CN109728500A - 一种包含脉冲分裂功能的再生放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，涉及一种包含脉冲分裂功能的再生放大器，第二腔镜、脉冲选择装置、增益装置、脉冲分裂装置、第一腔镜依次放置形成再生放大器，脉冲选择装置从输入的激光脉冲序列中选取激光单脉冲输入再生放大器，该激光单脉冲在再生腔中循环多次，反复被增益装置放大、被脉冲分裂装置分裂成多个得到多次放大的脉冲串，多次放大的脉冲串在时间上重叠堆积，最终在循环至设定圈数时，脉冲选择装置开放一个时间窗口，窗口时长根据脉冲串长度由用户设定，输出激光脉冲串；所获得的脉冲串脉冲间隔数皮秒至数纳秒连续可调，脉冲数量、脉冲数量、包络形状可调，脉冲脉冲串的多样性和控制精度大幅提高。

Description

一种包含脉冲分裂功能的再生放大器

技术领域:

本发明属于激光技术领域，涉及一种激光器，特别是一种包含脉冲分裂功能的再生放大器。

背景技术：

超快激光器(超短超强脉冲激光器)，具有脉宽窄，峰值功率高，波长可调谐等优点，在高速通信技术、高速摄影、光存储技术、激光核聚变、超精细加工、激光测距、雷达、生物学、激光光谱学、光电取样技术、深空探测等领域具有广泛的应用，对研究超高速现象及微观世界的规律性具有极大的意义。

一般情况下由直接通过锁模技术产生稳定的超短脉冲的重复频率为百兆赫兹，单脉冲为纳焦量级，功率较低，不能直接满足需求应用。为获得超快激光脉冲输出，需要对超短脉冲种子光进行放大。目前，一般采用行波放大或再生放大以及两者结合的方法对超短脉冲种子光进行放大，再生放大器可以从锁模脉冲序列中选出单个激光脉冲，使其在增益介质中往返若干次，经过多次的增益放大，放大器输出的单个激光脉冲的能量可以增大10⁶～10⁷倍，从而可将纳焦量级脉冲放大到毫焦量级，而且再生放大器具有谐振腔结构，放大后的脉冲具有好的光束质量，再生放大器输出的激光可以经过后级放大器继续放大，使能量进一步的提高。

现有的再生放大器，脉冲能量会受到以下两个原因的限制，难以进一步提高：一是若脉冲峰值功率过高，易非线性、自聚焦、等现象严重，甚至损伤激光器器件，故允许的脉冲能量受限；二是再生放大器具有谐振腔结构，当激光脉冲增益等于腔内损耗时，激光输出便饱和，此时放大器还有大量能量未被提取完，故再生放大的提取效率远低于行波放大；另一方面，超精细激光加工越来越多是使用激光脉冲串，实践证明激光脉冲串相较于单个激光脉冲有巨大的优势，大大提高的激光加工工艺的多样性。常规的超快激光器产生脉冲串的方法是：BurstModel，其特点是：在高重频(MHz)降频时，每次放出相邻的多个脉冲，一起进入放大器放大。但是BurstModel产生脉冲串的方法存在问题：脉冲间隔基于种子源重频，多为数十纳秒，且不可调。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种包含脉冲分裂功能的再生放大器，通过将脉冲分裂装置加入到再生放大器中，来提高再生放大器脉冲包能量，同时借助再生放大系统精确的脉冲控制能力，可获得重复频率、脉冲能量、脉冲数量、脉冲间隔、包络形状均可调的激光脉冲串，脉冲间隔数皮秒至数纳秒连续可调，脉冲脉冲串的多样性和控制精度大幅提高。

