CN108683069A - 脉冲分割放大结构及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲分割放大结构及其使用方法，脉冲分割放大结构包括用于产生具有第一偏振模式的脉冲串的脉冲串产生器件、放大器通道组、偏振旋转组件、偏振分束器和偏振旋转器件；放大器通道组包括第一放大器通道和第二放大器通道，所述第一放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第一放大脉冲串，所述第二放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的另一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第二放大脉冲串，所述第一放大器通道具有第一相位控制器件，所述第二放大器通道具有第二相位控制器件。本发明对延迟线的尺寸没有要求，而且可独立控制振幅和相位。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲分割放大结构及其使用方法。
背景技术
目前，高功率超短脉冲激光器在工业精密加工、生物医学、国防工业、科学研究等领域有着广泛的应用。超短脉冲激光器随着光强的不断增加，拓展了新的应用领域：粒子加速、高次谐波的产生。
为抑制光纤中非线性效应，获得高峰值功率，超短脉冲激光输出，常用的解决方案是啁啾脉冲放大(CPA)技术。通常在振荡器和放大器之间引入色散型光学元器件将超短脉冲在时域上展宽，然后将展宽的长脉冲耦合到放大器中进行功率放大，最后再通过抗损伤阈值极高的光栅进行脉冲压缩。在光纤激光器中，大幅增加峰值功率的解决方案是将小芯径高数值孔径(NA)的光纤换成大模场面积低数值孔径的光纤。目前，脉冲空间和时间分割放大(DPA)技术，是实现高重复频率和高脉冲能量的有效途径，将该技术与啁啾脉冲放大(CPA)、相干光束合成(CBC)等技术结合，有可能得到高出CPA若干数量级的脉冲能量，同时保持高重复频率。
传统的DPA技术，是将脉冲在时域上分割，经过时间延迟，然后重新合成。2013年德国耶拿大学的研究人员提出主动控制脉冲分割放大(ADPA)技术方案，该方案采用两套独立的器件，将脉冲分割和合成分开。
在传统的DPA方法中，单个脉冲经过N个光延迟线后在时域上被分割成成2N个脉冲，获得较低的脉冲峰值强度。如图1所示，单脉冲经过两次时域分割，分解成4个子脉冲。图右侧的单脉冲以45°角线性偏振，即它包括相等量的p和s偏振。向左侧传播脉冲时，偏振分束器PBS 2透射p偏振分量，而s偏振分量反射到延迟线DL 2中。因此s偏振部分被延迟，并且由PBS 2第二次反射，将其排列在先前透射的p偏振分量之后。由于两个脉冲是正交偏振的，因此用半波片(HWP)旋转45°可以通过PBS 1再次分离它们的p偏振分量和s偏振分量，从而将s偏振的部分发送到DL1。DL1长度是DL2长度的一半，如此便产生了交替正交偏振和不同相位的四个脉冲。相反的方向(从图1左侧到右侧)，以上四个具有不同的偏振和相位模式的脉冲，经过对应的延迟路径，被合并成一个单个脉冲。在ADPA中，分割和合成级是分开的，需要两组延迟线。
这种方式有如下缺点：
1、光延迟线的尺寸和数量使得系统更加复杂。
2、在放大过程中，有源光纤中的能量大部分会被提取，发生增益饱和会导致各个脉冲经历不同的放大，从而导致脉冲之间的振幅和非线性相位不匹配，影响后续的合成。
3、振幅和非线性相位不能独立形成，振幅和/或相位失配不能100％得到补偿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种脉冲分割放大结构，它对延迟线的尺寸没有要求，而且可独立控制振幅和相位。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种脉冲分割放大结构，它包括：
用于产生具有第一偏振模式的脉冲串的脉冲串产生器件；
