CN109378681A - 基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对功率放大后的各路激光进行外差合束。

Description

基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法
技术领域
本发明涉及一种激光锁模技术，特别是一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法。
背景技术
激光锁模技术是目前产生超短超强激光的主要技术手段，其创造的超短脉冲宽度使其具有超高的时间分辨率，因而被广泛地应用于超快现象的探测，如探测电子跃迁和弛豫、原子核运动、化学键形成等超快过程。超短的脉冲宽度所带来的超高峰值功率，使得锁模激光不仅被用于材料的损伤和加工，还被用于创造极端物理环境，如，激光粒子加速器、激光受控核聚变、激发正负电子对等。
由于锁模激光超高的峰值功率易引发激光工作介质的非线性效应甚至损伤，使得锁模激光平均功率的提升面临较大的技术难题。目前，通常采用啁啾放大技术、脉冲堆积放大技术、锁模相干合成技术等来提升锁模激光的脉冲能量或平均功率。
啁啾脉冲放大技术是将锁模激光脉冲先展宽以降低峰值功率来减小放大过程中非线性效应，再对能量放大后的脉冲进行脉宽压缩。啁啾脉冲放大技术虽然可大幅提升锁模激光的脉冲能量，但它通常是以牺牲重频为代价，使得锁模激光的平均功率提升十分有限，目前像美国劳伦斯伯克利国家实验室的BELLA这样最先进的拍瓦激光器的平均功率通常只有几十瓦。
脉冲堆积放大技术是在时间上将脉冲展开成一系列的脉冲串以有效降低峰值功率，经过放大后再将脉冲串堆积成高能量的脉冲。脉冲堆积放大技术可在更宽的时间范围内分散脉冲能量，降低非线性效应，可获得更高的脉冲能量，但同样对平均功率的提升十分有限。
锁模相干合成技术是将多路锁模激光器分别进行放大，然后经过光谱和相位控制技术，使各路相干叠加，最终可获得较大脉冲能量和较高的平均功率。该技术的不足在于参与合成的激光器仍是锁模激光器，所以单路锁模激光可提供的平均功率有限。要获得高平均功率的锁模激光则需要合成的路数较多，系统十分庞大，且锁模激光的相干合成技术较为复杂，控制精度较高，路数过多则实现难度十分巨大，目前实验上刚刚达到8根光纤合成为1kW，1mJ。
发明内容
本发明提供了一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法，可以大幅提升锁模激光的平均功率。
实现本发明目的技术方案为：一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，从每一载波移频器输出端分出一束激光用于后续的功率放大，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对放大后的各载波频率的连续激光进行外差合束。
采用上述系统，激光种籽源发射的激光为单频或窄线宽连续激光。
采用上述系统，每一级载波移频单元之间设置一激光分束器和激光预放大器。
采用上述系统，所述每束激光的载波频率间隔通常在十KHz到十GHz量级。
采用上述系统，高功率连续放大单元包括串联在各路激光中的窄线宽高功率激光放大器，用来提升各路激光的平均功率。
采用上述系统，外差光束合成单元包括串联在每一路窄线宽高功率激光放大器前的光延迟线、相位调制器、偏振控制器和整个系统后端的一个高功率光束合成器；光延迟线控制相应路激光的光程使各路激光的光程相等；相位调制器锁定各路激光的相位至设定值；偏振控制器控制相应路激光的偏振态使各路激光的偏振态保持一致，高功率光束合成器是将各路载波频率呈等差数列分布的高功率连续激光进行外差合束。
如上所述系统的高平均功率锁模激光产生方法，包括：连续激光依次通过级联的载波移频器、分束器、激光预放大器，获得功率相等、载波频率呈等差数列分布的多路连续激光；对每一载波频率的连续激光进行独立的高功率连续激光放大；对放大后的各路激光进行外差合束。
本发明具有以下优点：(1)各级移频可以采用相同的声光移频器，运用统一的射频源驱动，可以获得较好的频率一致性；(2)采用相同的声光移频器，不存在移频量随着移频路数增加而增加的情况，大大降低了对声光移频器最大移频量的要求；(3)本发明通过在每级声光级移频器之间加入低功率的激光预放大器，弥补每级分束带来的级联功率损耗，使得每级声光调制器的输出激光功率相同，则可以突破分束路数的限制，实现任意多路的分束。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明的光纤光路示意图。
图2为本发明的空间光路示意图。
图3为载波移频器间增加激光预放大器的光纤光路示意图。
图4为载波移频器间增加激光预放大器的空间光路示意图。
图5为谐振腔的激光纵模选择示意图，其中(a)为谐振腔的纵模示意图，(b)为激光增益与损耗谱示意图，(c)为在谐振腔中往返一周且增益大于损耗的纵模示意图。
