CN116131081B - 脉冲时序激光功率放大装置及时序可控多激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲时序激光功率放大装置及时序可控多激光系统，所述激光功率放大装置包括时序控制单元和功率放大单元，时序控制单元用于将入射的源激光进行参数调制和开关时序控制，输出主激光；功率放大单元用于对主激光进行功率放大，输出从激光；其中，参数调制包括频率、相位、幅度的调制，功率放大包括注入锁定放大或行波放大或再生放大。本发明提供的时序可控多激光系统，包括若干所述激光功率放大装置，使得原子实验中只需要一台性能良好的激光器就可以服务于多个平台的实验需求，可以在保留主激光的频率特性基础上，最大程度保留从激光的可用功率，性能稳定成本低。

Description

脉冲时序激光功率放大装置及时序可控多激光系统

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种脉冲时序激光功率放大装置及时序可控多激光系统。

背景技术

自上世纪 60年代激光器诞生以来，激光器相关技术迅速发展。由于激光具有良好的单色性、长的相干时间以及好的方向性，在科研和工业领域都得到了广泛的应用。在一些科研实验中，如冷离子、冷原子量子计算领域中要求激光的线宽较窄，比如 10Hz甚至0.1Hz量级，载波频率 2MHz以内的相位噪声较小以保证量子态操作的精度；同时激光的功率还必须较大（以达到光强为 10⁷W /m²以上）以保证量子态操作的速度。窄线宽大功率的激光光源价格昂贵，而在进行激光频率、相位、幅度调制及开关控制光路中激光功率损失较大（例如单模保偏光纤耦合效率一般只有 50%-80%，声光调制器一级衍射效率只有 50%-90%）。随着实验平台的扩展，以及实验操控的需求，激光器的输出功率要求越来越高，经常需要几十甚至百毫瓦的激光功率来进行实验。所以，对激光尤其是窄线宽激光的功率进行低成本功率放大相较于重复添置窄线宽激光器而言具有较大的成本优势。在量子计算、通信、传感等领域的使用过程中，对激光器不仅要进行功率放大，通常还要进行移频、移相、时序控制等操作。以往的激光功率放大装置以及操控是分别独立的。一般需要先将激光器出射的种子激光进行放大，主要采取的是如锥形放大器（ TA）、注入锁定、行波放大器等方式。经过放大之后再由声光调制器（AOM）、电光调制器（ EOM）等进行调制，实现移频以及时序控制等功能。但是这种传统做法的缺点是功率损耗较大。这是因为声光调制器这种器件单次通过的衍射效率约为 50%-90%，在激光两次经过声光调制器晶体后会进一步降低光功率。而为了在一定频率范围内调节激光频率而不改变光路，通常需要采用双通声光调制器构型。有时为了将输出激光调制出幅度可控的边带，还需要再加上一级单次通过构型声光调制器。这种情况下，激光的透射率将降到 35%-75%左右，显著降低了激光的使用效率。

发明内容

本发明的目的是：针对上述现有技术存在的不足，提供一种脉冲时序激光功率放大装置。该装置包括时序控制单元和功率放大单元，所述时序控制单元用于将入射的源激光进行参数调制和开关时序控制，输出主激光。所述功率放大单元用于对所述主激光进行功率放大，输出从激光。

进一步地，所述时序控制单元包括依次设置的1/2波片、偏振分束镜、第一声光调制器、光阑、1/4波片以及全反镜；所述1/2波片用于偏转所述源激光的线偏振方向，输出第一线偏光；所述偏振分束镜用于传播所述第一线偏光至所述第一声光调制器；所述第一声光调制器用于将所述第一线偏光进行移频和时序控制，出射多级衍射光至所述光阑；所述多级衍射光包括一级衍射光和零级衍射光；所述光阑用于透射所述一级衍射光以及屏蔽所述零级衍射光；所述1/4波片设置为将线偏光变为圆偏光，或者圆偏光变为线偏光；所述一级衍射光经所述1/4波片形成第一圆偏光，出射至所述全反镜；所述全反镜用于反射所述第一圆偏光形成第二圆偏光，所述第二圆偏光沿原路依次经所述1/4波片、所述光阑、所述第一声光调制器，返回至所述偏振分束镜。所述第二圆偏光经所述1/4波片形成第二线偏光，所述第二线偏光与所述第一线偏光的偏振方向相互垂直。所述偏振分束镜还用于传播第二线偏光，形成主激光输出至所述功率放大单元。

