CN106229802B - 一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置 - Google Patents

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Abstract

一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，包括：猝发脉冲激光信号源，输出猝发脉冲激光信号；光纤放大器，对所述猝发脉冲激光信号进行放大，输出放大猝发脉冲激光信号；以及任意脉冲发生系统控制所述猝发脉冲激光信号源及所述光纤放大器，使得所述放大猝发脉冲激光信号的时域形貌与所述的猝发脉冲激光信号的时域形貌相同。

Description

一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置
技术领域
本发明涉及猝发脉冲激光技术领域，涉及一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置。
背景技术
猝发脉冲是指时域上具有一定脉冲包络形貌，包络内部脉冲数目可调的脉冲序列。这种光脉冲呈现两种重复频率，即包络内超短脉冲的高重复频率(MHz～GHz)和脉冲包络间的低重复频率。与普通超快脉冲串相比，脉冲能量为包络内部所有脉冲能量的总和，因此增加脉冲能量可以通过调节包络内脉冲个数实现，有效避免高峰值功率带来的不利因素，可以同时兼顾高脉冲能量和低重复频率两种特点。脉冲包络重复频率维持较低水平，可以有效缓解激光器本身热负载；两种重复频率的共存还可以反映更为复杂的瞬态信息。猝发脉冲可以应用于控制薄膜的形态进行化学沉积，高能量的猝发脉冲应用于军事等领域的研究也在不断展开：比如汤姆逊散射实验、光声显微、核加速器、激光雷达等。因此，猝发脉冲技术一直是激光领域的研究热点。
尤其是近几年超快激光和光纤激光技术的高速发展，高功率超快激光猝发脉冲成为超快激光技术领域重要的发展方向。但是，由于光纤芯径细，纤芯内功率密度高，光纤内部能量分布、反转粒子数分布的不均匀性，猝发脉冲包络内的各个脉冲能量并不能获得均等增益，实现同等程度的放大，高能量运转时，导致猝发脉冲在放大过程中整个脉冲包络产生畸变。主要体现在脉冲包络内部的脉冲能量分布发生变化，猝发脉冲信号光和放大光之间的形貌失真和不匹配。这种畸变行为的发生，会导致放大后的猝发脉冲包络形貌发生畸变，输出脉冲形貌是不可控的，具有很大随意性，不能获得预期时域形貌的脉冲。这个问题对后期的精细加工、高速成像和流场探测等会导致热效应控制失效、信号失真等诸多问题，给整个激光器的设计和使用带来困难。
论文“Fiber amplification of pulse bursts up to 20μJ pulse energy at1kHz repetition rate，”Opt.Lett.，vol.36，no.17，pp.3383-3385，2011，观察到畸变行为的产生，但是由于近两年新兴技术，对于猝发脉冲的畸变特性没有有效的控制方法，文中并未对时域形貌加以控制。本领域急需一种技术有效控制猝发脉冲时域形貌，根据不同的应用需求，实现不同时域形貌分布的猝发脉冲，并且确保放大光时域脉冲包络与信号光保持一致。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，包括：猝发脉冲激光信号源，输出猝发脉冲激光信号；光纤放大器，对所述猝发脉冲激光信号进行放大，输出放大猝发脉冲激光信号；以及任意脉冲发生系统控制所述猝发脉冲激光信号源及所述光纤放大器，使得所述放大猝发脉冲激光信号的时域形貌与所述的猝发脉冲激光信号的时域形貌相同。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置包括猝发脉冲激光信号源、光纤预放大器、光纤放大器及任意脉冲发生系统，任意脉冲发生系统控制放大后的猝发脉冲激光的时域形貌保持不变。
(2)光纤预放大器、光纤放大器设置光隔离器方式泵浦激光和放大的猝发脉冲激光反向输出。
(3)任意脉冲发生系统包括三个任意脉冲发生器分别调制猝发脉冲激光信号源、光纤预放大器中的泵浦源和光纤放大器中的泵浦源，调节猝发脉冲激光的包络形貌。
(4)任意脉冲发生系统中还包括控制装置用于控制三个任意脉冲发生器来实现调制。
附图说明