图6为纵模随机叠加示意图，其中(a)为5个光纵模随机相位叠加的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(b)为7个光纵模随机相位叠加的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(c)为9个光纵模随机相位叠加的各纵模载波和叠加后的光强示意图。
图7为纵模锁定至零相位的叠加示意图，其中(a)为5个光纵模锁定至零相位的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(b)为7个光纵模锁定至零相位的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(c)为9个光纵模锁定至零相位的各纵模载波和叠加后的光强示意图。
具体实施方式
本发明所述的激光和激光锁模技术做如下解释。
1、连续激光
本发明中采用的激光种籽源不同于现有技术中脉冲宽度较短的激光，而是采用了输出激光的光谱具有单频或窄线宽特性的连续激光。
连续激光器的工作原理在于：在外部激励源的作用下，增益介质产生的光波会在谐振腔的前后两个腔镜之间来回反射。激光器发射激光时，在横向(垂直于激光传输的方向)上，只有传播方向平行于谐振腔方向的光波，才能反复穿过增益介质，被持续放大，其它方向的光经过多次反射后将会逐渐偏出腔镜，最终被损耗，不能稳定存在。因此，谐振腔起到了在横向上选择光束的空间模式的作用，即选横模。其次，在纵向上(平行于激光传输的方向)，只有满足驻波条件的光波才能稳定存在，因此，谐振腔在纵向上也起到了选模作用，即选纵模，如图5(a)所示。
谐振腔内最终能够起振的纵模还与增益介质的带宽和谐振腔的损耗有关。增益介质存在一定的增益带宽，只有处于增益带宽范围内的纵模，才有可能被放大，如图5(b)中的实线部分。只有在谐振腔中往返一周的增益大于损耗的纵模才能被逐渐放大，最终形成激光，如图5(c)。
任意一个纵模的光场可以表示为
其中，Em、fm、km、分别是第m个纵模的振幅、频率、波失、初始相位，L为谐振腔长度，c为光速，km＝2πnmfm/c，nm为第m个纵模的折射率。
激光器输出的光场是所有起振的纵模光场的叠加，表示为
其中，fm＝f0+mΔf，f0为载波中心频率，将km表达式代入式(2)得
一般激光器的各个纵模光场的初始相位彼此独立，呈随机分布，各纵模光场不能形成有效的相干叠加，最终输出的激光能量在时间上呈连续分布，故称之为连续激光。如图6所示，相位随机分布，会导致载波振动方向杂乱无章，无法形成持续的相干加强或削弱。连续激光的光强在局部也会存在一定的随机起伏。这种随机起伏，会随着纵模数量的增加而逐渐减小。连续光的光强是各纵模光强的叠加，若各纵模光强相等，则最终连续激光的平均光强为NI0，其中N为纵模数量，I0为纵模光强。
2、激光锁模
当对激光器采取特殊的调制手段，使得各纵模之间具有确定的相位关系，则可以使各纵模之间产生相干叠加，产生超短的激光脉冲，这种技术称为激光锁模技术。
假设各纵模的初始相位都被锁定至零相位，即则式(3)可以写为
令各纵模的振幅相等，即Em＝E0，利用欧拉公式exp(jx)＝cos(x)+j·sin(x)可得cos(x)＝Re[exp(jx)]，j为虚数符号，Re为取复数实部的运算符，则式(4)可写为
利用等比级数的求和公式可求得光场的振幅表达式
光强为光波电场振幅模的平放，对于激光器谐振腔的特定位置，如z＝0，则
如图7所示，多个纵模锁定在零相位时，光强波形是周期性的脉冲序列。脉冲周期是纵模间隔的倒数，即Tr＝1/Δf＝2L/c，也就是激光在谐振腔内往返一次所需的时间。脉冲宽度随着纵模数量的增加而减少，通过公式(7)可以得到，tp＝1/NΔf＝Tr/N，即脉冲宽度为激光纵模总带宽的倒数，也为激光脉冲周期的1/N。脉冲的峰值光强是N2I0，比连续光的平均光强高N倍。由此可见，激光纵模数量越多，脉冲宽度越短，峰值越高。
本发明采用载波移频和激光分束交替进行的形式，获得载波频率间隔呈等差数列分布的多路连续激光；然后对各路连续激光进行独立的高功率连续激光放大、再将所有路激光进行外差合成，获得高平均功率锁模激光。系统包括：一连续激光种籽源、若干级联的载波移频器和激光分束器、若干并联的高功率连续放大单元、外差光束合成单元。第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；外差光束合成单元对放大后的所有路激光进行外差合束。
本发明中采用的激光种籽源不同于现有技术中脉冲宽度较短的激光，而是采用了输出激光的光谱具有单频或窄线宽特性的连续激光。单频或窄线宽连续激光可以提供较为纯净的频率成分和较长的激光相干长度，便于后续高效率的外差合成。
将单频或窄线宽连续种籽激光交替进行分束和载波移频，以获得多路载波频率呈等差数列分布的连续激光，与传统锁模激光器的多个纵模相似，但有本质不同，主要区别在于不同频率的连续激光可相互分开，为后续各路进行独立的高功率连续激光放大提供可能。