进一步地，所述功率放大单元包括光隔离器和激光二极管；所述光隔离器用于将所述主激光注入至所述激光二极管；所述激光二极管用于对注入的主激光进行功率放大，输出所述从激光至所述光隔离器；所述光隔离器还用于限制所述从激光传播方向，防止所述从激光反向注入所述激光二极管。

进一步地，所述参数调制包括频率、相位、幅度的调制，所述功率放大包括注入锁定放大或行波放大或再生放大。

本发明还提供了一种脉冲时序多频激光功率放大装置，该装置包括上述的脉冲时序激光功率放大装置，还包括第二声光调制器，所述第二声光调制器设置在所述功率放大单元的出射光路上，所述第二声光调制器用于将出射的所述从激光调制形成边带强度可控的多频信号激光。

进一步地，所述第二声光调制器还包括光学开关，用于实现所述多频信号激光的光路的关断和开通。

另外，本发明还提供了一种时序可控多激光系统，该系统包括上述的脉冲时序激光功率放大装置和 /或上述的脉冲时序多频激光功率放大装置，所述时序可控多激光系统还包括：超窄线宽激光器，输出超窄线宽脉冲激光；以及若干分束镜或若干光纤，用于将所述超窄线宽脉冲激光分为多束所述源激光，使每一束所述源激光入射一个所述脉冲时序激光功率放大装置或一个所述脉冲时序多频激光功率放大装置。

本发明的上述技术方案有如下的有益效果：

本发明提供的脉冲时序激光功率放大装置，只需要一台性能良好的激光器就可以服务于多个平台的实验需求。本发明将时序控制单元设置于功率放大单元之前，可以在保留主激光的频率特性基础上，最大程度保留从激光的可用功率。若利用大失谐激光对于原子系统无影响的特点省略最后一级光开关，还可以节约15%左右的光功率。在本发明的多频激光功率放大装置中，添加光开关虽然损失15%左右的光功率，但是可以提高激光开关性能，实现多频率激光输出。本发明的装置结构简单，性能稳定，成本较低，适于商业推广。

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图 1为本发明实施例的脉冲时序激光放大装置模块结构示意图；

图 2为本发明实施例的脉冲时序多频激光放大装置模块结构示意图；

图 3为本发明实施例的一种时序可控多激光系统结构框图；

图 4为本发明实施例的另一种时序可控多激光系统结构框图；

图 5为本发明实施例测试得到的第一声光调制器对驱动信号的时间响应曲线；

图 6为本发明实施例测试得到的第一声光调制器驱动信号打开后到注入锁定振荡信号稳定建立的时间响应曲线；

图 7为本发明实施例测试得到的第一声光调制器进行脉冲时序控制后输出注入锁定的时间响应曲线。

【附图标记说明】

1、时序控制单元； 2、功率放大单元； 3、源激光； 4、主激光； 5、从激光；6、多频信号激光； 7、超窄线宽脉冲激光； 11、1/2波片；12、偏振分束镜；13、第一声光调制器； 14、光阑； 15、1/4波片；16、全反镜； 17、第二声光调制器；21、激光二极管； 22、光隔离器； 31、第一线偏光； 32、第一圆偏光；33、第二圆偏光； 34、第二线偏光； 100、超窄线宽激光器；101、脉冲时序激光功率放大装置；102、脉冲时序多频激光功率放大装置； 103、分束镜；104、光纤。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

