的整形光脉冲与短脉冲激光系统的输出光之间有皮秒量级的相对时间稳定性，实现了整形脉冲激光系统和短脉冲激光系统两个激光系统输出光之间的稳定同步。可调延迟器可用于调节上述两个激光系统输出光之间的时间延迟。
本发明的优点在于：
1、实现了两个激光系统输出光之间的稳定同步，将两个激光系统输出光之间的相对时间抖动降低到了皮秒量级，且系统易于扩展，可实现多个激光系统输出光之间的稳定同步；
2、本发明使用全光纤化的紧凑结构获得了具有百皮秒量级快速上升沿、纳秒宽度与足够强度的电信号，直接通入整形板整形，无需使用信号发生器，避免了信号发生器触发过程引入的时间抖动，进一步提高了同步精度及稳定性，同时避免了信号发生器带来的重复频率的限制；
3、本发明使用快速比较器对电信号进行整形，获得了百皮秒量级的快速上升沿，并且快速比较器输出的高电平幅度与入射电脉冲幅度无关，从而避免了光信号幅度起伏对同步过程的影响；
4、调节方便，工作稳定，同步精度高。
附图说明
图1是本发明的长短激光脉冲同步装置的线路示意图。
图2是本发明的光脉冲堆积器结构示意图。
图中：
1－短脉冲激光系统；2－1×2分束器；3－光脉冲堆积器；4－高速光电管；5－快速比较器；6－宽带高速电放大器Ⅰ；7－孔径耦合微带线整形板；8－宽带高速电放大器Ⅱ；9－可调延迟器Ⅰ；10－长脉冲激光器；11－可调延迟器Ⅱ；12－振幅调制器；13－整形脉冲激光系统；14-19－2×2端口50:50光纤耦合器；20-29－延时光纤。
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。
请先参阅图1，图1为本发明的长短激光脉冲同步装置的线路示意图。本发明长短激光脉冲同步装置由短脉冲激光系统1、1×2分束器2、光脉冲堆积器3、高速光电管4、快速比较器5、宽带高速电放大器Ⅰ6、孔径耦合微带线整形板7、宽带高速电放大器Ⅱ8、可调延迟器Ⅰ9、长脉冲激光器10、可调延迟器Ⅱ11、振幅调制器12组成。短脉冲激光系统1输出为飞秒锁模激光器经展宽、选单、放大得到的脉宽140ps、重复频率1Hz的光脉冲信号。此光脉冲信号经过1×2分束器2分束，分出的一束光通入光脉冲堆积器3。如图2所示，光脉冲堆积器3使用6个2×2端口50:50光纤耦合器14-19，设置延时光纤20-29的长度，使相邻脉冲的间隔约为170ps,拼接堆积得到脉宽5.5ns，上升沿小于100ps的堆积光脉冲信号，堆积光脉冲信号顶部波形起伏很大，这是由光脉冲堆积过程中的干涉效应及2×2端口50:50光纤耦合器14-19的分束比有偏差引起的。高速光电管4将堆积光脉冲波形转换为相应的电波形，输入快速比较器5。恰当设置快速比较器5的参考电平，并由宽带高速电放大器Ⅰ6放大其输出信号，得到幅值5V，快上升沿的方波电信号，输入孔径耦合微带线整形板7，得到整形后的电信号，经宽带高速电放大器Ⅱ放大后输入振幅调制器12的射频输入端。长脉冲激光器10输出200ns脉宽的激光脉冲经过可调延迟器Ⅱ11的适当延迟输入振幅调制器12，振幅调制器12将此200ns的脉冲整形为与整形电脉冲相同波形的纳秒整形光脉冲。实现了短脉冲激光系统与纳秒整形激光系统的输出光之间的相对时间稳定控制。
使用光电探测器与示波器测量上述系统的同步效果，短脉冲激光系统1的输出光与振幅调制器12输出的纳秒整形光脉冲之间的相对时间抖动为3.5ps(均方根，5小时)。

Claims (5)

1.一种长短激光脉冲同步装置，其特征在于，包括短脉冲激光系统(1)、1×2分束器(2)、光脉冲堆积器(3)、高速光电管(4)、快速比较器(5)、宽带高速电放大器Ⅰ(6)、孔径耦合微带线整形板(7)、宽带高速电放大器Ⅱ(8)、可调延迟器Ⅰ(9)、长脉冲激光器(10)、可调延迟器Ⅱ(11)和振幅调制器(12)；
所述的短脉冲激光系统(1)的输出光由1×2分束器(2)分束，分出的其中一束光通过可调延迟器Ⅰ(9)输出，分出的另一束光经光脉冲堆积器(3)，射入高速光电管(4)，该高速光电管(4)将输入光转化为具有相同形状的电信号输出，该高速光电管(4)的输出端依次经所述的快速比较器(5)、宽带高速电放大器Ⅰ(6)、孔径耦合微带线整形板(7)、宽带高速电放大器Ⅱ(8)和振幅调制器(12)的射频输入端相连；
所述的长脉冲激光器(10)的输出光经可调延迟器Ⅱ(11)射入振幅调制器(12)，该振幅调制器(12)输出整形光脉冲。
2.根据权利要求1的一种长短激光脉冲同步装置，其特征在于短脉冲激光系统(1)是皮秒锁模激光器、飞秒锁模激光器或锁模激光器与选单、放大模块的组合激光系统。
3.根据权利要求1的一种长短激光脉冲同步装置，其特征在于光脉冲堆积器(3)是通过延时光纤串联起来的多级2×2端口50：50光纤耦合器，第一级2×2端口50：50光纤耦合器对1×2分束器的一路输出光进行第一次分束，第一级2×2端口50：50光纤耦合器的两个输出端口通过两段不同长度的延时光纤与第二级2×2端口50：50光纤耦合器的两个输入端口相连，以此类推，直至最后一级2×2端口50：50光纤耦合器的一个输出端口与高速光电管(4)的输入端口相连。
4.根据权利要求1的一种长短激光脉冲同步装置，其特征在于宽带高速电放大器Ⅰ(6)与宽带高速电放大器Ⅱ(8)分别用于对快速比较器(5)和孔径耦合微带线整形板(7)的输出信号进行放大，使作用于振幅调制器(12)的调制信号幅值足够达到振幅调制器(12)的半波电压。
5.根据权利要求1的一种长短激光脉冲同步装置，其特征在于长脉冲激光器(10)是输出纳秒脉冲宽度或者微秒脉冲宽度激光脉冲的激光器或者激光系统。
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