CN113964635B - 一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置。该装置基于非线性放大环形镜，通过调节脉冲增益实现非线性相移的精确控制，从而实现光脉冲的时域窄化以及旁瓣小脉冲的有效滤除，结合外腔多通控制技术，最终可以实现脉冲对比度的显著提高。该脉冲时域整形技术，可以用于产生高对比度的光脉冲，具有光束空间模式好、脉冲宽度适应范围广、系统整体结构简单等特点。

Description

一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置

技术领域

本发明涉及超快激光领域，尤其涉及一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置。

背景技术

超短脉冲激光具有高峰值功率和窄脉冲宽度的特性，已在诸多领域得到广泛应用，如高速光通信、超精细冷加工、微纳器件制造、生物组织切割等。在特定应用场景下，脉冲对比度作为一项关键激光参数显得尤为重要。例如，在激光打固体靶实验中，即使相对主脉冲很小的旁瓣预脉冲也有可能会在主脉冲到达之前造成靶的破裂和预电离，因此脉冲对比度不足将对实验结果产生严重影响。又如，在飞秒激光微加工中，脉冲对比度将直接影响加工质量的优劣。从宏观上来看，脉冲对比度越好，被加工物体的边缘越清晰，粗糙度越小。再如，对于电调制产生的光脉冲，其受限于调制器自身的调制深度，导致脉冲对比度普遍不高，存在不可忽略的连续光背景，将会影响后续脉冲光功率的放大效果。

目前，提高激光脉冲对比度的方法主要有以下四种。1.基于可饱和吸收体的脉冲时域整形技术，对于峰值功率的要求较高，会超过大部分介质产生自聚焦所需要的能量，造成光束空间轮廓扭曲。2.非线性偏振旋转法，可以采用全光纤结构，具有结构简单、成本低、损耗小等优点，但对入射光功率和光纤长度等参数比较敏感，优化对比度的过程相对繁琐。3.扫描滤波方法，其选通原理是基于光的频率而不是强度，无法有效滤除fs量级光脉冲的噪声。4.交叉偏振滤波技术，其对比度提升效果受偏振消光比的限制，当峰值功率密度较高时，其转换效率会趋于饱和，且非线性晶体在高功率密度下工作时容易损伤，影响系统的长期工作稳定性。

为此，本发明提供一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，具有光束空间模式好、脉冲宽度适应范围广、系统整体结构简单等特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，用于产生高对比度的光脉冲。该技术基于非线性放大环形镜，通过调节脉冲增益实现非线性相移的精确控制，从而实现光脉冲的时域窄化以及旁瓣小脉冲的有效滤除，结合外腔多通控制技术，最终可以实现脉冲对比度的显著提高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，所述装置包括：电路控制模块030，非线性相移产生模块070、光开关模块040；初始脉冲经脉冲选择器020降低重复频率后，经耦合器060进入非线性环形镜，形成顺时针和逆时针运行的两束光，随后，精确调控非线性相移量，当两束光的相位差累积到π的奇数倍时，双向运行的脉冲光场可以在耦合器060处发生完全干涉，从而使脉冲中间部分进入输出端，而脉冲侧翼或者旁瓣部分则大部分返回输入端光路，最终被隔离器050阻挡，在光开关模块040的作用下，可以实现光脉冲的多次循环整形，提升脉冲对比度。

优选的，所述光开关模块包括：一个偏振旋转模块041和偏振分束器042。

优选的，所述偏振旋转模块包括：第一半波片043、普克尔盒044、第二半波片045。

优选的，从耦合器060透射出去的水平偏振光进入偏振旋转系统041，在未给普克尔盒044施加电压的情况下，输出为竖直方向偏振光，经过偏振分束器042反射回腔内；在电压触发普克尔盒044的情况下，输出为水平偏振光，可从偏振分束器042透射出去。

优选的，所述非线性相移产生模块070，包括：激光二极管泵浦源071、波分复用器072及增益光纤073。

优选的，通过精确调节激光二极管泵浦源071的输出功率，可以改变双向脉冲经过环形镜累积的非线性相移量。

优选的，所述普克尔盒包含一个电光晶体，通过在电光晶体上施加电压改变快慢轴的折射率，控制光在快慢轴传输的相位差，进而改变光的偏振方向。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用非线性放大环形镜，实现超快脉冲波形的高效滤波，整体结构无需任何反馈控制，具有简单方便、即插即用的优点。