高功率连续放大单元包括串联在各路激光光路中的窄线宽高功率激光放大器，用来提升各路激光的平均功率。
外差光束合成单元包括整个系统后端的一个高功率光束合成器和串联在每一路窄线宽高功率激光放大器前的光延迟线、相位调制器、偏振控制器；光延迟线控制相应路激光的光程使各路激光的光程相等；相位调制器锁定各路激光的相位至设定值；偏振控制器控制相应路激光的偏振态使各路激光的偏振态保持一致，高功率光束合成器是将各路载波频率呈等差数列分布的高功率连续激光进行外差合束。高功率激光将放大器放置在光延迟线、相位调制器、偏振控制器之后的目的在于防止高功率激光放大器输出的高功率表激光对上述器件的损伤。
本发明中采用的外差光束合成，与现有的相干合成、光谱合成都存在相似之处，但存在本质不同。首先，参与外差合束的各路激光的载波频率不同，而通常的相干合束的各路激光载波频率相同；其次，参与外差合成的每路激光的载波频率间隔相对较小，远小于光谱合束的每路波长间隔所对应的频率间隔。外差合成的频率间隔通常在十KHz到十GHz量级，而光谱合成技术对应的波长间隔在亚nm到nm量级，对应的频率间隔通常在亚THz到THz量级。
结合图1，其中，ISO为光隔离器，FS为声光移频器，BS为分束镜，DL为光延迟线，PM为相位调制器，PC偏振控制器，Amp为光放大器，DC为合束器，BS为分束器，PD为光电探测器，CCD为CCD相机。光隔离器设置于单频激光器(single frequency laser)的出射光路上。载波移频单元为N个级联的声光移频器，即前一路的声光移频器发出的激光进入后一路的声光移频器中。每一声光移频器的移频量相同，均为Δf。第一路声光移频器设置于光隔离器后方的光路上。从每一级声光移频器之间均用激光分束器分出一束激光，即可获得N路载波频率呈等差数列的连续激光。每一载波频率激光的光路上依次设置光延迟线、相位调制器、偏振控制器和高功率激光放大器，放大后的所有路激光汇至高功率光束合束器中进行外差合束。
为了监测和优化激光锁模的效果，从外差合束后的高平均功率锁模激光中分出较弱的一束激光照射光电探测器，以测量外差合成的锁模激光的脉冲波形，用于反馈控制光纤延迟线、相位调制器、偏振控制器等，对外差干涉合束的效果进行优化。还可以用CCD相机监测光束的空间重合度。
结合图2，M为反射镜，声光移频器之间设置一个分束器和若干反射镜，分束镜将前一声光移频器输出的激光分成两路，一路直接进入光延迟线，另一路经过反射镜的调整光束方向进入后一级声光移频器。在合束器后设置分束镜，将一小部分激光分束用于优化检测使用，分束镜后设置透镜对激光进行聚焦，聚焦后的激光通过分束镜，一部分传输至CCD相机，另一部分传输至光电探测器。光电探测器测量合成的锁模激光脉冲的波形，用于反馈控制光纤延迟线、相位调制器、偏振控制器等，对外差干涉合束的效果进行优化；CCD相机监测光束的空间重合度。
结合图3、图4，为弥补声光移频器每级分束带来的级联功率损耗，扩展可参与外差合束的路数，可在声光移频器之间设置一激光预放大器经行功率放大。由于每级声光移频器的输出激光功率相同，则可以采用具有相同分束比的激光分束器，简化工程实现难度。
一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生方法，包括以下步骤：
步骤S101，将单频或窄线宽连续激光器输出的单频或窄线宽连续激光，依次交替通过多个移频量相同的声光移频器和激光分束器，获得N路载波频率呈等差数列分布的连续激光；
步骤S102，经过步骤S101处理的各载波频率连续激光依次经过各路的光延迟线、相位调制器、偏振控制器；
步骤S103，经过步骤S102处理的各载波频率连续激光，分别经过各路的高功率连续激光放大器，进行独立的激光功率放大，获得载波频率呈等差数列分布的多路高功率单频或窄线宽连续激光；
步骤S104，经过步骤S103处理后获得的各路具有固定频率间隔的高功率单频或窄线宽连续激光，通过光束合束装置，使各路光束在空间上高度重合，进行多光束外差干涉，产生高平均功率的锁模激光脉冲序列；
步骤S105，用分束器将经过步骤S104处理后获得的高平均功率锁模激光分出较弱的一束，用于监测外差合成的效果。
步骤S101中，假设声光移频器的移频量同为Δf，则激光通过第一个声光移频器时，载波频率变为f0+Δf。用激光分束器从中分出一束激光，用于后续的高功率放大和外差合成，剩余的激光继续通过第二个相同的声光移频器，则激光的载波频率变为f0+2Δf，然后再用激光分束器从中分出一束激光，依次循环，直至通过最后一个声光调制器，激光的载波频率变为f0+NΔf。这样可以获得N路载波频率呈等差数列分布的单频或窄线宽连续激光。合理控制每级激光分束器的分束比，使每级分出来的激光功率基本相等。
步骤S105中可用光电探测器测量合成的锁模激光脉冲的波形，用于反馈控制光纤延迟线、相位调制器、偏振控制器等，对外差合束的效果进行优化。还可以用数字图像传感器监测光束的空间重合度。
一种改进的基于级联移频的高平均功率锁模激光产生方法，包括以下步骤：