为了实现上述目的，本发明所述包含脉冲分裂功能的再生放大器主体结构包括脉冲选择装置、增益装置、脉冲分裂装置、第一腔镜、第二腔镜所组成的再生腔；第二腔镜、脉冲选择装置、增益装置、脉冲分裂装置、第一腔镜依次放置形成再生放大器，脉冲选择装置从输入的激光脉冲序列中选取激光单脉冲输入再生放大器，该激光单脉冲在再生腔中循环多次，反复被增益装置放大、被脉冲分裂装置分裂成多个得到多次放大的脉冲串，多次放大的脉冲串在时间上重叠堆积，最终在循环至设定圈数时，脉冲选择装置开放一个时间窗口，窗口时长根据脉冲串长度由用户设定，输出激光脉冲串。

本发明所述脉冲选择装置为基于声光、电光调制器的装置，用于切换激光传播路径，并从输入激光脉冲序列中选取单脉冲输入放大器。

本发明所述的增益装置为固体、光纤或者其他激光增益介质，用于放大激光脉冲能量。

本发明所述的脉冲分裂装置在形态上为空间光结构、光纤结构或者其他能够达到分裂效果的装置，使激光脉冲通过脉冲分裂装置时，将激光脉冲分裂成N个(N≥2)。

本发明所述再生腔用于约束激光脉冲在其内循环多次，其物理组成可为镜片或晶体镀膜约束的空间腔型，或为光纤约束形成光纤腔型。

本发明所述的再生腔，可以由第一腔镜和第二腔镜组成，也可以由多个(≥2)腔镜组成；所述再生腔可以是线性腔也环形腔。所述腔镜可以为平面镜、曲面镜、透镜、棱镜或光栅。

本发明所述再生腔可以在内外增加不影响激光脉冲在其内循环的装置。

本发明与现有技术相比，脉冲包能量更高；所获得的脉冲串脉冲间隔数皮秒至数纳秒连续可调，脉冲数量、脉冲数量、包络形状也可调，脉冲脉冲串的多样性和控制精度大幅提高。

附图说明：

图1为本发明所述的一种包含脉冲分裂功能的再生放大器的主体结构原理示意图。

图2为本发明实施例中激光单脉冲通过脉冲分裂装置后，各能量的能量示意图。

图3为本发明实施例中第2圈激光脉冲串通过所述的脉冲分裂装置后，各能量的能量示意图(a)及所述实施例的实验测量图(b)。

图4为本发明实施例中第3圈激光脉冲串通过所述的脉冲分裂装置后，各能量的能量示意图(a)及所述实施例的实验测量图(b)。

图5为本发明实施例中第N圈激光脉冲串通过所述的脉冲分裂装置后，各能量的能量示意图(a)及所述实施例的实验测量图(b)。

图6为本发明实施例中所述输出激光脉冲串的典型测量图。

图7为本发明实施例中，调节所述输出激光脉冲串的脉冲间隔、数量、能量比、包络等参数的实验测量举例图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：

本实施例所述包含脉冲分裂功能的再生放大器主体结构如图1所示，包括脉冲选择装置1、增益装置2、脉冲分裂装置3、第一腔镜4、第二腔镜5所组成的再生腔；第二腔镜5、脉冲选择装置1、增益装置2、脉冲分裂装置3、第一腔镜4依次放置形成再生放大器，脉冲选择装置1从输入的激光脉冲序列中选取激光单脉冲输入再生放大器，该激光单脉冲在再生腔中循环多次，反复被增益装置2放大、被脉冲分裂装置3分裂成多个得到多次放大的脉冲串，多次放大的脉冲串在时间上重叠堆积，最终在循环至设定圈数时，脉冲选择装置1开放一个时间窗口，窗口时长根据脉冲串长度由用户设定，输出激光脉冲串。

