CN116169553A - 一种GHz脉冲序列合成装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种GHz脉冲序列合成装置，可应用于激光微纳加工领域。该装置包括：光纤声光Q开关接收初始超短激光脉冲序列，对初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列；GHz超短脉冲合成环路，将输入脉冲序列放大和合成GHz超短激光脉冲序列。固体放大器放大输入脉冲序列的脉冲能量，并发送至电动光程延迟器；电动光程延迟器调整合成GHz超短激光脉冲序列的时间间隔；固体声光Q开关控制合成GHz超短激光脉冲序列脉冲个数；分光棱镜合成输出脉冲序列。可见，本申请提供的GHz脉冲序列合成装置，使用空间GHz超短脉冲合成环路替换了光纤GHz超短脉冲合成环路，使加工效率可以进一步提高。

Description

一种GHz脉冲序列合成装置

技术领域

本申请涉及微纳激光加工技术领域，尤其涉及一种GHz脉冲序列合成装置。

背景技术

超短光脉冲源为科学，医学和工业界开辟了新途径。皮秒和飞秒激光器由于其极窄的脉冲宽度和较小的热影响区而特别适合于材料的微纳加工。其中利用GHz的重复频率的脉冲序列形成的脉冲突发模式来实现较高的加工效率。锁模振荡器产生的超短激光脉冲序列的典型重复频率在数十到数百MHz的范围内，不能直接产生稳定的GHz重复频率超短脉冲（皮秒和飞秒）。现有技术中有多种产生GHz激光脉冲突发模式的方法。目前现有技术中通过光纤环路光路延迟，使锁模振荡器的激光脉冲实现脉冲重复频率倍增，但是光纤环路光路延迟的方法中，通过单模激光二极管放大增益来平衡光纤损耗以控制合成脉冲序列波形形状时，为了避免出现首脉冲能量过大的问题，单模激光二极管放大增益受到限制。另外在光纤环路中存在色散和非线性效应。GHz脉冲序列合成过程中为了补偿不同脉冲间的色散需要用CFBG光栅进行色散补偿，补偿过程很难实现完美匹配。导致单个脉冲能量较小，仅能达到nJ量级。由此，如何设计出一种可以在合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列不出现首脉冲的同时，还可以提高单个脉冲能量的装置成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种GHz脉冲序列合成装置，旨在达到提高合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列单个脉冲能量的要求。

第一方面，本申请实施例提供了一种GHz脉冲序列合成装置，该装置包括：

所述装置包括光纤声光Q开关、固体放大器、电动光程延迟器和固体声光Q开关；

所述光纤声光Q开关，用于接收初始超短激光脉冲序列，对所述初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列；

所述固体放大器，用于放大所述输入脉冲序列的脉冲能量，并发送至电动光程延迟器；

所述电动光程延迟器，用于确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔；

所述固体声光Q开关，用于控制确定时间间隔的脉冲个数，以合成输出脉冲序列。

可选的，所述光纤声光Q开关，具体用于：

接收脉冲序列，通过调整所述脉冲序列的幅值以对所述初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列。

可选的，所述电动光程延迟器，具体用于：

通过调整所述固体放大器和所述固体声光Q开关之间的光程，确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔。

可选的，所述固体声光Q开关，具体用于：

在所述固体放大器和所述固体声光Q开关之间的光程确定后，通过改变开启时间以改变放大后的输入脉冲序列内脉冲的个数，以合成输出脉冲序列。

可选的，所述装置还包括：

分光棱镜，用于将所述输入脉冲序列反射为第一脉冲序列和透射为第二脉冲序列，其中第一脉冲序列先后经过所述固体放大器、所述电动光程延迟器和所述固体声光Q开关后再次到达所述分光棱镜，由棱镜反射为第三脉冲序列；

其中所述第三脉冲序列与所述第二脉冲序列合成至所述输出脉冲序列。

可选的，所述装置还包括：

第一二分之一波片，设置在所述光纤声光Q开关与所述分光棱镜之间，用于接收所述光纤声光Q开关发送的输入脉冲序列，对所述输入脉冲序列中脉冲的偏振态进行调整；

第二二分之一波片，设置在所述固体声光Q开关与所述分光棱镜之间，用于接收所述固体声光Q开关发送的放大后的输入脉冲序列，对所述放大后的输入脉冲序列中脉冲的偏振态进行调整。

