CN108037597A - 一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大系统。可调谐啁啾布拉格体光栅包括具有通光孔的电声换能器、耦合介质、声光晶体、吸声装置和电压信号可调的可编程电源。耦合介质将电声换能器根据可编程电源施加的电压信号产生机械波耦合至声光晶体内，机械波在声光晶体传播时，声光晶体折射率发生周期性变化形成类似啁啾布拉格体光栅的超声光栅，当激光通过电声换能器和耦合介质入射至声光晶体时产生声光效应，吸声装置吸收机械波，使机械波在声光晶体内部形成行波。本申请提供的可调谐啁啾布拉格体光栅作为啁啾脉冲放大系统的压缩器，实现了色散量可调谐，提高了系统的稳定性，还有效的解决了整个系统色散量无法精确补偿的问题。

Description

一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大系统

技术领域

本发明实施例涉及光栅制造技术领域，特别是涉及一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大系统。

背景技术

随着激光技术的快速发展，超快激光也逐渐被应用到各个领域，超快光纤激光器以其独特的优势，成为超快现象研究和激光冷加工的宠儿。啁啾脉冲放大系统为目前实现大功率超快光纤激光器比较常用的一种技术手段。

现有技术中，一般采用光栅对作为压缩器来补偿啁啾脉冲放大系统色散，但是，光栅对的色散调谐精度不高、光路搭建比较困难、且光栅对的间距较大导致光路较长、影响整个系统的稳定性。

鉴于此，如何提供一种稳定性好、色散量可调谐的压缩器来替代传统的光栅对，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大系统，色散量可调谐，作为啁啾脉冲放大系统的压缩器，不仅系统稳定性好，还有效的解决了整个系统色散量无法精确补偿的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种可调谐啁啾布拉格体光栅，包括：

电声换能器、耦合介质、声光晶体、吸声装置和电压信号可调的可编程电源；

所述电声换能器具有第一通光孔，以使入射激光经所述电声换能器和所述耦合介质入射至所述声光晶体内；所述电声换能器根据施加的电压信号产生机械波；

所述耦合介质分别与所述电声换能器和所述声光晶体相连，用于将所述电声换能器产生的机械波耦合至所述声光晶体内；

所述机械波在所述声光晶体传播时，所述声光晶体折射率发生周期性变化形成超声光栅，以使所述入射激光通过所述超声光栅时发生衍射；

所述吸声装置用于吸收穿出所述声光晶体的机械波，以使所述机械波在所述声光晶体内部形成行波；

所述可编程电源与所述电声换能器相连，用于根据所需色散量为所述电声换能器提供与入射激光同步的电压信号。

可选的，所述电声换能器为圆环形电声换能器。

可选的，所述电声换能器为压电陶瓷。

可选的，所述电声换能器的响应时间不大于1微秒。

可选的，所述耦合介质与所述入射激光的波段范围相配，以使所述入射激光穿过所述耦合介质入射至所述声光晶体内部；

所述耦合介质对所述入射激光的透过率不小于80％，或所述耦合介质对所述入射激光的损耗不大于1dB。

可选的，所述耦合介质具有第二通光孔，所述第二通光孔与所述第一通光孔的中心位于同一条直线上，以使入射激光经所述电声换能器和所述耦合介质入射至所述声光晶体内。

可选的，所述吸声装置还包括：

激光防护装置，用于阻断所述声光晶体中出射的激光入射至所述吸收装置。

可选的，所述吸声装置还包括散热装置。

可选的，所述声光晶体对所述入射激光的损耗不大于1dB。

本发明实施例另一方面提供了一种啁啾脉冲放大系统，包括如前任意一项所述可调谐啁啾布拉格体光栅，所述可调谐啁啾布拉格体光栅作为啁啾脉冲放大系统的压缩器。

本发明实施例提供了一种可调谐啁啾布拉格体光栅，包括电声换能器、耦合介质、声光晶体、吸声装置和电压信号可调的可编程电源。电声换能器具有第一通光孔，以使入射激光经电声换能器和耦合介质入射至声光晶体内；电声换能器根据施加的电压信号产生机械波；耦合介质分别与电声换能器和声光晶体相连，用于将电声换能器产生的机械波耦合至声光晶体内；机械波在声光晶体传播时，声光晶体折射率发生周期性变化形成超声光栅，以使入射激光通过超声光栅时发生衍射；吸声装置用于吸收机械波，以使机械波在声光晶体内部形成行波；可编程电源与电声换能器相连，用于根据所需色散量为电声换能器提供与入射激光信号同步的电压信号。

