CN108847566B - 时域波形可控的激光产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了时域波形可控的激光产生系统，包括：移频系统、光纤放大器、模式匹配器、固体放大器及反馈装置；移频系统，与光纤放大器连接，用于接收激光并实时调制激光的频率；光纤放大器，与模式匹配器连接，用于放大激光的功率；模式匹配器，与固体放大器连接，用于将放大功率后的激光与固体放大器中的泵浦光进行模式匹配；固体放大器，与反馈装置连接，用于将模式匹配器模式匹配后的激光进行功率放大，并输出时域波形可控的激光；反馈装置，与移频系统连接，用于将光信号转换成电信号并发送至移频系统。本发明实施例还提供了时域波形可控的激光产生方法，由上述系统实现。本发明可以通过有效调制激光的频率，获取满足要求的激光脉冲形状。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光技术领域，尤其涉及一种时域波形可控的激光产生系统及方法。
背景技术
时域特性是激光脉冲的一项重要性质。获取高峰值功率的脉冲激光方法一般是采用调Q技术。而调Q激光的固有特性是随着重复频率增加，脉冲宽度也会增加。并且在获得高功率的主振荡功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA)结构中，放大级的增益在连续工作时会发生动态变化，产生脉冲形状是不可控的，现有技术中对激光功率的控制很难达到高功率的要求，或者是虽能达到功率要求，但是付出的成本过高，而功率不受控制的激光可能导致光学损伤，而且严重制约了应用。因此，如何找到一种对激光进行功率控制，并满足能够调制高功率激光要求的经济适用的方法，就成为业界亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种时域波形可控的激光产生系统及方法。
一方面，本发明实施例提供了一种时域波形可控的激光产生系统，包括：移频系统、光纤放大器、模式匹配器、固体放大器及反馈装置；
所述移频系统，与所述光纤放大器连接，用于接收激光并实时调制激光的频率；所述光纤放大器，与所述模式匹配器连接，用于放大激光的功率；所述模式匹配器，与所述固体放大器连接，用于将放大功率后的激光与所述固体放大器中的泵浦光进行模式匹配；所述固体放大器，与所述反馈装置连接，用于将所述模式匹配器模式匹配后的激光进行功率放大，并输出时域波形可控的激光；所述反馈装置，与所述移频系统连接，用于将光信号转换成电信号并发送至移频系统。
另一方面，本发明实施例提供了一种时域波形可控的激光产生方法，包括：初始激光经过所述移频系统，实时调制激光频率，光纤放大器将所述初始激光进行功率放大，功率放大后的激光通过模式匹配器与固体放大器中的泵浦光进行模式匹配，获得匹配后的激光，所述固体放大器将所述匹配后的激光进行功率放大，输出时域波形可控的激光；反馈装置获取反馈光信号，将所述反馈光信号转换成电信号并进行分析，得到分析后的电信号，将所述分析后的电信号发送至移频系统，移频系统根据分析后的电信号，对所述初始激光进行频率调制，从而实现对激光波形的控制。
本发明实施例提供了一种时域波形可控的激光产生系统及方法，通过在激光产生装置中加入移频系统，并采用反馈机制反馈输出激光的信息给移频系统，在经济实用的前提下，可以有效调制激光的频率，获取满足要求的激光脉冲形状。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明第一实施例中时域波形可控的激光产生系统结构示意图；
图2是本发明第二实施例中移频系统结构示意图；
图3是本发明第三实施例中时域波形可控的激光产生系统结构示意图；
图4是本发明第四实施例中时域波形可控的激光产生方法步骤流程图；
图5是本发明实施例中受激发射截面与激光频率关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
根据理论，增益介质的受激发射截面与激光波长有关。改变激光频率即改变了波长，对增益介质的受激发射截面影响很大。一个激光脉冲的不同时刻对应的激光频率不一致，即啁啾脉冲激光，其经过放大器后不同时刻的增益也就不同，从而可以获得不同的时域波形。由此可知，激光的频率成为影响增益介质的受激发射截面的因素之一，而激光频率的也会影响激光自身的波形，在不断发射激光通过增益介质的同时，如何调节激光的频率，使得激光的频率按照期望的方向进行变化，是调整激光波形及改变增益介质的受激发射截面的关键。为了解决该技术问题，并取得理想的技术效果，本发明实施例提供了一种时域波形可控的激光产生系统及方法。
工欲善其事，必先利其器。首先，介绍本发明提供的是一种时域波形可控的激光产生系统，其具体结构参见图1，图1是本发明第一实施例中时域波形可控的激光产生系统结构示意图，包括：
激光源101(在另一实施例中，激光源101可以为光纤种子光源)、移频系统102、光纤放大器103、模式匹配器104、固体放大器105及反馈装置106；
移频系统102，与光纤放大器103(在另一实施例中，光纤放大器103可以是多个)连接，用于接收激光并实时调制激光的频率；
光纤放大器103，与模式匹配器104连接，用于放大激光的功率；
