CN106207737B - 一种激光整形脉冲获取装置及获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光整形脉冲获取装置及获取方法，属于激光设备技术领域，所述获取装置包括沿着激光信号传输方向通过光纤跳线依次连接的种子源、第一光调制器、至少一级放大器、至少一个声光开关和第二光调制器，还包括与第一光调制器、第二光调制器分别通过射频线连接的任意波形发生器，本发明采用电光调制技术级联两级光调制器的方式，光调制器的时间窗口由任意波形发生器产生的电脉冲精密调控，同时，放大器和声光开关配合使用，将建立于粒子数反转基础上的放大器产生的自发辐射噪声进行初步滤除，加之采用多级放大器来合理控制能流分布，显著提高输出激光整形脉冲的整形精度、对比度以及信噪比。

Description

一种激光整形脉冲获取装置及获取方法
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种激光整形脉冲获取装置及获取方法。
背景技术
在大型高功率激光装置中，对激光振荡种子源输出的连续激光信号进行精密整形是必不可少的一个环节。通过精密调整激光信号的形状，能够使其满足高密度等离子体物理、强场物理、“快点火”等不同领域的研究需要，其中，激光整形脉冲的对比度是一个非常重要的参数，尤其是在超强激光信号与靶物质相互作用中，在此过程中，激光整形脉冲的前沿首先照射到靶物质上，并产生预等离子体，它影响了具体的实验效果。此外，由于激光整形脉冲产生后需要继续在高功率激光装置的后续激光链路中传输、放大，由于多级放大器的增益饱和等非线性效应的影响，激光整形脉冲的对比度将不可避免的持续下降。因此，要求激光信号产生装置具备输出高对比度、高整形精度激光信号的能力。
随着研究的深入，研究人员利用高压泡克尔盒削波整形技术可以产生“0.5ns～5ns”的激光整形脉冲，该方法整形能力有限，并且需要数千伏的高压驱动，稳定性较差。研究人员利用脉宽较窄的皮秒级啁啾脉冲分束、延迟、衰减后堆积重组也可以产生纳秒级整形脉冲，该方法产生的整形脉冲调制效应明显，目前尚无良好的弥补措施。根据Brunton G,Erbert G,Browning D,et al.The shaping of a national ignition campaign pulsedwaveform[J].Fusion Engineering and Design,2012,87(12):1940-1944，美国NIF装置激光脉冲产生系统输出的激光脉冲的对比度为275：1，该对比度为现有技术能够达到的最大值。目前，激光脉冲产生系统多采用波导电光幅度调制器来对激光振荡源进行时域整形，采用单级幅度调制器可产生时域调节能力较强的激光整形脉冲，该方法产生的激光整形脉冲的对比度相对较低，其整形精度、对比度以及信噪比不足以支撑精密物理研究的需求。
发明内容
针对现有技术的种种不足，本申请的发明人采用多种激光信号整形方法后发现：在激光链路中采用电光调制技术级联两级光调制器，并且光调制器分别位于激光链路的首、末两端，光调制器的时间窗口可由任意波形发生器产生的电脉冲精密调控，同时，放大器和声光开关配合使用，将建立于粒子数反转基础上的放大器产生的自发辐射噪声进行初步滤除，加之采用多级放大器来合理控制能流分布，显著提高输出激光整形脉冲的整形精度、对比度以及信噪比。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光整形脉冲获取装置，包括发射连续激光信号的种子源，其特征在于：沿着激光信号传输方向通过光纤跳线依次连接有：
光调制器，包括第一光调制器和第二光调制器，用以调制激光信号的光强；
至少一级放大器，其位于上述两个光调制器之间，用以提升激光信号的能量；
至少一个声光开关，其位于放大器处，用以滤除经放大器提升能量的激光信号自发辐射噪声；
还包括任意波形发生器，按照工作时序先发出初始整形电脉冲并将其加载到第一光调制器，再发出二次整形电脉冲并将其加载到第二光调制器。
进一步，所述种子源、光调制器、放大器和声光开关均设置为模块插板结构，便于装置维护和集成安装调试。
进一步，所述种子源、光调制器和声光开关内部的无源传输光纤均为保偏无源光纤。
进一步，所述光调制器为幅度调制器，所述第一光调制器和第二光调制器分别通过射频线与任意波形发生器连接。
进一步，所述放大器为宽带光纤放大器，其依次设置为三个，降低多级放大器的增益饱和等非线性效应对激光信号的影响，宽带光纤放大器内部的增益光纤为保偏掺镱光纤。
进一步，相邻的放大器之间设置一个声光开关，所述声光开关共设为两个。
进一步，所述光纤跳线、光调制器、放大器和声光开关的输入及输出端、以及种子源的输出端均切8°斜角，以抑制端面反射。
另，本发明还提供一种激光整形脉冲的获取方法，包括如下步骤：
S1：种子源发射连续激光信号，所述激光信号经光纤跳线注入到第一光调制器中，任意波形发生器产生初始整形电脉冲并将其加载到第一光调制器，所述激光信号被调制为初始激光整形脉冲；
S2：所述初始激光整形脉冲首先注入放大器，进行能量提升，然后注入声光开关，滤除自发辐射噪声，最后经光纤跳线注入到第二光调制器中；