本实施例所述脉冲选择装置1为基于声光、电光调制器的装置，用于切换激光传播路径，并从输入激光脉冲序列中选取单脉冲输入放大器。

本实施例所述的增益装置2为固体、光纤或者其他激光增益介质，用于放大激光脉冲能量。

本实施例所述的脉冲分裂装置3在形态上为空间光结构、光纤结构或者其他能够达到分裂效果的装置，使激光脉冲通过脉冲分裂装置3时，将激光脉冲分裂成N个(N≥2)，各次级脉冲能量比可设定，本实施例中每次激光单个脉冲(初始能量归一化为1)通过此装置时被分裂成10个脉冲，各级脉冲能量依次设定为：0.4、0.36、0.144、0.0576、0.02304、0.009216、0.003686、0.001475、0.00059、0.000236，如图2所示。

本实施例第一腔镜4和第二腔镜5用于形成激光脉冲循环的再生腔，再生腔为线性腔、环形腔或其他腔型，腔镜为平面镜或曲面镜；再生腔镜片数量可以是一个也可以是多个，本实施例选取最简单的平平腔。

本实施例所述包含脉冲分裂功能的再生放大器工作过程为：

脉冲选择装置1从输入激光脉冲序列中选择单个激光脉冲进入再生腔循环多次放大，

第1圈：激光脉冲经过增益装置2放大，记为(0)A，脉冲能量归一化为1，(0)A通过脉冲分裂装置3时被分裂成脉冲间隔为dT的N(本实施例中N＝10)个脉冲，记为(0)P(1)-(0)P(10)，能量分别为：0.4、0.36、0.144、0.0576、0.02304、0.009216、0.003686、0.001475、0.00059、0.000236，如图2所示；

第2圈：(0)P(1)-(0)P(10)脉冲通过增益装置2、脉冲选择装置1，被第二腔镜5反射并再次通过脉冲选择装置1、增益装置2，本实施例中设定再生腔往返有效增益为β＝1.3倍；该脉冲串记为(1)A(1)-(1)A(10)；(1)A(1)-(1)A(10)通过脉冲分裂装置3时，每个脉冲都将分裂为10个脉冲，其中(1)A(1)分裂的脉冲记为：(1)A(1)P(1)-(1)A(1)P(10)；(1)A(2)分裂的脉冲记为：(1)A(2)P(1)-(1)A(2)P(10)……(1)A(10)分裂的脉冲记为：(1)A(10)P(1)-(1)A(10)P(10)；由于(1)A(1)-(1)A(10)，各脉冲间隔为dT，以第一个脉冲为起点，(1)A(1)-(1)A(10)脉冲的时刻为：0dTdT*2dT*3……dT*10；分裂后各脉冲的时刻为：

(1)A(1)P(1)-(1)A(1)P(10)：0dTdT*2dT*3……dT*9；

(1)A(2)P(1)-(1)A(2)P(10)：dTdT*2dT*3dT*4……dT*10；

……

(1)A(10)P(1)-(1)A(10)P(10)：dT*9dT*10dT*11dT*12……dT*18；

将相同时刻的脉冲将重叠，得到各个时刻的脉冲为：

0：(1)A(1)P(1)

dT:(1)A(2)P(1)+(1)A(1)P(2)

dT*2:(1)A(3)P(1)+(1)A(2)P(2)+(1)A(1)P(3)

dT*3:(1)A(4)P(1)+(1)A(3)P(2)+(1)A(2)P(3)+(1)A(1)P(4)

……

dT*9：(1)A(10)P(1)+(1)A(9)P(2)+(1)A(8)P(3)+(1)A(7)P(4)+……+(1)A(1)P(10)

……

由于dT*10-dT*18脉冲能量过低，仅在实际理论模型仿真中计算，本实施例文字表述中不计，前10个时刻脉冲记为：1P1-1P10，脉冲能量如图3左(a)所示；

第3圈过程与第2圈类似，脉冲能量如图4(a)所示；

重复上述过程，脉冲在腔内循环多次，由于不断的脉冲分裂与错位重叠，达到了激光脉冲分裂与堆积的作用，第N(N＞10)圈脉冲串通过脉冲分裂装置3后，脉冲能量比趋于稳定，最高10个脉冲能量如图5(a)所示；