可选的，所述分光棱镜还用于：

接收偏振态调整后的脉冲，并对所述脉冲进行检偏。

可选的，所述装置还包括：

脉冲选单器，用于获取通过所述分光棱镜检偏后的输出脉冲序列，筛选出符合预设条件的输出脉冲序列。

可选的，所述脉冲选单器为声光脉冲选单器或电光脉冲选单器。

可选的，所述装置还包括：

锁模振荡器，用于产生周期性皮秒或飞秒的初始超短激光脉冲序列。

本申请实施例提供了一种GHz脉冲序列合成装置，包括：光纤声光Q开关、固体放大器、电动光程延迟器和固体声光Q开关；光纤声光Q开关，用于接收初始超短激光脉冲序列，对初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列；固体放大器，用于放大输入脉冲序列的脉冲能量，并发送至电动光程延迟器；电动光程延迟器，用于确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔；固体声光Q开关，用于控制确定时间间隔的脉冲个数，以合成输出脉冲序列。可见，本申请提供的GHz脉冲序列合成装置，使用固体放大器替换了光纤放大器，使合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列所具有的能量可以达到μJ量级，加工效率可以进一步提高。

附图说明

为更清楚地说明本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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为现有技术中的合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列的有源光纤环路的一种结构示意图；

图2为本申请实施例提供的GHz脉冲序列合成装置的一种结构示意图；

图3为本申请实施例提供的GHz脉冲序列合成装置的另一种结构示意图；

图4为本申请实施例提供的GHz脉冲序列合成装置的实物效果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

超短光脉冲源为科学，医学和工业界开辟了新途径。皮秒和飞秒激光器由于其极窄的脉冲宽度和较小的热影响区而特别适合于材料的微纳加工。通过提高激光脉冲重复频率（PRR），可以极大提高加工速度。连续脉冲之间的微小间隔可增强某些过程或提供更好的处理部位和周围环境质量。高重复频率会提高烧蚀效率，这不仅是因为在一定时间间隔内脉冲数增加，而且还因为热扩散损失减少从而沉积了更多激光能量。

高达GHz的重复频率的脉冲序列可实现最高的加工效率。最期望的加工模式是突发模式，其中形成具有预定数量的脉冲序列和脉冲间隔。具有GHz脉冲重复频率的脉冲突发模式是特别期望的。

目前有多种产生GHz激光脉冲突发模式的方法。锁模光纤振荡器产生的脉冲序列的典型重复频率在数十到数百MHz的范围内。直接产生GHz重复频率超快脉冲（皮秒和飞秒）是具有挑战性和不切实际的。 在众多的脉冲重复率倍增技术中，有一些技术是通过简单地光路延迟锁模振荡器的激光脉冲实现的。例如：如图1中的现有技术中的合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列的有源光纤环路的一种结构示意图所示。其中，FC为2x2光纤耦合器（分光比为50/50）；CIRC为光环行器；DF为掺镱光纤；CFBG为布拉格光栅光纤；LD为单模激光二极管；AOM1为声光调制器；PF为无源偏振光纤；IN1,2为光纤耦合器的输入端口，OUT1,2为光纤耦合器的输出端口；其中T为时间延迟：T0为注入锁模脉冲周期，T1为输入脉冲在有源延迟光纤环路中传输一次的延迟时间，T2为形成的突发脉冲串内脉冲间隔周期，周期T之间未标明信息的竖线为单个脉冲。

利用图1中所述的有源光纤环路来合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列会出现以下问题：通过控制光纤损耗和LD放大增益控制突发模式（Burst Mode）波形形状。为了避免出现首脉冲能量过大，往往会使得LD放大增益受到限制，单个脉冲能量仅为几nJ，使得加工效率降低，不能满足技术发展的需要。

本申请实施例提供一种GHz脉冲序列合成装置，该装置的结构示意图如图2所示，包括：

光纤声光Q开关10，用于接收初始超短激光脉冲序列，对所述初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列。

接收初始超短激光脉冲序列后对脉冲序列，其中光纤声光Q开关10通过控制初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到用户需要的输入脉冲序列。提取对脉冲序列的波形进行编辑可以避免产生能量过大的首脉冲。

固体放大器20，用于放大所述输入脉冲序列的脉冲能量，并发送至电动光程延迟器30。

固体放大器起到了放大输入脉冲序列的脉冲能量的作用，并且由于光纤声光Q开关10通过编辑初始超短激光脉冲序列避免了能量过大的首脉冲产生，使得固体放大器可以将单个脉冲的能量放大到μJ量级。