S3：任意波形发生器按照工作时序产生二次整形电脉冲，并将其加载到第二光调制器，所述初始激光整形脉冲调制为输出激光整形脉冲。
进一步，所述初始整形电脉冲与二次整形电脉冲的脉冲形状不同。
进一步，所述输出激光整形脉冲的最小脉冲宽度由任意波形发生器发出电脉冲的最短持续时间决定，其最大脉冲宽度由声光开关的时间窗口决定。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用电光调制技术级联两级光调制器的方式，光调制器在高精度电脉冲的驱动下，时间窗口调整精度与前后沿上升时间均可优于百皮秒，同时，将位于激光链路末端的光调制器作为激光信号的二次整形削波器件，可以将建立于粒子数反转基础上的放大器产生的自发辐射噪声滤除干净，显著提高输出激光整形脉冲的整形精度、对比度以及信噪比。
2、本发明中种子源、光调制器、放大器和声光开关均设置为模块插板结构，有利于装置维护和集成安装调试。
3、本发明采用全光纤化光路结构，激光信号沿光学链路柔性传输，性能可靠稳定。
4、本发明采用同一个任意波形发生器作为两级光调制器的电脉冲信号源，脉冲时间抖动小，易于实施整形操作。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是利用本发明输出的多台阶形激光整形脉冲；
图3是利用本发明输出的栅栏形激光整形脉冲；
图4是利用本发明输出的平顶形激光整形脉冲。
附图中：1-种子源、2-第一光调制器、3-放大器、4-声光开关、5-放大器、6-声光开关、7-放大器、8-第二光调制器、9-任意波形发生器、10-光纤跳线、11-射频线；
其中，图1中箭头表示激光信号传输方向，图2-4中横坐标表示时间，单位为ns，纵坐标表示相对强度。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种激光整形脉冲获取装置，沿着激光信号传输方向依次设置有种子源1、第一光调制器2、至少一级放大器、至少一个声光开关和第二光调制器8，种子源1用于发射一定功率的连续激光信号，第一光调制器2和第二光调制器8用以调制激光信号的光强，各光电器件之间通过光纤跳线10连接以形成光学链路，激光信号沿光学链路柔性传输，性能可靠稳定。
还包括任意波形发生器9，其按照工作时序先发出初始整形电脉冲并将其加载到第一光调制器2，初始整形电脉冲决定了激光信号的形状，并将激光信号调制为初始激光整形脉冲，任意波形发生器9再发出二次整形电脉冲并将其加载到第二光调制器8，对初始激光整形脉冲进行削波降噪，提升信噪比和对比度，任意波形发生器9通过射频线11分别与第一光调制器2、第二光调制器8连接，采用同一个任意波形发生器9作为两级幅度调制器的电脉冲信号源，脉冲时间抖动小，易于实施整形操作。
本实施例中，所述放大器为宽带光纤放大器，其依次包括放大器3、5和7，放大器内部的增益光纤为保偏掺镱光纤，用以提升激光信号的能量。放大器3和5之间、放大器5和7之间均设置一个声光开关，即共设为两个声光开关4和6，用以滤除经放大器3、5、7提升能量的激光信号自发辐射噪声。所述种子源1、第一光调制器2、第二光调制器8、声光开关4和6内部的无源传输光纤均为保偏无源光纤。为减小各光电器件内部光纤连接损耗以及反射现象，综合考虑性价比，本实施例中采用的保偏无源光纤和保偏掺镱光纤的纤芯直径均为6μm、包层直径均为125μm，为了抑制端面反射，所述光纤跳线10、第一光调制器2、第二光调制器8、放大器、声光开关4和6的输入及输出端、以及种子源1的输出端均切8°斜角，所述种子源1、第一光调制器2、第二光调制器8、放大器、声光开关4和6均设置为模块插板结构，有利于装置维护和集成安装调试，同时，上述各光电器件之间均采用高精度法兰对接，降低偏振模色散。
所述第一光调制器2、第二光调制器8均为幅度调制器，是基于马赫-曾德干涉仪型光强度调制器实现。在幅度调制器中，电脉冲注入和输出光强之间有着严格的对应关系，当在幅度调制器上施加一个沿时域变化的电脉冲时，输出光强在时域上也将发生相对应的变化。通过精密控制初始整形电脉冲、二次整形电脉冲的产生时间、幅度大小以及脉冲宽度，可以实现激光信号的时域精密整形输出。
实施例二：
利用实施例一中所述的激光整形脉冲获取装置来获取激光整形脉冲，包括如下步骤：
S1：种子源1发射中心波长为1053纳米，功率约为10毫瓦的连续激光信号，所述激光信号经光纤跳线10注入到第一光调制器2中，任意波形发生器9产生初始整形电脉冲并将其加载到第一光调制器2，所述激光信号被调制为初始激光整形脉冲；
S2：所述初始激光整形脉冲注入放大器3，进行一次能量提升，注入声光开关4，滤除一次能量提升后自发辐射噪声，注入放大器5，进行二次能量提升，注入声光开关6，滤除二次能量提升后自发辐射噪声，注入放大器7，进行三次能量提升，此时，初始激光整形脉冲的能量达到数十纳焦耳，最后初始激光整形脉冲经光纤跳线10注入到第二光调制器8中；
S3：任意波形发生器9按照工作时序产生二次整形电脉冲，并将其加载到第二光调制器8，所述初始激光整形脉冲调制为输出激光整形脉冲，此时，输出激光整形脉冲的能量可达十纳焦耳。