图1是本发明实施例中时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置的结构示意图；
图2是图1中信号源脉冲与光纤放大脉冲为方波形猝发脉冲时域形貌的波形图；
图3是图1中信号源脉冲与光纤放大脉冲为高斯形猝发脉冲时域形貌的波形图；
图4是图1中信号源脉冲与光纤放大脉冲为斜线形猝发脉冲时域形貌的波形图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
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。
本发明提供一种时域形貌可控的猝发脉冲激光光纤放大装置。可以在不引入任何声光控制器件的前提下，根据不同形貌猝发脉冲激光的需要，联合控制猝发脉冲激光信号源、光纤放大器泵浦脉冲的形貌，用以补充放大过程中形成的脉冲畸变，实现无畸变的猝发脉冲激光光纤放大，弥补现有技术不能控制猝发脉冲时域形貌的不足，可以实现任意可控时域包络形貌的猝发脉冲的放大输出。
具体的，如图1所示，时域形貌可控的猝发脉冲激光光纤放大装置包括猝发脉冲激光信号源11、光纤预放大器12、光纤主放大器13及任意脉冲发生系统14。任意脉冲发生系统的三个任意脉冲发生器分别调制猝发脉冲激光信号源11、光纤预放大器中的泵浦源和光纤放大器中的泵浦源，调节输出的放大猝发脉冲激光的包络形貌。
具体的，猝发脉冲激光信号源11采用半导体超快激光器，波长1064nm，脉冲宽度为10～100ps，输出功率10～100mW，半导体超快激光器的电源可采用任意脉冲发生器进行调制，可根据需求输出不同包络形貌的猝发脉冲，猝发脉冲包络形貌可以为高斯形、方波或者斜线形等，其猝发脉冲包络的宽度为μs～ms量级，包络内脉冲个数可以调节，调节范围10～10000个，整个猝发脉冲的重复频率为1～30kHz。波长为1064nm，包络内各个脉冲的脉冲宽度为1ps～100ps可调。
光纤预放大器12包括隔离器121及增益光纤122，及泵浦器123，隔离器121用于防止经过预放大器12放大后的预放大猝发脉冲激光信号和泵浦器123发射的泵浦光反向进入猝发脉冲激光信号源11，避免对猝发脉冲激光信号源11发出的猝发脉冲激光信号造成影响。
光纤预放大器12的增益光纤122为有源光纤122，其掺杂可以是掺Yb，掺Nd，掺Er，掺Tm或者其中两者共掺。增益光纤122的具体参数如下：芯径为6～15μm，包层直径100～200μm，Yb3+掺杂浓度为10～200dB/m，光纤长度2～10m，泵浦方式为正向/倒向泵浦，由泵浦源123泵浦，对猝发脉冲激光信号进行预放大。经过光纤预放大器12之后的猝发脉冲激光信号获得功率放大，放大后得到的预放大猝发脉冲激光信号参数为：波长1064nm，脉冲宽度为10～100ps，猝发脉冲包络形貌可以为高斯形，其猝发脉冲包络的宽度为μs～ms量级，包络内脉冲个数可以调节，调节范围10～10000个，整个猝发脉冲的重复频率为1～30kHz。波长为1064nm，包络内各个脉冲的脉冲宽度为1ps～100ps可调，光纤预放大器12的输出功率1～5W。
光纤放大器13包括隔离器131及增益光纤132，及泵浦器133，隔离器131用于防止经光纤放大器13放大后的放大猝发脉冲激光信号和泵浦源133发射的泵浦光反向进入光纤预放大器12。
光纤放大器13的增益光纤132为有源光纤32，其掺杂可以是掺Yb，掺Nd，掺Er，掺Tm或者其中两者共掺。光纤主放大器13的增益光纤参数：芯径，20～40μm，包层直径200～600μm，Yb3+掺杂浓度3～10dB/m，光纤长度2～10m。泵浦方式为正向/倒向泵浦，由泵浦器133泵浦，对预放大猝发脉冲激光信号进行放大。经过光纤放大器之后，预放大猝发脉冲激光信号获得功率放大，放大后的放大猝发脉冲激光信号参数为：波长1064nm，脉冲宽度为～20ps，猝发脉冲包络形貌可以为高斯形、平顶高斯形和方波，其猝发脉冲包络的宽度为μs～ms量级，包络内脉冲个数可以调节，调节范围10～10000个，整个猝发脉冲的重复频率为1～30kHz。波长为1064nm，包络内各个脉冲的脉冲宽度为1ps～100ps可调。主放大器13的输出功率为50～100W，波长为1064nm。