本实施例提供的方案可以快速建立稳定激光振荡（在 10ns量级即可建立稳定振荡），且有无种子源时输出激光频率差别可达几十GHz以上的性质。本实施例提出针对不同应用场景采取不同的放置方案，形成脉冲时序激光功率放大装置 101，可显著提高激光功率的使用效率。

其中，针对不同场景说明如下：

实施例一：

在冷原子物理应用中，针对只需单频激光输出且需要移频和时序控制的单频激光场景，可在实验平台上搭建脉冲时序激光功率放大装置101，如附图1所示。脉冲时序激光功率放大装置 101包括时序控制单元1和功率放大单元 2，时序控制单元1用于将入射的源激光3进行参数调制和开关时序控制，输出主激光4。功率放大单元2用于对主激光4进行功率放大，输出从激光5。其中，参数调制包括频率、相位、幅度的调制，功率放大包括注入锁定放大或行波放大或再生放大。

时序控制单元1包括依次设置的1/2波片11、偏振分束镜12、第一声光调制器13、光阑14、1/4波片15以及全反镜 16； 1/2波片11用于偏转源激光3的线偏振方向，输出第一线偏光31；偏振分束镜12用于透射第一线偏光31至第一声光调制器13；第一声光调制器13用于对第一线偏光31进行移频和时序控制，出射多级衍射光至光阑14。在本发明实施例中，多级衍射光包括一级衍射光和零级衍射光，也可以包括其他级的衍射光。光阑14用于透射一级衍射光以及屏蔽零级衍射光。1/4波片15设置为将线偏光变为圆偏光，或者圆偏光变为线偏光；一级衍射光经1/4波片15形成第一圆偏光 32，出射至全反镜16；全反镜16用于反射第一圆偏光32形成第二圆偏光33，第二圆偏光33沿原路依次经1/4波片15、光阑14、第一声光调制器13，返回至偏振分束镜12。其中，第二圆偏光33经1/4波片15形成第二线偏光34，第二线偏光34与第一线偏光31的偏振方向相互垂直；偏振分束镜12还用于反射第二线偏光34，形成主激光4输出至功率放大单元2。在本发明其他实施例中，偏振分束镜12也可以用于反射第一线偏光31以及透射第二线偏光34，使得第一线偏光31和第二线偏光34传播方向相互垂直。另外，本发明实施例的偏振分束镜12前还可以添加多个1/2波片11或者其他起偏器，以增加或提纯第一线偏光31的线偏度。

功率放大单元2包括光隔离器22和激光二极管21。光隔离器22将主激光4注入至激光二极管21；激光二极管21对注入的主激光4进行功率放大，输出从激光5至光隔离器22。本发明实施例中，利用注入锁定放大器可以快速建立稳定激光振荡（在 ns量级即可建立稳定振荡），且有无主激光4时输出的从激光5频率差别可达几十GHz以上的性质。在本发明其他实施例中，还可以通过行波放大或再生放大等方式，对主激光4进行功率放大。本发明实施例的光隔离器22还用于限制从激光 5的传播方向，防止从激光5反向注入激光二极管21。

其中，输出的从激光5最大功率可以达到主激光4的最大功率，而且从激光5的线宽和噪声特性可以与主激光4保持一致，且从激光5输出功率不受主激光4功率变化的影响。在主激光4被切断之后，从激光5虽然仍有激光出射，但是频率与原子频率大失谐，即在没有注入主激光4的时候，激光二极管21会输出自由运转的激光，此时输出的从激光5频率与实验需要的激光频率（原子频率）不能共振，频率相差较大，不会导致原子的状态发生变化，就算存在该束失谐激光，也不影响实验结果。因此本发明实施例的前置光开关对主激光4进行开关可以控制出射的从激光5的频率与原子频率的共振情况，也可以实现激光操作的开关以用来完成科研实验。本发明实施例提供的技术方案可以100%利用主激光4的功率。