模式匹配器104，与固体放大器105(在另一实施例中，固体放大器105可以是多个)连接，用于将放大功率后的激光与固体放大器105中的泵浦光进行模式匹配；
固体放大器105，与反馈装置106连接，用于将模式匹配器104模式匹配后的激光进行功率放大，并输出时域波形可控的激光；
反馈装置106，与移频系统102连接，用于将光信号转换成电信号并发送至移频系统102。
移频系统是整个时域波形可控的激光产生系统的核心部件之一，其主要功能是对激光的频率进行调整，从而实现获取时域波形可控的激光的最终目的。因此，在本发明第二实施例中对移频系统做了详细描述，以使读者更好的理解本发明的思想。参见图2，图2是本发明第二实施例中移频系统结构示意图，包括：
光开关201、声光移频器202、光放大器203及自由光纤204；
光开关201，与声光移频器202连接，用于接收激光并选通光路；
声光移频器202，与光放大器203连接，用于将移频信号加载到激光上；
光放大器203，与自由光纤204连接，用于放大调制后的激光脉冲功率，以补偿光通损耗；
自由光纤204，与光开关201连接，用于控制激光循环时间。
当有激光入射时，触发信号同步触发激活光开关201(在另一实施例中，光开关201可以为2×2光开关)及声光移频器202，光开关201被同步激活，激光(沿A至D)进入循环(输入光)。并受光开关201限制，之后一段时间内循环往复。声光移频器202在脉冲每次经过后都将移频信号加载到激光信号上。光放大器203由反馈信号控制，将调制的激光功率放大，以补偿光在通过器件时产生的损耗。经过一定延时后，光开关201再次打开(沿B至C)，激光出射(输出光)，此时激光频率已经经过调制。在另一实施例中，移频系统可以为声光移频器或者其他类型的能够对激光频率进行实时、大范围调节的移频器，能够产生啁啾脉冲激光。
在本发明第一实施例中的时域波形可控的激光产生系统中，包含了光纤放大器、固体放大器及反馈装置，上述三种部件的详细组成对实现本发明的技术方案，解决本发明的技术问题，获取本发明期望的技术效果都有极为重要的影响。因此，有必要在本发明的第三实施例中对上述部件的构成及运作机理做进一步阐述。参见图3，图3是本发明第三实施例中时域波形可控的激光产生系统结构示意图，其中主要对光纤放大器、固体放大器及反馈装置做了进一步描述，具体包括：
激光源301、尾纤302、移频系统303、隔离器304、泵浦光源305、泵浦合束器306、增益光纤307、模式匹配器308、泵浦光源309、泵浦耦合镜310、激光增益介质311、分束镜312、光电转换器313及电子分析控制器314。
其中，尾纤302用于将激光输入移频系统303中，激光源301、移频系统303、模式匹配器308均在前述的实施例中做了详细描述，在此不再赘述。
光纤放大器包括：泵浦光源305、泵浦合束器306及增益光纤307。
泵浦光源305，与泵浦合束器306连接，用于提供泵浦光，泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式；
泵浦合束器306，与增益光纤307连接，用于将泵浦光与激光合束得到合束光，并发送至307增益光纤；
增益光纤307，与泵浦合束器306连接，用于放大所述合束光的功率。
固体放大器包括：激光增益介质311、泵浦耦合镜310及泵浦光源309；
激光增益介质311，设置在泵浦耦合镜310的一侧，用于放大激光的功率；
泵浦光源309，设置在泵浦耦合镜310的另一侧，用于提供泵浦光，泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式；
泵浦耦合镜310，设置于激光增益介质311与泵浦光源309之间，用于耦合泵浦光与激光。
反馈装置包括：分束镜312、光电转换器313及电子分析控制器314；
分束镜312，设置在光电转换器313一侧，用于对激光进行反射及折射，并将反射或折射的激光发送至光电转换器313；
光电转换器313，与电子分析控制器314连接，用于将光信号转换成电信号；
电子分析控制器314，与移频系统303连接，用于分析接收到的电信号，并将相应的控制信号发送至移频系统303。
隔离器304，与移频系统303及泵浦合束器306(也就是与光纤放大器)连接，用于隔离反射的激光以保护激光源301。
在本发明前述实施例提供的时域波形可控的激光产生系统的基础上，自然而然的会得出时域波形可控的激光产生方法。为了使读者更好的理解该方法，本发明第四实施例在上述实施例的基础上，提出了具体实现该方法的步骤流程图。具体请参见图4，图4是本发明第四实施例中时域波形可控的激光产生方法步骤流程图，所述方法可以由前述任一实施例中的时域波形可控的激光产生系统实现，由于使用前述各个实施例中的时域波形可控的激光产生系统实现本实施例的方法的步骤及原理相似，故本实施例中以第一实施例中的时域波形可控的激光产生系统为例进行说明，其他相关实施例与本实施例类似，在此不再赘述。本发明第四实施例包括：
S401：初始激光经过所述移频系统，实时调制激光频率，光纤放大器将所述初始激光进行功率放大，功率放大后的激光通过模式匹配器与固体放大器中的泵浦光进行模式匹配，获得匹配后的激光，所述固体放大器将所述匹配后的激光进行功率放大，输出时域波形可控的激光。