采用电光调制技术级联两级幅度调制器的方式，幅度调制器在高精度电脉冲的驱动下，时间窗口调整精度与前后沿上升时间均可优于百皮秒，同时，放大器3、5、7和声光开关4、6配合使用，将建立于粒子数反转基础上的放大器产生的自发辐射噪声进行初步滤除，防止激光信号的对比度、信噪比在传输过程中恶化，另外，为了降低激光信号在传输放大中的增益饱和等非线性现象，采用多级放大器来合理控制能流分布，优选为三级，显著提高了输出激光整形脉冲的整形精度、对比度以及信噪比。
所述初始整形电脉冲与二次整形电脉冲的脉冲形状不同，通过精密控制初始整形电脉冲、二次整形电脉冲的产生时间、幅度大小以及脉冲宽度，可以产生多台阶形、栅栏形和平顶形等不同形状的输出激光整形脉冲，分别如图2、图3和图4所示。
其中，图4所示平顶形输出激光整形脉冲的对比度大于2000：1，由
Figure GDA0003150637680000091
得出，该对比度高于现有技术的275：1数倍。所述输出激光整形脉冲的整形精度取决于任意波形发生器9的参数指标和光调制器的性能。本实施例中，任意波形发生器9的垂直幅度调节能力为2^10＝1024，水平调节分辨率为0.1ns。根据信噪比计算公式得出，
Figure GDA0003150637680000092
其中，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压幅度的有效值，而NIF装置的信噪比约为50dB。
所述输出激光整形脉冲的最小脉冲宽度由任意波形发生器9发出电脉冲的最短持续时间决定，其最大脉冲宽度由声光开关4、6的时间窗口决定，本实施例中，任意波形发生器9发出的电脉冲持续时间从0.1ns到5000ns连续可调，调整精度为0.1ns，声光开关4、6的时间窗口为45ns，最终输出0.1ns～45ns范围内连续可调的、高对比度、高信噪比和高整形精度的激光整形脉冲。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种激光整形脉冲获取装置，包括发射连续激光信号的种子源，其特征在于：还包括：
光调制器，包括第一光调制器和第二光调制器，用以调制激光信号的光强；
至少一级放大器，其位于两个光调制器之间，用以提升激光信号的能量；
至少一个声光开关，其位于放大器处，用以滤除经放大器提升能量的激光信号自发辐射噪声；
还包括任意波形发生器，按照工作时序先发出初始整形电脉冲并将其加载到第一光调制器，再发出二次整形电脉冲并将其加载到第二光调制器；
种子源发射连续激光信号，所述激光信号经光纤跳线注入到第一光调制器中，任意波形发生器产生初始整形电脉冲并将其加载到第一光调制器，所述激光信号被调制为初始激光整形脉冲，所述初始激光整形脉冲首先注入放大器，进行能量提升，然后注入声光开关，滤除自发辐射噪声，最后经光纤跳线注入到第二光调制器中，任意波形发生器按照工作时序产生二次整形电脉冲，并将其加载到第二光调制器，所述初始激光整形脉冲调制为输出激光整形脉冲，所述光调制器、放大器、声光开关通过光纤跳线依次连接；
所述初始整形电脉冲与二次整形电脉冲的脉冲形状不同，通过控制初始整形电脉冲、二次整形电脉冲的产生时间、幅度大小以及脉冲宽度，产生不同形状的输出激光整形脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：所述种子源、光调制器、放大器和声光开关均设置为模块插板结构。
3.根据权利要求1所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：所述种子源、光调制器和声光开关内部的无源传输光纤均为保偏无源光纤。
4.根据权利要求1所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：所述光调制器为幅度调制器，所述第一光调制器和第二光调制器分别通过射频线与任意波形发生器连接。
5.根据权利要求1所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：所述放大器为宽带光纤放大器，其设置为三个，其内部的增益光纤为保偏掺镱光纤。
6.根据权利要求5所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：相邻的放大器之间设置一个声光开关，所述声光开关共设为两个。
7.根据权利要求1所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：所述光纤跳线、光调制器、放大器和声光开关的输入及输出端、以及种子源的输出端均切8°斜角。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种激光整形脉冲获取装置，其特征在于：所述输出激光整形脉冲的最小脉冲宽度由任意波形发生器发出电脉冲的最短持续时间决定，其最大脉冲宽度由声光开关的时间窗口决定。
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