本申请提供的技术方案的优点在于，基于声光调制，超声波在声光晶体中传播时，声光晶体折射率发生周期性变化形成类似啁啾布拉格体光栅的超声光栅，通过改变施加在电声换能器上的电压信号，改变啁啾布拉格体光栅的周期性结构，实现了光栅色散量的调谐，适用范围广且易于调节，解决了传统体光栅受温度影响，色散量无法调谐等问题；还解决了光栅对色散调谐精度不高、光路搭建比较困难、光栅对的间距较大导致光路较长的问题；作为啁啾脉冲放大系统的压缩器时，有利于提高整个啁啾脉冲放大系统的稳定性，提高了系统色散量补偿的精确度。

此外，本发明实施例还针对可调谐啁啾布拉格体光栅提供了相对应的使用系统，进一步使得所述可调谐啁啾布拉格体光栅具有可行性，所述啁啾脉冲放大系统具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的可调谐啁啾布拉格体光栅的一种具体实施方式结构框图；

图2为本发明实施例提供的可调谐啁啾布拉格体光栅的另一种具体实施方式结构框图；

图3为本发明实施例提供的可调谐啁啾布拉格体光栅的再一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先请参见图1，图1为本发明实施例提供的可调谐啁啾布拉格体光栅在一种具体实施方式下的结构框图，本发明实施例可包括以下内容：

可调谐啁啾布拉格体光栅可包括电声换能器1、耦合介质2、声光晶体3、吸声装置4和电压信号可调的可编程电源5。

电声换能器1为将电(声)信号能量转换成相应的声(电)信号能量的器件。对于将电能转换成声能的换能器，具体过程可为将电信号转换成机械振动，然后由机械振动产生声波。

电声换能器1分别与可编程电源5和耦合介质2相连，根据可编程电源5施加的电压信号产生机械波，通过调节可编程电压5的输出电压强度和波形，改变产生机械波的波长、频率及振幅，进而改变声光晶体5形成的超声光栅的周期性结构。

电声换能器1具有第一通光孔结构，使入射激光经电声换能器和耦合介质入射至声光晶体内。第一通光孔可设置在电声换能器1中心，也可设置在其他位置。

电声换能器1可为任何结构，例如圆柱形、正方体、长方体，这均不影响本申请的实现。在一种具体的实施方式中，电声换能器1可为通光孔径为1cm的圆环形电声换能器，当然，通光孔的直径可为任何值，本申请对此不做任何限定。

电声换能器1可为任何一种可将电信号和声信号进行转化的功能性材料制备的器件，优选的，电声换能器1可为压电陶瓷，例如PZT压电陶瓷，当然也可为其他体系的压电陶瓷，这均不影响本申请的实现。

为了提高整个系统的工作效率，电声换能器1的响应时间不大于1微秒。

耦合介质2分别与电声换能器1和声光晶体3相连，可将电声换能器1产生的机械波耦合至声光晶体3内，耦合介质3可将电声换能器1和声光晶体3结合，减少机械波的损耗。

入射激光通过耦合介质2与电声换能器1，入射至声光晶体3内。

在一种实施方式中，耦合介质2透光，即入射激光可穿过耦合介质2，此时，耦合介质2需与入射激光的波段范围相配，以使入射激光穿过耦合介质入射至声光晶体内部。为了避免激光入射至声光晶体形成的超声光栅时，损失的光能量较多，尽可能减少光穿过耦合介质2的损耗，耦合介质2对入射激光的透过率可不小于80％，或者耦合介质2对入射激光的损耗不大于1dB。