任意脉冲发生系统包括控制装置141、第一任意脉冲发生器142、第二任意脉冲发生器143和第三任意脉冲发生器144。控制装置141用于控制第一任意脉冲发生器142、第二任意脉冲发生器143和第三任意脉冲发生器144输出信号。第一任意脉冲发生器142、第二任意脉冲发生器143和第三任意脉冲发生器144分别调制猝发脉冲激光信号源、光纤预放大器12中的泵浦器123和光纤放大器13中的泵浦器133，使得放大猝发脉冲激光信号的时域包络形貌与猝发脉冲激光信号源11发出的猝发脉冲激光信号保持一致，控制装置141优选采用可编程控制电路。
本实施例中的时域形貌可控的猝发脉冲激光光纤放大装置具体工作过程如下，本实施例以高斯形的脉冲信号为例进行说明：控制装置141给出电信号指令至第一任意脉冲发生器142使其开始工作，调节第一任意脉冲发生器142输出包络形貌为高斯形的第一控制信号，第一任意脉冲发生器142将高斯形的第一控制信号发送至猝发脉冲激光信号源11，使得猝发脉冲激光信号源11输出时域脉冲包络为高斯形的猝发脉冲激光信号。猝发脉冲激光信号源11输出的猝发脉冲激光信号耦合进入光纤预放大器12，控制装置141给出电信号指令至第二任意脉冲发生器143使其进入工作状态，第二任意脉冲发生器143给出具有包络形貌的第二控制信号至光纤预放大器12的泵浦器123，泵浦器123的输出功率耦合进入光纤预放大器12增益光纤122，光纤预放大器12输出预放大后的预放大猝发脉冲激光信号，通过示波器等对预放大猝发脉冲激光信号进行探测，若其时域包络形貌与猝发脉冲激光信号不同，则调节第二任意脉冲发生器143输出的第二控制信号的包络形貌，控制光纤预放大器12的泵浦器123，确保经过光纤预放大器12之后的预放大猝发脉冲激光信号与猝发脉冲激光信号源11输出的猝发脉冲激光信号时域包络形貌一致，同样为高斯形包络脉冲；光纤预放大器12输出的预放大猝发脉冲激光信号耦合进入光纤主放大器13，控制装置141给出电信号指令至第三任意脉冲发生器144使其开始工作，第三任意脉冲发生器144给出具有包络形貌的第三控制信号至光纤放大器13泵浦器133，泵浦器133的输出功率耦合进入增益光纤132，光纤放大器13输出放大后的放大猝发脉冲激光信号，通过示波器等对放大猝发脉冲激光信号进行探测，若其时域包络形貌与猝发脉冲激光信号不同则调节第三任意脉冲发生器144输出的第三控制信号的包络形貌，控制光纤放大器13的泵浦器146，确保经过预放大器之后的脉冲与信号源11的时域包络形貌一致，同样为高斯形包络脉冲，从而获得无时域形貌畸变的放大的猝发脉冲输出。
上述调节第一任意脉冲发生器142、第二任意脉冲发生器142及第三任意脉冲发生器142输出具有包络形貌的第一至第三控制信号，是通过控制装置141自动调节或人工手动调节的。
本领域技术人员应当理解，本发明中的保护范围并不限于实施例中具体描述，本发明中猝发脉冲激光信号源11，可以是半导体激光器激光源，也可以是固体激光源，还可以是光纤激光器信号源。
本发明中猝发脉冲激光信号源11，其猝发脉冲激光信号包络的形貌任意可调，可以是高斯形、方波或者斜线形，还可以是其他任意形貌的脉冲包络，利用本发明的时域形貌可控的猝发脉冲激光光纤放大装置，可获得与猝发脉冲激光信号源11形貌保持一致的放大的猝发脉冲激光输出，图2示出了时域形貌为方波形包络猝发脉冲，其中21为猝发脉冲激光信号，22为放大猝发脉冲激光信号，图3示出了时域形貌为高斯形包络猝发脉冲，其中31为猝发脉冲激光信号，32为放大猝发脉冲激光信号，图4示出了时域形貌为斜线形包络猝发脉冲，其中41为猝发脉冲激光信号，42为放大猝发脉冲激光信号。
本发明中猝发脉冲激光信号源11，其猝发脉冲包络的宽度为μs～ms量级，包络内脉冲个数可以调节，调节范围10～10000个，包络内脉冲的脉宽可以是皮秒、飞秒和纳秒量级。
本发明中猝发脉冲激光信号源11并不限于实施例中，根据信号源增益介质的不同，其输出波长可以是1064nm、1550nm还可以是2μm。
本发明中光纤预放大器12和光纤主放大器13，预放大级可以是一级，也可以是多级，主放大器可以是一级也可以是多级，另外根据成本考虑，光纤预放大器12可以省略，此时任意脉冲发生系统14中的第二任意脉冲发生器143亦可以省略。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
实施例中提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。
实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