同时，其中使用固体放大器，可以使得在合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列时，产生和放大过程中引入的色散和非线性效应可以被忽略。从而克服了现有技术中Burst Mode形成过程中为了补偿不同脉冲间的色散需要用CFBG光栅进行色散补偿，补偿过程很难实现完美匹配的问题。

电动光程延迟器30，用于确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔。

通过调整光程调整放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔，例如：在原光程的基础上加长光程，可以将放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔增大。

固体声光Q开关40，用于控制确定时间间隔的脉冲个数，以合成输出脉冲序列。

固体声光Q开关40设置在固体放大器20后，通过控制固体声光Q开关40开启或关闭以控制固体放大器，从而控制脉冲在固体放大器的放大次数，也就是脉冲序列的个数。

可见，本申请提供的GHz脉冲序列合成装置，使用固体放大器20替换了光纤放大器，使合成等距超短脉冲的GHz脉冲序列所具有的能量可以达到μJ量级，加工效率可以进一步提高。

在一些具体实施例中，所述光纤声光Q开关10，具体用于：

接收脉冲序列，通过调整所述脉冲序列的幅值以对所述初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列。

通过调整脉冲振幅，来调整初始超短激光脉冲序列的波形。其中调整方式可以是根据用户的需要进行具体设置的，本申请在此不做具体限定。

在一些具体实施例中，所述电动光程延迟器30，具体用于：

通过调整所述固体放大器20和所述固体声光Q开关40之间的光程，确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔。

电动光程延迟器30设置在固体放大器20和固体声光Q开关40之间，利用电动光程延迟器对GHz脉冲序列时间间隔进行任意调整，从而实现重复频率大范围调节。例如：在原光程的基础上加长光程，可以将放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔增大。

在一些具体实施例中，所述固体声光Q开关40，具体用于：

在所述固体放大器20和所述固体声光Q开关40之间的光程确定后，通过改变开启时间以改变放大后的输入脉冲序列内脉冲的个数，以合成输出脉冲序列。

固体声光Q开关40设置在电动光程延迟器30之后，在电动光程延迟器30确定固体放大器20和固体声光Q开关40之间的光程确定后，通过控制固体声光Q开关40开启或关闭以控制固体放大器，从而控制脉冲在固体放大器的放大次数，也就是脉冲序列的个数。

在一些具体实施例中，如图3中的GHz脉冲序列合成装置的另一种结构示意图所示，所述装置还包括：

分光棱镜12，用于将所述输入脉冲序列反射为第一脉冲序列和透射为第二脉冲序列，其中第一脉冲序列先后经过所述固体放大器20、所述电动光程延迟器30和所述固体声光Q开关40后再次到达所述分光棱镜12，由棱镜反射为第三脉冲序列；其中所述第三脉冲序列与所述第二脉冲序列合成至所述输出脉冲序列。

分光棱镜12可以将输入脉冲序列分为两束脉冲序列，分别为第一脉冲序列和第二脉冲序列，其中第一脉冲序列进入固体放大器20并被进行上文所述的处理，在最终由固体声光Q开关输出的第三脉冲序列，即为由第一脉冲序列处理后得到的偏振态调整后的待合成输出脉冲序列，将第三脉冲序列和第二脉冲序列合成等距超短脉冲，以使得脉冲序列达到GHz。

其中分光棱镜（PBS），可以使用例如：格兰棱镜。

在一些具体实施例中，如图3中的GHz脉冲序列合成装置的另一种结构示意图所示，所述装置还包括：

第一二分之一波片11，设置在所述光纤声光Q开关10与所述分光棱镜12之间，用于接收所述光纤声光Q开关10发送的输入脉冲序列，对所述输入脉冲序列中脉冲的偏振态进行调整；

第二二分之一波片41，设置在所述固体声光Q开关40与所述分光棱镜12之间，用于接收所述固体声光Q开关40发送的放大后的输入脉冲序列，对所述放大后的输入脉冲序列中脉冲的偏振态进行调整。