循环至设定圈数后，脉冲选择装置1将激光脉冲串输出；借助于再生放大器必须的精确时序同步和控制能力(一般需要数纳秒级，本实施例中精度达到0.25纳秒)，可以根据所需脉冲串时间长度，设置相同的输出窗口时间，选择脉冲串中相应的脉冲输出，达到控制脉冲个数的目的，如图6所示。

本实施例通过调节脉冲分裂装置3控制脉冲串各脉冲时间间隔和包络形状。

本实施例所述脉冲串的峰值功率较原激光单脉冲大幅下降，降低非线性、自聚焦、等现象的程度，避免了激光器器件损伤风险，提高了允许的脉冲能量；同时，由于再生放大器具有谐振腔结构，能够大幅提高实际脉冲串的总能量，设腔内损耗为α，腔内增益为g，则有效增益为：G＝(1+g)*(1-α)-1，当腔内有效增益G＝0时，腔内脉冲能量达到饱和，对于确定的再生放大器，腔内增益为g与输入激光有如下关系：g＝g₀/(1+I_in/I_s)，式中，g₀为激光器小信号增益，Is为饱和光通量，I_in为输入光强；在激光器设计和工作条件不变时Is不变,g随提取的激光能量(即脉冲串的总能量)的增加而下降。通过脉冲分裂装置(3)后，I_in减小，g增加，脉冲串总能量提高，g下降。故最终当有效增益G＝0时，激光脉冲串中各脉冲能量达不到原单个脉冲的能量，但脉冲串的总能量大幅提高。

本实施例根据上述原理，组装脉冲分裂装置并搭建再生放大器。实际测量得第2圈、第3圈、第N(N＞10)圈后脉冲串能量比如图3(b)、图4(b)、图5(b)所示，输出激光脉冲串如图6所示，借助于再生放大器必须的精确时序同步和控制能力、并调节脉冲分裂装置，可获得重复频率、脉冲能量、脉冲数量、脉冲间隔、包络形状均可调的激光脉冲串，举例参考如图7所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。典型的，本发明中的方法也可以使用激光振荡器、多通放大器等激光器和放大器中以提升性能，提升的性能并不局限于本专利中所提及的性能。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改变和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种包含脉冲分裂功能的再生放大器，其特征在于主体结构包括脉冲选择装置、增益装置、脉冲分裂装置、第一腔镜、第二腔镜所组成的再生腔；第二腔镜、脉冲选择装置、增益装置、脉冲分裂装置、第一腔镜依次放置形成再生放大器，脉冲选择装置从输入的激光脉冲序列中选取激光单脉冲输入再生放大器，该激光单脉冲在再生腔中循环多次，反复被增益装置放大、被脉冲分裂装置分裂成多个得到多次放大的脉冲串，多次放大的脉冲串在时间上重叠堆积，最终在循环至设定圈数时，脉冲选择装置开放一个时间窗口，窗口时长根据脉冲串长度由用户设定，输出激光脉冲串。

2.根据权利要求1所述包含脉冲分裂功能的再生放大器，其特征在于所述脉冲选择装置为基于声光、电光调制器的装置，用于切换激光传播路径，并从输入激光脉冲序列中选取单脉冲输入放大器。

3.根据权利要求1所述包含脉冲分裂功能的再生放大器，其特征在于所述的增益装置为固体、光纤或者其他激光增益介质，用于放大激光脉冲能量。

4.根据权利要求1所述包含脉冲分裂功能的再生放大器，其特征在于所述的脉冲分裂装置在形态上为空间光结构、光纤结构或者其他能够达到分裂效果的装置，使激光脉冲通过脉冲分裂装置时，将激光脉冲分裂成N个，N≥2。

5.根据权利要求1所述包含脉冲分裂功能的再生放大器，其特征在于所述再生腔还能右两个以上的腔镜组成；再生腔为线性腔或环形腔，腔镜为平面镜、曲面镜、透镜、棱镜或光栅。