步骤S201，将单频或窄线宽连续激光器输出的单频或窄线宽连续激光，通过声光移频器将载波频移Δf后，用激光分束器从中分出一束设定功率的载波频率为f0+Δf的激光。将剩余的激光先通过低功率的窄线宽激光预放大器，将激光功率放大到与第一级声光移频器输入端相同的功率，然后再通过与第一级相同的声光移频器，然后再用与第一级相同的激光分束器从中分出一束设定功率的载波频率为f0+2Δf的激光，依次循环，直至通过最后一个声光调制器，激光的载波频率变为f0+NΔf。这样可以获得N路载波频率呈等差数列分布，且功率相同的单频或窄线宽连续激光。
步骤S202，让经过步骤S201处理的每路单频或窄线宽连续激光，都依次经过各路的光延迟线、相位调制器、偏振控制器，为后续的外差合成提供反馈控制手段。
步骤S203，让经过步骤S202处理的每路单频或窄线宽连续激光，分别经过各路的高功率连续激光放大器，进行独立的高功率连续激光放大，获得得N路载波频率呈等差数列分布的高功率单频或窄线宽连续激光。
步骤S204，将经过步骤S203处理后获得的各路具有固定频率间隔的高功率单频或窄线宽连续激光，通过光束合束装置，使各路光束在空间上高度重合，进行多光束外差干涉，产生高平均功率的锁模激光脉冲序列。
步骤S205，用分束器将经过步骤S204处理后获得的高平均功率锁模激光分出较弱的一束，用于监测外差合成的效果。可用光电探测器测量合成的锁模激光脉冲的波形，用于反馈控制光纤延迟线、相位调制器、偏振控制器等，对外差合束的效果进行优化。还可以用数字图像传感器监测光束的空间重合度。

Claims (10)

1.一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统，其特征在于，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；其中
连续激光种籽源发射连续激光；
第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，
每一载波移频单元的移频量相同；
每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；
每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；
外差光束合成单元对放大后的各载波频率的激光进行外差合束。
2.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，激光种籽源发射的连续激光为单频或窄线宽连续激光。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每两个载波移频单元之间设置一激光预放大器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每束激光的载波频率呈等差数列分布，频率间隔相等在十KHz到十GHz量级。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，高功率连续放大单元包括串联在各路的窄线宽高功率激光放大器，将每路激光进行独立的窄线宽高功率连续激光放大。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，外差光束合成单元包括各路串联的光延迟线、相位调制器、偏振控制器，以及将各路激光外差合束的高功率光束合成器；光延迟线、相位调制器、偏振控制器设置在高功率连续放大单元之前，高功率光束合成器设置在高功率连续放大单元之后；其中
光延迟线控制相应路激光的光程使各路激光的光程相等；
相位调制器锁定各路激光的相位至设定值；
偏振控制器控制相应路激光的偏振态使各路激光的偏振态保持一致；
高功率光束合成器将各路激光进行外差合束。
7.一种基于权利要求1所述系统的高平均功率锁模激光产生方法，其特征在于，包括：
单频或窄线宽的连续激光依次通过级联的载波移频单元和激光分束单元获得功率相等、载波频率呈等差数列分布的多路激光；
对每一载波频率的连续激光进行独立的高功率连续激光放大；
对放大后的各路激光进行外差合束。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每一载波移频单元之间设置一激光预放大器，以弥补分束带来的功率损耗。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，获得的锁模激光的重复频率通常在十KHz到十GHz量级。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在高功率连续激光放大前对各路激光进行如下操作：
控制相应路激光的光程使各路激光的光程相等；
锁定各路激光的相位至设定值；
控制相应路激光的偏振态使各路激光的偏振态保持一致。
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