(2)本发明基于非线性自相位调制效应，具有高速的响应带宽，尤其适合皮秒甚至飞秒的超快脉冲。

(3)本发明通过精细调节环形镜内的增益量，不仅可以补偿输出脉冲的传输损耗，而且可以优化脉冲滤波的透过效率。

(4)本发明利用光学外腔多通时域滤波技术，实现输入脉冲多次经过脉冲整形装置，能够大幅提高光学脉冲的对比度。

(5)本发明采用全保偏光纤结构，具有装置集成化、环境稳定性好等优点。

附图说明

附图1为本发明一种基于非线性放大环形镜提高脉冲对比度的原理示意图。

附图2为本发明一种基于非线性放大环形镜提高脉冲对比度的模拟效果图。

附图3为本发明一种基于非线性放大环形镜提高脉冲对比度的实施例装置示意图。

其中：非线性相移产生模块110，耦合器120，信号光沿隔离器130，激光二极管泵浦源111，电路控制模块030，非线性相移产生模块070，光开关模块040，激光二极管071、波分复用器072，增益光纤073，光开关模块040包括偏振旋转模块041，偏振分束器042，第二半波片045，普克尔盒044，第一半波片043。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由非线性相移产生模块110、耦合器120及隔离器130构成。信号光沿隔离器130输入，经耦合器120后分成两个脉冲进入非线性环形镜，分别沿顺时针和逆时针方向传输。增益光纤113被放置在环形镜内的非对称位置，即靠近耦合器120处，使得双向脉冲经过增益光纤113的先后顺序不一样，从而获得不同的非线性相移量。然后，精确调节激光二极管泵浦源111的输出功率，改变双向脉冲经过环形镜累积的非线性相移量。当相移量的差值满足π的奇数倍相位时，双向运行的脉冲光场可以在耦合器120处发生完全干涉，从而使脉冲中间部分进入输出端，而脉冲侧翼或者旁瓣部分则大部分返回输入端光路，最终被隔离器130阻挡。进一步地，可以构建一个光学外腔，连接输出端与输入端，使得光学脉冲循环进入基于非线性放大环形镜的时域滤波装置，从而实现光学脉冲的多通整形，最终能够显著提升脉冲的对比度。

为了定量说明上述脉冲对比度提升的机制，我们可以建立如下的简化模型。在小信号放大条件下，可以假定放大器对于不同强度光脉冲的增益都为G，其可以通过改变泵浦源的注入功率来精确调节。当增益光纤被放置在耦合器附近时，顺时针和逆时针方向运行的光脉冲所经历的非线性相移差可以表示为：

Δφ∝n2×L×I×(G-1),(1)

其中n2为光纤非线性折射率，L为环形镜的长度，I为脉冲的光强。此时，该脉冲的透过率为：

当增益系数G调节至满足Δφ＝π时，此时光强为I的光场对应的透过率T＝1。若脉冲中心的峰值强度为Im，通过调节合适的增益系数G，总能满足Δφ＝π，即T＝1。因此，对于任意强度的光场I，其透过率可以进一步表示为：

T(I)＝[1-cos(π×I/Im)]/2＝[1-cos(π×In)]/2, (3)

其中In为归一化光场强度。

若初始输入光场中旁瓣脉冲的归一化强度为I(0)，则一次通过时域滤波装置后，其强度变为：

I(1)＝I(0)×T[I(0)]. (4)

当N次通过滤波装置时，最终的旁瓣脉冲强度可由如下递归公式得出：

I(N)＝I(N-1)×T[I(N-1)]， (5)

其中，我们假定了每次运行中脉冲经历的放大增益和传输损耗可以相互抵消，即每次进入滤波装置的脉冲峰值强度不变。

脉冲的对比度V的定义如下：

V(N)＝[1-I(N)]/[1+I(N)]. (6)

通过上式，可以求解出不同初始脉冲对比度V(0)以及不同运行次数N条件下，最终可以实现的脉冲对比度。

图2展示了本发明一种基于非线性放大环形镜提高脉冲对比度的模拟效果图。可以看出，即使在初始对比度仅为0.1的情况下，经过6圈后也能获得趋近于1的理想效果，显示了该对比度提高方法较快的收敛性

实施例1。

以下结合附图3所示的实施例对本发明相关特征作进一步详细说明，以便于同行业人员的理解：

本发明系统具体包括：电路控制模块030，用于记录初始信号光的重频、调控给普克尔盒施加电压的频率；非线性相移产生模块070，用于给双向传输脉冲提供精确的非线性相移量；光开关模块040，用于准确改变光的偏振态，实现脉冲在环形境内多次循环，提高脉冲对比度。非线性相移产生模块070包括激光二极管071、波分复用器072及增益光纤073；光开关模块040包括偏振旋转模块041及偏振分束器042。偏振旋转模块041由第二半波片045、普克尔盒044、第一半波片043构成。

脉冲单次整形过程如下：降频后的初始脉冲注入非线性放大环形腔中，在非线性相移模块070的作用下，正反向传输脉冲获得的累积相移量不同。非线性相移量可通过改变激光二极管071的泵浦值精确控制，由此可实现脉冲中央位置获得π的相移量而透过，两翼旁瓣则被损耗。