在另外一种实施方式下，耦合介质2可具有第二通光孔，即此时耦合介质2可为不透光材料制备，为了提高入射至声光晶体3光通量，避免入射激光的损耗，第二通光孔可与第一通光孔的中心位于同一条直线上，以使入射激光经电声换能器1和耦合介质2入射至声光晶体3内。

声光晶体4的晶体材料体系可为任何一种，例如钼酸铅(PbMoO₄)、钼酸二铅(Pb₂MoO₅)、二氧化碲(TeO₂)、锗钒酸铅、硫化汞、氯化亚汞等，本申请对此不做任何限定。

电声换能器1产生的机械波在声光晶体4传播时，在声光晶体4中形成波长渐变的超声波，声光晶体4内产生弹性应力，声光晶体4在超声波的作用下折射率发生周期性变化形成类似啁啾布拉格体光栅的超声光栅。

入射激光通过形成超声光栅的声光晶体4时，将产生声光的相互作用，产生声光效应。具体的，超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象。

波长满足布拉格反射条件的激光会在啁啾布拉格体光栅中原路返回，由于不同波长反射的位置不同而造成延时差，进而改变入射激光的色散量，通过调节电声换能器1上的电压，改变机械波周期的变化斜率，进而实现了色散量的调谐。

由于声光效应(弹光效应)，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。

为了使得激光入射至超声光栅时，尽可能的减少光穿过声光晶体3的损耗，声光晶体3对入射激光的损耗不大于1dB，或者声光晶体3对入射激光的透过率可不小于80％。

吸声装置4与声光晶体3相连，用于吸收穿出声光晶体3的机械波，以使机械波在声光晶体3内部形成行波，也就是说，在声光晶体3中形成波长渐变的超声波之后被吸声装置4吸收。

可编程电源5与电声换能器1相连，用于根据所需色散量为电声换能器1提供与入射激光同步的电压信号。

可编程电源5可根据实际的需求输出各种不同形状的电压波形。

采用可变电压的可编程电源，可以根据实际色散量需求而施加相应的电压，故超声光栅的适用范围比较广且易于调节。

电压信号需要与入射激光(光信号)同步，即由于光传播速度要远远大于声音的传播速度，而光需要入射至形成的超声光栅上，所以需要计算入射激光与施加电压信息的时间差，使得入射激光入射至声光晶体3时，声光晶体3已经在超声波的作用下形成超声光栅，即当入射激光进入声光晶体3后，可将超声波形成的光栅近似看成是静止的。

在本发明实施例提供的技术方案中，基于声光调制，超声波在声光晶体中传播时，声光晶体折射率发生周期性变化形成类似啁啾布拉格体光栅的超声光栅，通过改变施加在电声换能器上的电压信号，改变啁啾布拉格体光栅的周期性结构，实现了光栅色散量的调谐，适用范围广且易于调节，解决了传统体光栅受温度影响，色散量无法调谐等问题；还解决了光栅对色散调谐精度不高、光路搭建比较困难、光栅对的间距较大导致光路较长的问题；作为啁啾脉冲放大系统的压缩器时，有利于提高整个啁啾脉冲放大系统的稳定性，提高了系统色散量补偿的精确度。

考虑到理论上波长满足布拉格反射条件的会在啁啾布拉格体光栅中原路返回，但是，不可避免的，入射激光不可能完全不穿过声光晶体3，入射至后续的器件上，鉴于此，本申请还提供了另外一个实施例，请参阅图2，基于上述实施例，吸声装置4还可包括：

激光防护装置41，用于阻断声光晶体3中出射的激光入射至吸收装置4。

在一种具体实施方式中，激光防护装置41可为光吸收装置，光吸收装置可将从声光晶体3中出射的激光吸收。

在另外一种实施方式中，激光防护装置41可为反射装置，反射装置将从声光晶体3中出射的激光反射出去。反射装置可为反射膜、反射片等任何一种可以起到反射作用的装置。

通过设置激光防护装置，避免激光损伤吸收装置4，可有利于提高吸收装置4的抗损伤性，延长吸收装置4的寿命，节省用户的使用成本。

在另外一种实施方式中，所述吸声装置4还可包括散热装置42。由于激光长时间在吸声装置4中会积累大量的热量，系统过热会影响整个系统各器件的工作性能甚至是寿命，通过散射装置42可将吸热装置4中的热量及时散去，从而保证整个系统的稳定性。