例如，旋转第二二分之一波片可以改变激光脉冲偏振态，继而改变从分光棱镜输出脉冲的能量比例。

在一些具体实施例中，所述分光棱镜12，还用于：

接收偏振态调整后的脉冲，并对所述脉冲进行检偏。

对脉冲进行检偏，与第一二分之一波片或第二二分之一波片一起控制输入和输出固体放大器的脉冲能量比例。

在一些具体实施例中，如图3中的GHz脉冲序列合成装置的另一种结构示意图所示，所述装置还包括：

脉冲选单器50，用于获取通过所述分光棱镜12检偏后的输出脉冲序列，筛选出符合预设条件的输出脉冲序列。

通过脉冲选单器50选出符合用户需要的脉冲个数、时间间隔，且能量为μJ量级的GHz脉冲序列。

在一些具体实施例中，所述脉冲选单器50为声光脉冲选单器或电光脉冲选单器。

在一些具体实施例中，如图3中的GHz脉冲序列合成装置的另一种结构示意图所示，所述装置还包括：

锁模振荡器01，用于产生周期性皮秒或飞秒的初始超短激光脉冲序列。

场景一：

为方便理解，将本申请提供的GHz脉冲序列合成装置代入真实场景，图4为本申请实施例提供的GHz脉冲序列合成装置的实物效果示意图。其中，固体放大器、电动光程延迟器和固体声光Q开关共同组成放大环路，各个模块（元器件）以光信号连接。另，所描述的场景并不是本申请中的全部场景，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，将其应用于所有其他的场景，都属于本申请保护的范围。

光纤锁模振荡器产生周期为T0的皮秒（或飞秒）锁模脉冲序列，经过光纤声光Q开关后对锁模脉冲波形进行编辑。经过波形编辑后的脉冲串在第一二分之一波片和分光棱镜PBS下注入到固体放大环路中。固体放大器可以对激光脉冲进行放大，补偿放大环路中的光学损耗，并进一步提升脉冲能量至μJ量级。电动光程延迟器可以主动控制固体放大环路的光程，能够调整循环间隔T1，从而改变脉冲串时间间隔T2（T2=T1-T0）；固体声光Q开关控制固体放大环路开启或关闭，固体声光Q开关通过改变开启时间Ttotal=T1*N从而改变脉冲串内脉冲个数N，N也为激光脉冲在固体放大环路放大次数。旋转第二二分之一波片可以改变激光脉冲偏振态，继而改变从格兰棱镜PBS输出脉冲的能量比例。最后经过声光AOM3或电光EOM脉冲选单装置选出脉冲个数N，时间间隔T2，能量为μJ量级的GHz脉冲序列。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种GHz脉冲序列合成装置，其特征在于，所述装置包括光纤声光Q开关和GHz超短脉冲合成环路；其中GHz超短脉冲合成环路包括固体放大器、电动光程延迟器和固体声光Q开关；

所述光纤声光Q开关，用于接收初始超短激光脉冲序列，对所述初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列；

所述固体放大器，用于放大所述输入脉冲序列的脉冲能量，并发送至电动光程延迟器；

所述电动光程延迟器，用于确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔；

所述固体声光Q开关，用于控制确定时间间隔的脉冲个数，以合成输出脉冲序列。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤声光Q开关，具体用于：

接收脉冲序列，通过调整所述脉冲序列的幅值以对所述初始超短激光脉冲序列的波形进行编辑，得到输入脉冲序列。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电动光程延迟器，具体用于：

通过调整所述固体放大器和所述固体声光Q开关之间的光程，确定放大后的输入脉冲序列内脉冲的时间间隔。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述固体声光Q开关，具体用于：

在所述固体放大器和所述固体声光Q开关之间的光程确定后，通过改变开启时间以改变放大后的输入脉冲序列内脉冲的个数，以合成输出脉冲序列。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

分光棱镜，用于将所述输入脉冲序列反射为第一脉冲序列和透射为第二脉冲序列，其中第一脉冲序列先后经过所述固体放大器、所述电动光程延迟器和所述固体声光Q开关后再次到达所述分光棱镜，由棱镜反射为第三脉冲序列；

其中所述第三脉冲序列与所述第二脉冲序列合成至所述输出脉冲序列。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一二分之一波片，设置在所述光纤声光Q开关与所述分光棱镜之间，用于接收所述光纤声光Q开关发送的输入脉冲序列，对所述输入脉冲序列中脉冲的偏振态进行调整；

第二二分之一波片，设置在所述固体声光Q开关与所述分光棱镜之间，用于接收所述固体声光Q开关发送的放大后的输入脉冲序列，对所述放大后的输入脉冲序列中脉冲的偏振态进行调整。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分光棱镜还用于：

接收偏振态调整后的脉冲，并对所述脉冲进行检偏。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

脉冲选单器，用于获取通过所述分光棱镜检偏后的输出脉冲序列，筛选出符合预设条件的输出脉冲序列。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述脉冲选单器为声光脉冲选单器或电光脉冲选单器。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

锁模振荡器，用于产生周期性皮秒或飞秒的初始超短激光脉冲序列。

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