放大器通道组，放大器通道组包括第一放大器通道和第二放大器通道，所述第一放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第一放大脉冲串，所述第二放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的另一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第二放大脉冲串，所述第一放大器通道具有第一相位控制器件，所述第二放大器通道具有第二相位控制器件，所述第一相位控制器件和所述第二相位控制器件使得经过第一放大器通道的脉冲串和经过第二放大器通道的脉冲串具有不同的相对相位分布；
偏振旋转组件，所述偏振旋转组件用于接收所述第二放大脉冲串，并对第二放大脉冲串的偏振方向进行旋转，使第二放大脉冲串具有不同于第一偏振模式的第二偏振模式；
偏振分束器，所述偏振分束器用于接收第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串，并将第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串干涉叠加，形成具有交替正交偏振模式的脉冲串；
偏振旋转器件，所述偏振旋转器件用于接收所述交替正交偏振模式的脉冲串，并对其偏振方向进行旋转，最终形成需要的脉冲串组；其中，脉冲串组包括交替的第一偏振模式的脉冲串和第二偏振模式的脉冲串。
进一步提供了一种脉冲串产生器件的具体结构，所述脉冲串产生器件包括用于发射光脉冲的振荡器和用于将振荡器发射的光脉冲进行调制的声光调制器。
进一步为了合理驱动声光调制器，所述声光调制器连接有用于驱动声光调制器的任意波形发生器。
进一步，所述第一相位控制器件为第一光纤耦合电光调制器，所述第二相位控制器件为第二光纤耦合电光调制器。
进一步为了合理驱动第一光纤耦合电光调制器和第二光纤耦合电光调制器，脉冲分割放大结构还包括双通道任意波形发生器，所述双通道任意波形发生器分别与所述第一光纤耦合电光调制器和第二光纤耦合电光调制器相连，以便所述双通道任意波形发生器驱动所述第一光纤耦合电光调制器和第二光纤耦合电光调制器。
进一步，所述第一放大器通道还具有位于第一相位控制器件的光路之后的第一光纤放大器，经过第一相位控制器件之后的脉冲串进入第一光纤放大器，形成第一放大脉冲串，所述第二放大器通道还具有位于第二相位控制器件的光路之后的第二光纤放大器，经过第二相位控制器件之后的脉冲串进入第二光纤放大器，形成第二放大脉冲串。
进一步提供了一种偏振旋转组件的具体结构，所述偏振旋转组件包括反射镜、四分之一波片和0°反射镜，所述第二放大脉冲串经过反射镜的反射后，经偏振分束器，进入四分之一波片，经过四分之一波片将第二放大脉冲的第一偏振模式旋转至第二偏振模式，再经0°反射镜反射回偏振分束器。
进一步，所述偏振旋转器件为半波片。
进一步，所述第一偏振模式为p偏振，所述第二偏振模式为s偏振，所述偏振旋转器件将所述交替正交偏振模式的脉冲串的偏振方向旋转45°。
本发明还提供了一种脉冲分割放大结构的使用方法，方法的步骤中含有：
S1：通过脉冲串产生器件产生第一偏振模式的脉冲串；
S2：第一偏振模式的脉冲串分别发送至第一放大器通道和第二放大器通道进行放大处理，并且通过第一相位控制器件和第二相位控制器件使得经过第一放大器通道的脉冲串和经过第二放大器通道的脉冲串具有不同的相对相位分布；
S3：通过偏振旋转组件接收所述第二放大脉冲串，并对第二放大脉冲串的偏振方向进行旋转，使第二放大脉冲串具有不同于第一偏振模式的第二偏振模式；
S4：通过偏振分束器接收第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串，并将第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串干涉叠加，形成具有交替正交偏振模式的脉冲串；
S5：通过偏振旋转器件接收所述交替正交偏振模式的脉冲串，并对其偏振方向进行旋转，最终形成需要的脉冲串组；其中，脉冲串组包括交替的第一偏振模式的脉冲串和第二偏振模式的脉冲串。