本发明中的可编程控制电路可以CPU来代替。
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，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 (9)

1.一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于，包括：
猝发脉冲激光信号源(11)，输出猝发脉冲激光信号；
光纤预放大器(12)，对所述猝发脉冲激光信号进行预放大，输出预放大猝发脉冲激光信号；
光纤放大器(13)，对所述预放大猝发脉冲激光信号进行放大，输出放大猝发脉冲激光信号；以及
任意脉冲发生系统(14)控制所述猝发脉冲激光信号源(11)、所述光纤预放大器(12)及所述光纤放大器(13)，使得所述放大猝发脉冲激光信号的时域形貌与所述的猝发脉冲激光信号的时域形貌相同。
2.根据权利要求1所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于，所述光纤预放大器(12)包括：
第一增益光纤，用于对所述的猝发脉冲激光信号进行放大；
第一泵浦器，用于提供第一泵浦光耦合至所述第一增益光纤；以及
第一隔离器，设置在所述第一增益光纤和第一泵浦器前，用于防止所述第一泵浦光和所述预放大猝发脉冲激光信号反向进入所述猝发脉冲激光信号源(11)。
3.根据权利要求2所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于，所述光纤放大器(13)包括：
第二增益光纤，用于对所述的预放大猝发脉冲激光信号进行放大；
第二泵浦器，用于提供第二泵浦光耦合至所述第二增益光纤；以及
第二隔离器，设置在所述第二增益光纤和第二泵浦器前，用于防止所述第二泵浦光和所述放大猝发脉冲激光信号反向进入所述光纤预放大器(12)。
4.根据权利要求3所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于，任意脉冲发生系统(14)包括：
第一任意脉冲发生器(142)，用于调制所述猝发脉冲激光信号源(11)；
第二任意脉冲发生器(143)，用于调制所述光纤预放大器(12)中的所述第一泵浦器；
第三任意脉冲发生器(144)，用于调制所述光纤放大器(13)中的所述第二泵浦器；以及
控制装置(141),用于分别控制所述第一任意脉冲发生器(142)、第二任意脉冲发生器(143)及第三任意脉冲发生器(144)。
5.根据权利要求4所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于：
所述第一任意脉冲发生器(142)调制所述猝发脉冲激光信号源(11)输出预定时域形貌猝发脉冲激光信号；
光纤预放大器(12)对所述预定时域形貌猝发脉冲激光信号进行预放大，调节所述第二任意脉冲发生器(143)调制所述光纤预放大器(12)中的所述第一泵浦器，使得所述光纤预放大器(12)输出的预放大猝发脉冲激光信号具有所述预定时域形貌；
光纤放大器(13)对具有所述预定时域形貌的预放大猝发脉冲激光信号进行放大，调节所述第三任意脉冲发生器(144)调制所述光纤放大器(13)中的所述第二泵浦器，使得所述光纤放大器(13)输出的放大猝发脉冲激光信号具有所述预定时域形貌。
6.根据权利要求5所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于：所述预定时域形貌为高斯形、方波或者斜线形。
7.根据权利要求5所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，其特征在于：所述第一任意脉冲发生器(142)、第二任意脉冲发生器(143)、及第三任意脉冲发生器(144)的调节由所述控制装置(141)调节或采用人工调节。
8.根据权利要求1所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，所述猝发脉冲激光信号源(11)为半导体超快激光器。
9.根据权利要求1所述一种时域形貌可控的猝发脉冲光纤放大装置，所述的光纤预放大器(12)和/或所述光纤放大器(13)为一级放大器或多级放大器。
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