为了方便本领域技术人员更加清楚明白本申请提供的技术方案的原理和思想，本申请还提供了具体的实施例，请参阅图3，具体为：

一种可调谐啁啾布拉格体光栅可包括圆环形电声换能器31、耦合介质32、声光晶体33、吸声装置34和可编程电源35。

通过耦合介质32将圆环形电声换能器31和声光晶体33结合在一起，吸声装置34将穿过声光晶体33的声波吸收，使得在声光晶体33形成行波；通过可编程电源35改变施加在圆环形电声换能器31上的电压，使得声光晶体33中形成周期性变化的行波光栅。入射光通过图中所示方向入射的可调谐啁啾布拉格体光栅中，光波长满足布拉格反射条件的会在啁啾布拉格体光栅中原路返回，由于不同波长反射的位置不同而造成延时差，进而改变入射光的色散量，通过调节电声换能器上的电压，改变机械波周期的变化斜率，进而实现了色散量的调谐。

由上可知，本发明实施例基于声光调制将声光晶体作为可调谐的啁啾布拉格体光栅，实现体光栅的色散量可调谐，将其应用到啁啾脉冲放大系统中作为压缩器，可以解决传统光栅对压缩光路长，调谐精度不高等问题，有利于提高整个系统的稳定性。

此外，本申请还提供了一种啁啾脉冲放大系统，包括压缩器，压缩器可为如上任意一个实施例所述可调谐啁啾布拉格体光栅。

啁啾脉冲放大系统的压缩器的各个模块的实现过程可参考上述实施例中可调谐啁啾布拉格体光栅的各功能模块的具体实现，此处，就不再赘述。

由上可知，本发明实施例将上述可调谐啁啾布拉格体光栅应用在啁啾脉冲放大系统中作为压缩器，有利于提高整个系统的稳定性和色散量补偿的准确度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，包括：

电声换能器、耦合介质、声光晶体、吸声装置和电压信号可调的可编程电源；

所述电声换能器具有第一通光孔，以使入射激光经所述电声换能器和所述耦合介质入射至所述声光晶体内；所述电声换能器根据施加的电压信号产生机械波；

所述耦合介质分别与所述电声换能器和所述声光晶体相连，用于将所述电声换能器产生的机械波耦合至所述声光晶体内；

所述机械波在所述声光晶体传播时，所述声光晶体折射率发生周期性变化形成超声光栅，以使所述入射激光通过所述超声光栅时发生衍射；

所述吸声装置用于吸收穿出所述声光晶体的机械波，以使所述机械波在所述声光晶体内部形成行波；

所述可编程电源与所述电声换能器相连，用于根据所需色散量为所述电声换能器提供与入射激光同步的电压信号。

2.根据权利要求1所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述电声换能器为圆环形电声换能器。

3.根据权利要求2所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述电声换能器为压电陶瓷。

4.根据权利要求3所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述电声换能器的响应时间不大于1微秒。

5.根据权利要求1所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述耦合介质与所述入射激光的波段范围相配，以使所述入射激光穿过所述耦合介质入射至所述声光晶体内部；

所述耦合介质对所述入射激光的透过率不小于80％，或所述耦合介质对所述入射激光的损耗不大于1dB。

6.根据权利要求1所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述耦合介质具有第二通光孔，所述第二通光孔与所述第一通光孔的中心位于同一条直线上，以使入射激光经所述电声换能器和所述耦合介质入射至所述声光晶体内。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述吸声装置还包括：

激光防护装置，用于阻断所述声光晶体中出射的激光入射至所述吸收装置。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述吸声装置还包括散热装置。

9.根据权利要求7所述的可调谐啁啾布拉格体光栅，其特征在于，所述声光晶体对所述入射激光的损耗不大于1dB。

10.一种啁啾脉冲放大系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述可调谐啁啾布拉格体光栅，所述可调谐啁啾布拉格体光栅作为啁啾脉冲放大系统的压缩器。