采用了上述技术方案后，振荡器发射持续时间为190ps的光脉冲，通过声光调制器后，输出特定偏振模式(p偏振)和特定数量的的脉冲串，其中声光调制器由任意波形发生器(AWG)驱动；然后发送到两个放大器通道，分别为第一放大器通道和第二放大器通道，第一放大器通道包含第一光纤耦合电光调制器，第二放大器通道包含第二光纤耦合电光调制器，由双通道任意波形发生器(AWG)驱动。第一光纤耦合电光调制器和第二光纤耦合电光调制器是将两路激光信号的相位模式分别设置为由0和π组成，然后分别进入相应的第一光纤放大器和第二光纤放大器，经过第二光纤放大器的激光信号经反射镜后，进入偏振分束器(PBS)，四分之一波片将p偏振旋转至s偏振，再经0°反射镜反射回偏振分束器，与经过第一光纤放大器的激光信号正交传播，经偏振分束器(PBS)合束，两路激光信号光程差匹配，可形成干涉，所以两路激光光束空间合束，获得交替正交偏振的脉冲串。再经过半波片将脉冲串的偏振方向旋转45°之后，最终获得与传统DPA中相同的偏振和相位模式的脉冲串组，即由交替的s偏振脉冲和p偏振脉冲组成，本发明使用具有不相对相位分布的两个正交偏振脉冲串的干涉叠加来获得一组脉冲串，且其偏振模式恰好是利用一系列延迟线进行时域合成时所需的偏振模式。采用该技术方案生成特定偏振和相位模式的脉冲串，可以通过调制器对脉冲串进行预整形来补偿任意数量的脉冲的幅度失配，显著降低度后续合成的影响；因为本发明的相位控制器件可以单独设置脉冲串中每个脉冲的相位，故可以显着降低非线性相位失配产生的影响。最终提高脉冲合成的性能。可以用于任意数量的光延迟线，
附图说明
图1为现有技术的DPA方法的流程图；
图2为本发明的脉冲分割放大结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示，一种脉冲分割放大结构，它包括：
用于产生具有第一偏振模式的脉冲串的脉冲串产生器件；
放大器通道组，放大器通道组包括第一放大器通道和第二放大器通道，所述第一放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第一放大脉冲串，所述第二放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的另一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第二放大脉冲串，所述第一放大器通道具有第一相位控制器件，所述第二放大器通道具有第二相位控制器件，所述第一相位控制器件和所述第二相位控制器件使得经过第一放大器通道的脉冲串和经过第二放大器通道的脉冲串具有不同的相对相位分布；
偏振旋转组件，所述偏振旋转组件用于接收所述第二放大脉冲串，并对第二放大脉冲串的偏振方向进行旋转，使第二放大脉冲串具有不同于第一偏振模式的第二偏振模式；
偏振分束器8，所述偏振分束器8用于接收第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串，并将第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串干涉叠加，形成具有交替正交偏振模式的脉冲串；
偏振旋转器件，所述偏振旋转器件用于接收所述交替正交偏振模式的脉冲串，并对其偏振方向进行旋转，最终形成需要的脉冲串组；其中，脉冲串组包括交替的第一偏振模式的脉冲串和第二偏振模式的脉冲串。
如图2所示，所述脉冲串产生器件包括用于发射光脉冲的振荡器1和用于将振荡器1发射的光脉冲进行调制的声光调制器2；其中，所述振荡器1为锁模光纤振荡器，中心波长1030nm，重复频率为f rep＝108MHz，但是不限于此，其在本实施例中用于发射持续时间为190ps的光脉冲，
如图2所示，所述声光调制器2连接有用于驱动声光调制器2的任意波形发生器3。
如图2所示，所述第一相位控制器件为第一光纤耦合电光调制器41，所述第二相位控制器件为第二光纤耦合电光调制器42。
如图2所示，脉冲分割放大结构还包括双通道任意波形发生器5，所述双通道任意波形发生器5分别与所述第一光纤耦合电光调制器41和第二光纤耦合电光调制器42相连，以便所述双通道任意波形发生器5驱动所述第一光纤耦合电光调制器41和第二光纤耦合电光调制器42。
如图2所示，所述第一放大器通道还具有位于第一相位控制器件的光路之后的第一光纤放大器61，经过第一相位控制器件之后的脉冲串进入第一光纤放大器61，形成第一放大脉冲串，所述第二放大器通道还具有位于第二相位控制器件的光路之后的第二光纤放大器62，经过第二相位控制器件之后的脉冲串进入第二光纤放大器62，形成第二放大脉冲串。
如图2所示，所述偏振旋转组件包括反射镜7、四分之一波片9和0°反射镜10，所述第二放大脉冲串经过反射镜7的反射后，经偏振分束器8，进入四分之一波片9，经过四分之一波片9将第二放大脉冲的第一偏振模式旋转至第二偏振模式，再经0°反射镜10反射回偏振分束器8。