实施例二：

在冷原子物理应用中，针对需要多个频率成分同时与原子相互作用，且需要移频和时序控制的场景多频激光，方案如附图2所示，为本发明实施例的脉冲时序多频激光放大装置模块结构示意图。由图可知，在本发明实施例一的基础上，在进入实验平台之前，从激光5还要通过一次单次通过构型的第二声光调制器17。第二声光调制器17设置在功率放大单元2的出射光路上，第二声光调制器17用于将出射的从激光5调制形成边带强度可控的多频信号激光6。即在第二声光调制器17的驱动信号上进行多频率信号调制，用于防止多频激光注入激光管后引起非线性混频效应，避免导致激光出现高阶边带。在本发明实施例二中，第二声光调制器17还包括光学开关，可以施加光开关调制信号，用于实现多频信号激光6的光路的关断和开通。相比于本发明实施例一的构型，本发明实施例二能够进一步减小大失谐激光可能带来的影响，增加出射激光的稳定性。例如对于 ac Stark频率对精密测量实验的影响。本发明实施例二输出功率可以达到主激光4最大功率的70%-90%。

需要说明的是，多频是指应用场景需要多频激光，所以需要对单频激光进行双频调制。例如需要有两个频差为ω的光合束。传统放大装置的构型，是将双频激光当种子激光（主激光4），注入到激光二极管21中进行注入锁定放大。当多频激光中光频率接近的时候（ω<20MHz时），放大后的从激光5中会出现以频率ω为间隔的更多阶激光边带。有时激光边带可以多至六条以上。这些多出的频率成分通常是对物理实验有害的。本发明实施例二将调制生成多频激光的器件单元移到功率放大单元2之后，彻底解决了上述问题。

实施例三：

请参阅附图 3本发明提供了一种时序可控多激光系统。附图4本发明实施例提供了另一种时序可控多激光系统。在附图3和附图4的实施例中，时许可控多激光系统包括上述的脉冲时序激光功率放大装置101和上述的脉冲时序多频激光功率放大装置102。在本发明的其他实施例中，可以只包括脉冲时序激光功率放大装置101，或只包括脉冲时序多频激光功率放大装置102，或上述两种激光功率放大装置的任意组合。本发明实施例提供的时序可控多激光系统还包括：超窄线宽激光器100，输出超窄线宽脉冲激光7；以及分束镜103或者光纤 104，用于将超窄线宽脉冲激光7分为多束源激光3。需要说明的是，在本发明实施例提供的时序可控多激光系统中分束镜103或者光纤104不能同时存在，要么是分束镜103要么是光纤104。在本发明实施例中，如附图3所示，两束分别入射两个脉冲时序激光功率放大装置101，一束入射脉冲时序多频激光功率放大装置102。如附图4所示，两束分别入射两个脉冲时序多频激光功率放大装置102，一束入射脉冲时序激光功率放大装置101。在本发明的其他实施例中，可以是其他数量的分束镜103或其他数量的光纤104，以及其他数量的脉冲时序激光功率放大装置101和其他数量的脉冲时序多频激光功率放大装置102的任意组合。

需要说明的是，本发明实施例中所采用的超窄线宽激光器100具有线宽窄（ 10Hz线宽以内）、相位噪声小（噪声小于 -60dbm）等性能。分束镜103将超窄线宽脉冲激光7分隔成多束源激光3，还可以通过光纤104实现多平台分发的功能。

由上可知，在本发明实施例中，只需要一台性能良好的超窄线宽激光器 100就可以服务于多个平台的实验需求。移频以及时序控制器件设置于功率放大单元2之前，可以在保留主激光4的频率特性基础上，最大程度保留从激光5的可用功率，且装置结构简单、价格低廉。其中，本发明实施例一的技术方案利用大失谐激光对于原子系统无影响的特点省略最后一级光开关，可以节约（提升） 15%左右的光功率。本发明实施例二的技术方案通过添加输出级，虽然损失15%左右的光功率，但是可以提高激光开关性能，实现多频率激光输出。