脉冲循环整形过程如下：通过电路控制模块030给普克尔盒044施加电压，其频率与降重频后信号光一致，使得在下一个脉冲到达之前，普克尔盒044上未施加电压。调节第二半波片045和第一半波片043的光轴位置，使其与普克尔盒快慢轴分别成22.5度角，可让从从耦合器060透射出来的水平偏振光经过两块半波片变为竖直偏振光，经过偏振分束器042重新注入腔中，进入下一轮整形。下一个脉冲到达时，控制系统030给普克尔盒044施加电压，可使得水平偏振光经过第二半波片045、普克尔盒044及第一半波片043仍为水平偏振光，由偏振分束器042输出。由此，可实现脉冲两翼旁瓣不断削弱，从而提高脉冲的对比度。

实施例的具体光路与操作如下：注入重频为100MHz的初始信号光，首先经过1:9分束镜010。10％的信号光经探测器将光信号转换为电信号发送给电路控制模块030，记录下重频；90％的信号光进入脉冲选择器020，将重频频率降至10MHz。降重频后的信号光为水平偏振态，可以穿过偏振分束器042，通过隔离器050后经耦合器060分为两束光，分别沿顺时针和逆时针两个方向运行。两束光经过非线性相移产生模块070，使得双向脉冲经过增益光纤073的先后顺序不一样，从而获得不同的非线性相移量。通过精确调节激光二极管泵浦源071的输出功率，可以改变双向脉冲经过环形镜累积的非线性相移量。当相移量满足π的奇数倍相位时，脉冲中间部分可以进入输出端，而脉冲侧翼或者旁瓣部分则大部分返回输入端光路，最终被隔离器050阻挡。输出端的光具有水平偏振态，经第二半波片045、处于未加电压的普克尔盒044和第一半波片043后，将变为竖直偏振态，被偏振分束器042反射。因此，光学脉冲可以循环进入基于非线性放大环形镜的时域滤波装置，从而实现光学脉冲的多通整形，最终能够显著提升脉冲的对比度。

上述所有光纤部分连接都采用保偏单模光纤，所有器件都为保偏器件；

所述脉冲选择器020降重频操作不仅限于降到10MHz，可根据脉冲对比度提高效果进行选取；

所述增益光纤073可采用适用于不同波段的增益光纤，如掺镱或者掺铒光纤；

所述激光二极管071的中心波长为980nm。

综上所述，本发明提供一种提升脉冲对比度的方法，通过选取合适的增益介质和光纤器件可应用于1-2μm光学波段的光学脉冲，尤其适合皮秒甚至飞秒量级的超短脉冲。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。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 (7)

1.一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，其特征在于，所述装置包括：电路控制模块(030)，非线性相移产生模块(070)、光开关模块(040)；初始脉冲经脉冲选择器(020)降低重复频率后，经耦合器(060)进入非线性环形镜，形成顺时针和逆时针运行的两束光，随后，精确调控非线性相移量，当两束光的相位差累积到π的奇数倍时，双向运行的脉冲光场在耦合器(060)处发生完全干涉，从而使脉冲中间部分进入输出端，而脉冲侧翼或者旁瓣部分则大部分返回输入端光路，最终被隔离器(050)阻挡，在光开关模块(040)的作用下，实现光脉冲的多次循环整形，提升脉冲对比度。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，其特征在于，所述光开关模块包括：一个偏振旋转模块(041)和偏振分束器(042)。

3.根据权利要求2所述的一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，其特征在于，所述偏振旋转模块包括：第一半波片(043)、普克尔盒(044)、第二半波片(045)。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，其特征在于，从耦合器(060)透射出去的水平偏振光进入偏振旋转系统(041)，在未给普克尔盒(044)施加电压的情况下，输出为竖直方向偏振光，经过偏振分束器(042)反射回腔内；在电压触发普克尔盒(044)的情况下，输出为水平偏振光，可从偏振分束器(042)透射出去。

5.根据权利要求1所述的一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，所述非线性相移产生模块(070)，包括：激光二极管泵浦源(071)、波分复用器(072)及增益光纤(073)。

6.根据权利要求5所述的一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，其特征在于，通过精确调节激光二极管泵浦源(071)的输出功率，以改变双向脉冲经过环形镜累积的非线性相移量。

7.根据权利要求3所述的一种基于非线性放大环形镜原理提高脉冲对比度的装置，其特征在于，所述普克尔盒包含一个电光晶体，通过在电光晶体上施加电压改变快慢轴的折射率，控制光在快慢轴传输的相位差，进而改变光的偏振方向。