如图2所示，所述偏振旋转器件为半波片11。
所述第一偏振模式为p偏振，所述第二偏振模式为s偏振，所述偏振旋转器件将所述交替正交偏振模式的脉冲串的偏振方向旋转45°。
该脉冲分割放大结构的使用方法，方法的步骤中含有：
S1：通过脉冲串产生器件产生第一偏振模式的脉冲串；
S2：第一偏振模式的脉冲串分别发送至第一放大器通道和第二放大器通道进行放大处理，并且通过第一相位控制器件和第二相位控制器件使得经过第一放大器通道的脉冲串和经过第二放大器通道的脉冲串具有不同的相对相位分布；
S3：通过偏振旋转组件接收所述第二放大脉冲串，并对第二放大脉冲串的偏振方向进行旋转，使第二放大脉冲串具有不同于第一偏振模式的第二偏振模式；
S4：通过偏振分束器8接收第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串，并将第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串干涉叠加，形成具有交替正交偏振模式的脉冲串；
S5：通过偏振旋转器件接收所述交替正交偏振模式的脉冲串，并对其偏振方向进行旋转，最终形成需要的脉冲串组；其中，脉冲串组包括交替的第一偏振模式的脉冲串和第二偏振模式的脉冲串。
本发明的工作原理如下：
振荡器1发射持续时间为190ps的光脉冲，通过声光调制器2后，输出特定偏振模式(p偏振)和特定数量的的脉冲串，其中声光调制器2由任意波形发生器(AWG)3驱动；然后发送到两个放大器通道，分别为第一放大器通道和第二放大器通道，第一放大器通道包含第一光纤耦合电光调制器41，第二放大器通道包含第二光纤耦合电光调制器42，由双通道任意波形发生器(AWG)5驱动。第一光纤耦合电光调制器41和第二光纤耦合电光调制器42是将两路激光信号的相位模式分别设置为由0和π组成，然后分别进入相应的第一光纤放大器61和第二光纤放大器62。经过第二光纤放大器62的激光信号被反射镜7反射后，经偏振分束器(PBS)8，到达四分之一波片9，四分之一波片9将p偏振旋转至s偏振，再经0°反射镜10反射回偏振分束器8，与经过第一光纤放大器61的激光信号正交传播，经偏振分束器(PBS)8合束，两路激光信号光程差匹配，可形成干涉，所以两路激光光束空间合束，获得交替正交偏振的脉冲串。再经过半波片11将脉冲串的偏振方向旋转45°之后，最终获得与传统DPA中相同的偏振和相位模式的脉冲串组，即由交替的s偏振脉冲和p偏振脉冲组成，本发明使用具有不同相对相位分布的两个正交偏振脉冲串的干涉叠加来获得一组脉冲串，且其偏振模式恰好是利用一系列延迟线进行时域合成时所需的偏振模式。采用该技术方案生成特定偏振和相位模式的脉冲串，可以通过调制器对脉冲串进行预整形来补偿任意数量的脉冲的幅度失配，显著降低度后续合成的影响；因为本发明的相位控制器件可以单独设置脉冲串中每个脉冲的相位，故可以显着降低非线性相位失配产生的影响。最终提高脉冲合成的性能，而且可以用于任意数量的光延迟线，
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，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 (10)
1.一种脉冲分割放大结构，其特征在于，它包括：
用于产生具有第一偏振模式的脉冲串的脉冲串产生器件；
放大器通道组，放大器通道组包括第一放大器通道和第二放大器通道，所述第一放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第一放大脉冲串，所述第二放大器通道用于对脉冲串产生器件输出的另一路脉冲串进行放大，形成具有第一偏振模式的第二放大脉冲串，所述第一放大器通道具有第一相位控制器件，所述第二放大器通道具有第二相位控制器件，所述第一相位控制器件和所述第二相位控制器件使得经过第一放大器通道的脉冲串和经过第二放大器通道的脉冲串具有不同的相对相位分布；
偏振旋转组件，所述偏振旋转组件用于接收所述第二放大脉冲串，并对第二放大脉冲串的偏振方向进行旋转，使第二放大脉冲串具有不同于第一偏振模式的第二偏振模式；