以下通过实验测试进一步论证：

实验条件下，噪声对比可以通过直接使用主激光4和脉冲式注入锁定后的激光进行单离子光谱激发来对比。如果存在噪声，激发谱将出现噪声频 段的杂峰。主激光4激发谱线和脉冲式注入锁定激发谱线显示，本发明技术方案和传统技术方案并无实质噪声差别。

为了判定脉冲时序激光注入锁定后的激光的时间响应、频率跟随性能，本发明实施例另外搭建了测试光路。在本发明实施例的测试光路中，源激光3被分成了两束，一束经由第一声光调制器13进行调制后注入经光隔离器22注入激光二极管21中实现注入锁定，输出的从激光5经过分束镜103分出一部分用于拍频检测其锁定功能；另一束作为参考光，通过45度全反镜16和半透半反镜与源激光3用于拍频的部分进行合束，用于拍频检测。在本发明实施例的测试光路中，采用高速光电探测器探测源激光3与从激光5的拍频信号，当激光频率与相位被锁定时，光电探测器上将出现幅度和相位稳定的正弦信号，频率与第一声光调制器13驱动信号一致。测试结果用500MHz带宽示波器显示和记录。信号发生器用于控制第一声光调制器13的开关、频率移动量、以及激光功率。关断信号发生器，将切断锁定的主激光4，打开信号发生器，将打开主激光4。有主激光4注入时，从激光5锁定到所需的激光频率。当信号发生器关断时，输出的从激光5自由运行，由 于源激光3与自由运行的从激光5频差达10GHz量级，光电探测器无法响应，拍频信号为直流。在本发明实施例中，第一声光调制器13的移频是100MHz，测试可选用带宽为200MHz带宽的高速光电探测器。

本发明通过测量激光注入到稳定拍频信号建立的时间来测量注入锁定完成所需的时间。打开信号源，测量从信号源打开到第一声光调制器13一级衍射光出射时间，即第一声光调制器13打开延时时间 t0；从信号源打开到建立稳定的拍频信号的时间 t1，可以得到从主激光4注入到形成稳定的振荡需要的时间t1-t0。

激光采集的数据如图5-图7所示，图5测量第一声光调制器13打开时间t0，图 6测量时间t1，两者结合得到激光锁定速度。图7演示了在进行时序控制时，激光锁定响应的效果。下面分别对其进行说明。

附图5测试了第一声光调制器13对驱动信号的响应速度。上层线通道表示的是信号发生器从关断到打开的过程，关断时信号发生器无信号输出，打开后有100MHz交流信号输出。下层线通道表示的是随着信号发生器的打开，第一声光调制器13一级衍射光出射相对驱动信号的延时。第一声光调制器13打开延时与其晶体和光斑大小均有关系，选用快速开关，第一声光调制器13可以在10ns量级时间内完成激光的开关。当然该参数不是本发明所关心的，本发明关注的是从种子激光注入激光二极管21至输出激光被锁定到种子激光相位上所需要的时间。通过测试，第一声光调制器13调制激光的时间较信号发生器开关延时t0=726 ns。

附图6测试了第一声光调制器13驱动信号打开后到注入锁定振荡信号稳定建立的时间。上层线通道表示的是信号发生器从关断到打开的过程，下层线通道表示的是锁定之后，拍频光电随着信号发生器开关的响应过程。通过测试，建立稳定的锁定振荡信号较信号发生器开关延时790 ns。通过对比图5和图6可以发现从激光5注入到形成锁定的过程速度非常快，约为64 ns，远小于原子物理实验中的时序长度（一般几微秒到几百微秒）。

附图 7测试了对第一声光调制器13进行脉冲式时序控制输出注入锁定的响应速度。上层线通道是时序信号（该时序信号由电脑控制 FPGA实现高低电平的输出），控制第一声光调制器13的开关，低电平关，高电平开。下层线通道是拍频信号。结果表明，注入锁定可以快速跟随激光时序信号。