S402：反馈装置获取反馈光信号，将所述反馈光信号转换成电信号并进行分析，得到分析后的电信号，将所述分析后的电信号发送至移频系统，移频系统根据分析后的电信号，对所述初始激光进行频率调制，从而实现对激光波形的控制。
为了让读者清楚理解本发明的实际意义，本发明最后还通过实测晶体受激发射截面，展示了增益介质的受激发射截面与激光频率之间的关系，读者可以在此基础上进一步理解本发明的技术意义，了解本发明的技术价值。参见图5，图5是本发明实施例中受激发射截面与激光频率关系示意图，包括：
关系曲线501、受激发射截面轴502、激光频率轴503及峰值504。
激光源为种子光源，具体为Nd:YAG晶体。由图5中可见，其受激发射截面与激光频率直接相关。若一个时域波形为方波的单频激光，输入Nd:YAG固体放大器后，由于脉冲前沿遇到的反转粒子数比后沿多，导致脉冲前沿增益大于脉冲后沿，放大后的激光脉冲发生畸变，前沿高而后沿低，不再为方波；要想获得放大后的波形仍然为方波输出，利用受激发射截面与激光频率的关系，在时域实时调制激光频率，使得脉冲前沿的频率对应的受激发射截面小于脉冲后沿对应的受激发射截面，补偿反转粒子数的差别，那么脉冲前沿与后沿的增益可以相同，从而放大后的激光输出波形为方波。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，包括：
移频系统、光纤放大器、模式匹配器、固体放大器及反馈装置；
所述移频系统，与所述光纤放大器连接，用于接收激光并实时调制激光的频率；
所述光纤放大器，与所述模式匹配器连接，用于放大激光的功率；
所述模式匹配器，与所述固体放大器连接，用于将放大功率后的激光与所述固体放大器中的泵浦光进行模式匹配；
所述固体放大器，与所述反馈装置连接，用于将所述模式匹配器模式匹配后的激光进行功率放大，并输出时域波形可控的激光；
所述反馈装置，与所述移频系统连接，用于将光信号转换成电信号并发送至移频系统；
所述移频系统包括：
光开关、声光移频器、光放大器及自由光纤；
所述光开关，与所述声光移频器连接，用于接收激光并选通光路；
所述声光移频器，与所述光放大器连接，用于将移频信号加载到激光上；
所述光放大器，与所述自由光纤连接，用于放大调制后的激光脉冲功率，以补偿光通损耗；
所述自由光纤，与所述光开关连接，用于控制激光循环时间。
2.根据权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，所述光纤放大器包括：
第一泵浦光源、泵浦合束器及增益光纤；
所述第一泵浦光源，与所述泵浦合束器连接，用于提供泵浦光；
所述泵浦合束器，与所述增益光纤连接，用于将泵浦光与激光合束得到合束光，并发送至所述增益光纤；
所述增益光纤，与所述泵浦合束器连接，用于放大所述合束光的功率。
3.根据权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，所述固体放大器包括：
激光增益介质、泵浦耦合镜及第二泵浦光源；
所述激光增益介质，设置在所述泵浦耦合镜的一侧，用于放大激光的功率；
所述第二泵浦光源，设置在所述泵浦耦合镜的另一侧，用于提供泵浦光；
所述泵浦耦合镜，设置于所述激光增益介质与第二泵浦光源之间，用于耦合泵浦光与激光。
4.根据权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，所述反馈装置包括：
分束镜、光电转换器及电子分析控制器；
所述分束镜，设置在所述光电转换器一侧，用于对激光进行反射及折射，并将反射或折射的激光发送至所述光电转换器；
所述光电转换器，与所述电子分析控制器连接，用于将光信号转换成电信号；
所述电子分析控制器，与所述移频系统连接，用于分析接收到的电信号，并将相应的控制信号发送至所述移频系统。
5.根据权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，还包括：
隔离器，与所述移频系统及光纤放大器连接，用于隔离反射的激光以保护激光源。
6.根据权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，所述光开关包括：2×2光开关。
7.根据权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统，其特征在于，所述激光的光源包括：光纤种子光源。
8.一种时域波形可控的激光产生方法，由权利要求1所述的时域波形可控的激光产生系统实现，其特征在于，包括：
初始激光经过所述移频系统，实时调制激光频率，光纤放大器将所述初始激光进行功率放大，功率放大后的激光通过模式匹配器与固体放大器中的泵浦光进行模式匹配，获得匹配后的激光，所述固体放大器将所述匹配后的激光进行功率放大，输出时域波形可控的激光；
反馈装置获取反馈光信号，将所述反馈光信号转换成电信号并进行分析，得到分析后的电信号，将所述分析后的电信号发送至移频系统，移频系统根据分析后的电信号，对所述初始激光进行频率调制，从而实现对激光波形的控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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