偏振分束器(8)，所述偏振分束器(8)用于接收第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串，并将第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串干涉叠加，形成具有交替正交偏振模式的脉冲串；
偏振旋转器件，所述偏振旋转器件用于接收所述交替正交偏振模式的脉冲串，并对其偏振方向进行旋转，最终形成需要的脉冲串组；其中，脉冲串组包括交替的第一偏振模式的脉冲串和第二偏振模式的脉冲串。
2.根据权利要求1所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述脉冲串产生器件包括用于发射光脉冲的振荡器(1)和用于将振荡器(1)发射的光脉冲进行调制的声光调制器(2)。
3.根据权利要求2所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述声光调制器(2)连接有用于驱动声光调制器(2)的任意波形发生器(3)。
4.根据权利要求1所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述第一相位控制器件为第一光纤耦合电光调制器(41)，所述第二相位控制器件为第二光纤耦合电光调制器(42)。
5.根据权利要求4所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：还包括双通道任意波形发生器(5)，所述双通道任意波形发生器(5)分别与所述第一光纤耦合电光调制器(41)和第二光纤耦合电光调制器(42)相连，以便所述双通道任意波形发生器(5)驱动所述第一光纤耦合电光调制器(41)和第二光纤耦合电光调制器(42)。
6.根据权利要求1所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述第一放大器通道还具有位于第一相位控制器件的光路之后的第一光纤放大器(61)，经过第一相位控制器件之后的脉冲串进入第一光纤放大器(61)，形成第一放大脉冲串，所述第二放大器通道还具有位于第二相位控制器件的光路之后的第二光纤放大器(62)，经过第二相位控制器件之后的脉冲串进入第二光纤放大器(62)，形成第二放大脉冲串。
7.根据权利要求1所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述偏振旋转组件包括反射镜(7)、四分之一波片(9)和0°反射镜(10)，所述第二放大脉冲串经过反射镜(7)的反射后，经偏振分束器(8)，进入四分之一波片(9)，经过四分之一波片(9)将第二放大脉冲的第一偏振模式旋转至第二偏振模式，再经0°反射镜(10)反射回偏振分束器(8)。
8.根据权利要求1所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述偏振旋转器件为半波片(11)。
9.根据权利要求1所述的脉冲分割放大结构，其特征在于：所述第一偏振模式为p偏振，所述第二偏振模式为s偏振，所述偏振旋转器件将所述交替正交偏振模式的脉冲串的偏振方向旋转45°。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的脉冲分割放大结构的使用方法，其特征在于方法的步骤中含有：
S1：通过脉冲串产生器件产生第一偏振模式的脉冲串；
S2：第一偏振模式的脉冲串分别发送至第一放大器通道和第二放大器通道进行放大处理，并且通过第一相位控制器件和第二相位控制器件使得经过第一放大器通道的脉冲串和经过第二放大器通道的脉冲串具有不同的相对相位分布；
S3：通过偏振旋转组件接收所述第二放大脉冲串，并对第二放大脉冲串的偏振方向进行旋转，使第二放大脉冲串具有不同于第一偏振模式的第二偏振模式；
S4：通过偏振分束器(8)接收第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串，并将第一偏振模式的第一放大脉冲串和第二偏振模式的第二放大脉冲串干涉叠加，形成具有交替正交偏振模式的脉冲串；
S5：通过偏振旋转器件接收所述交替正交偏振模式的脉冲串，并对其偏振方向进行旋转，最终形成需要的脉冲串组；其中，脉冲串组包括交替的第一偏振模式的脉冲串和第二偏振模式的脉冲串。
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