需要说明的是，本实施例中涉及的超窄线宽激光器100是使用相关公司的激光器和超稳腔自主搭建的PDH稳频系统。通过激光与原子的相互作用，可以大致判断出，激光的波长为729nm，线宽约20Hz左右。噪声水平通过测试PDH稳频的误差信号的频谱可以看出一个相对值，其中存在82kHz和164kHz单频噪声。光学元件（包含：分束镜103、全反镜16、半反半透镜、 偏振分束镜12、1/2波片11、1/4波片15等）是定制件，均不会引起激光线宽和噪声的产生。第一声光调制器13型号为MT110-A1-IR，同样不会引起激光线宽和噪声的产生。激光二极管21套装中激光管型号为HL7302MG，输出功率40mW，一般的驱动电流是100mA，由于它是自由运转的激光管，就不存在线宽、噪声这些说法了。光隔离器22型号为ISO730-3-1.5W，它只起到隔离作用，不会对激光的线宽、频谱噪声等产生影响。信号发生器型号DG4162，用于信号输出。时序信号由电脑控制自行研发的FPGA电路输出得到。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种脉冲时序单频激光功率放大装置，包括时序控制单元和功率放大单元，其特征在于，

所述时序控制单元用于将入射的源激光进行参数调制和开关时序控制，输出主激光；

所述功率放大单元用于对所述主激光进行功率放大，输出从激光；

其中，所述时序控制单元包括依次设置的1/2波片、偏振分束镜、第一声光调制器、1/4波片以及全反镜；

所述1/2波片用于偏转所述源激光的线偏振方向，输出第一线偏光；

所述偏振分束镜用于传播所述第一线偏光至所述第一声光调制器；

所述第一声光调制器用于将所述第一线偏光进行移频和时序控制，出射一级衍射光至所述1/4波片；

所述1/4波片设置为将线偏光变为圆偏光，或者圆偏光变为线偏光；所述一级衍射光经所述1/4波片形成第一圆偏光出射至所述全反镜；

所述全反镜用于反射所述第一圆偏光形成第二圆偏光，所述第二圆偏光沿原路依次经所述1/4波片、所述第一声光调制器，返回至所述偏振分束镜；

其中，所述第二圆偏光经所述1/4波片形成第二线偏光，所述第二线偏光与所述第一线偏光的偏振方向相互垂直；所述偏振分束镜还用于传播第二线偏光，形成主激光输出至所述功率放大单元;

当所述功率放大单元有所述主激光注入时，输出的所述从激光的频率与原子频率共振，当所述功率放大单元没有所述主激光注入时，输出的所述从激光的频率与原子频率大失谐。

2.根据权利要求1所述的脉冲时序单频激光功率放大装置，其特征在于，所述功率放大单元包括光隔离器和激光二极管；

所述光隔离器用于将所述主激光注入至所述激光二极管；

所述激光二极管用于对注入的主激光进行功率放大，输出所述从激光至所述光隔离器；

所述光隔离器还用于限制所述从激光传播方向，防止所述从激光反向注入所述激光二极管。

3.一种脉冲时序多频激光功率放大装置，其特征在于，该装置包括权利要求1所述的脉冲时序激光功率放大装置，

还包括第二声光调制器，所述第二声光调制器设置在所述功率放大单元的出射光路上，所述第二声光调制器用于将出射的所述从激光调制形成边带强度可控的多频信号激光。

4.根据权利要求3所述的脉冲时序多频激光功率放大装置，其特征在于，所述第二声光调制器还包括光学开关，用于实现所述多频信号激光的光路的关断和开通。

5.一种时序可控多激光系统，其特征在于，该系统包括权利要求1所述的脉冲时序激光功率放大装置和/或权利要求3所述的脉冲时序多频激光功率放大装置，所述时序可控多激光系统还包括：

超窄线宽激光器，输出超窄线宽脉冲激光；以及

若干分束镜或若干光纤，用于将所述超窄线宽脉冲激光分为多束所述源激光，使每一束所述源激光入射一个所述脉冲时序激光功率放大装置或一个所述脉冲时序多频激光功率放大装置。