CN117254337B - 一种超短激光脉冲空域和时域合成系统及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超短激光脉冲空域和时域合成系统及其合成方法。本发明通过先脉冲幅度调制、位相预置、分偏振脉冲展宽和紧凑型预放大，再通过分偏振色散和非线性相移平衡放大，将上百个脉冲相干合成在一起，达到前所未有的脉冲能量和重复频率；不需要脉冲在时域分割，却能够在时域合成大量脉冲，大大简化了脉冲相干合成系统；这种高脉冲能量、高重复频率和高平均功率的脉冲相干合成方法，对于超短脉冲特别是飞秒脉冲的应用，例如激光微细加工、材料表面改性和强化以及粒子加速器等都具有非常重要的作用。

Description

一种超短激光脉冲空域和时域合成系统及其合成方法
技术领域
本发明涉及高脉冲能量光纤激光器，具体涉及一种超短激光脉冲空域和时域合成系统及其合成方法。
背景技术
迅猛增长的工业高端加工市场引发了对高端皮秒和飞秒激光器的需求。这些领域对超短脉冲的需求，不仅需要高脉冲能量，也需要高脉冲重复频率。固体激光器激光器可以提供很高的脉冲能量，但因为热效应，不能工作在很高的重复频率或平均功率。光纤激光放大器有非常高的能量提取效率，可承受很高的平均功率，但受限于非线性光学效应，不能提供很高的单脉冲能量或峰值功率。
啁啾脉冲放大技术只能将脉冲展宽到纳秒量级，在最大模场的光纤中，非线性相移也将脉冲能量限制在1 mJ以下。为了获得更高的脉冲能量，一种技术是分割脉冲放大，就是在脉冲放大前，将一个脉冲在时域分割，放大后再相干合成。常见的分割方法是用偏振分割法，加延迟线后再合束，形成更高重复的频率脉冲列。分割的数目越多，延迟线就会越长，因此分割数量有限；放大后，还要经过相同的时间延迟补偿装置合成。
另一种技术是将脉冲在空间分成若干光束，通过各自的放大器放大后再合成为一束。单纯的空间分割，和时域分割一样，分割的数目有限。
2015年以来，1 GHz量级的重复频率激光器逐渐成熟。1 GHz重复频率下，脉冲间隔短，不需要分割。合成这样的脉冲列的问题是，激光器出来的脉冲与偏振分割的脉冲不同，所有脉冲的偏振都是一样的，无法进行偏振合束。
时域脉冲相干合成技术将高重复频率超短脉冲激光器输出的脉冲列中N个脉冲直接合成。具体做法是：将连续的脉冲列分割出多个脉冲簇。每个脉冲簇中的脉冲个数是2 N ；每个脉冲的位相为0或π，并预先设置，使其每经过一次延迟线补偿合成，相邻或相间的脉冲的偏振是正交的，而使下一次偏振合成成为可能。合成后的脉冲的偏振方向是±45°，其中的正负号由预先设定的脉冲的位相决定。如此，相继合成脉冲的偏振方向就永远互相垂直，保证经过延迟线补偿的相继脉冲仍然可以在下一个偏振器中合成。
在这种时域相干合成技术中，当脉冲的重复频率提高到1 GHz以上，即脉冲的时间间隔缩小到ns以下时，位相预置与脉冲展宽的顺序变得重要。通常的先脉冲展宽后位相预置，以保持展宽的一致性；然而展宽后的脉冲已经连成一片，无法对单个脉冲进行位相调制；同时，当需要放大和压缩的脉冲在200fs以下时，两个偏振光束的展宽和放大的平衡也变得重要，否则色散和非线性相移的不一致，也会严重影响脉冲的合成质量。
发表在2015年的技术论文标题是“Coherent pulse stacking amplificationusing low-finesse Gires-Tournois interferometers,” (T. Zhou, J. Ruppe, C.Zhu, I-N. Hu, J. Nees, A.Galvanauskas, Opt. Express, 23, 7442–(2015))论文中介绍。论文提出了一种用低精细度谐振腔增强脉冲能量的方法，并用预置位相同向和反向来控制脉冲压入腔内还是从腔内提取的技术。这种基于腔的时域脉冲合成方法，后续脉冲要与透射出的腔内累积的脉冲的能量匹配，位相相反，才能将透射脉冲消光，从而继续向腔内注入能量，这就意味着后续脉冲能量一定要显著高于前序脉冲的能量。特别是，要取出腔内脉冲能量时，入射脉冲能量也要与腔内透射脉冲能量相同，且位相相同。这也意味着合成的脉冲能量不是单个脉冲能量的倍数。其次，第一个脉冲入射到腔内时，腔内，没有脉冲出射与之抵消，因此合成后的脉冲永远有一个前置脉冲。第三，腔合成需要一组一组地进行，例如该论文中4个相同的腔为一组。所谓相同的腔，即腔的输入和输入比相同。所以脉冲合成的数目是(2p+1) q ，其中，p为腔的个数，q为腔的组数。当p=4，q=1时，4个腔合成9个脉冲；当p=4，q=2时，8个腔合成81个脉冲。不可以任意增加合成腔和合成脉冲的数量。
发表在2017年的技术论文标题是“Delay line coherent pulse stacking”(H. Tünnermann and A. Shirakawa, Opt. Lett. 42,4829-4832(2017))。论文提出一种对脉冲预置位相的方法，将同一偏振态的脉冲列，通过位相预置在合成时形成偏振正交的技术。这种延迟线脉冲合成技术，使用的种子激光器是常规的飞秒激光器，重复频率在40 MHz，脉冲时间间隔过大导致延迟线显著地长和体积庞大；而且该论文提出的方案，本质上只是通过脉冲时域合成的方法降低重复频率，每一次合成，只是降低了重复频率2N，脉冲能量不仅受限于延迟线的长度，也受限于平均功率。因此该论文只展示了2级合成，输出脉冲功率仅数十mW。
发表在2017年的技术论文标题是“12 mJ kW-class ultrafast fiber lasersystem using multidimensional coherent pulse addition”(M. Kienel, M. Müller,A. Klenke, J. Limpert, and A. Tünnermann, Opt. Lett., 41, 3343–3346 (2016))。论文提出了一种空间和时间分割放大再合成的方法。该论文采用脉冲时间分割和空间分束放大、共线合束和时间延迟堆积的方案。因为是偏振分割和合成，不仅多了一套偏振分割-延迟装置，脉冲分割的数量也受限于4个。
发表在2012年的技术论文标题是“Passive coherent combination of twoultrafast rod type fiber chirped pulse amplifiers,” (Y. Zaouter, L. Daniault,M. Hanna, D. N. Papadopoulos,F. Morin, C. Hönninger, F. Druon, E. Mottay, andP. Georges, Opt. Lett. 37, 1460-1462 (2012))。论文提出了一种将脉冲在空间分为两路，通过Sagnac环形放大器，再合成为一路，脉冲能量可比单路放大增加一倍；这种分束放大仅对单脉冲，该方案有几处和本方案不同。
发表在2020年的技术论文的标题是“Coherent stacking of 128 pulses from aGHz repetition rate femtosecond Yb:fiber laser”(B.Yang, G.Liu, A.Abulikemu,Y.Wang, A.Wang, and Z.Zhang,CLEO’2020, paper JW2F.28). 论文演示了一种将GHz重复频率脉冲通过延迟线合成的方法，这种方案具有以下不足：第一、该方案是先展宽脉冲、再位相调制；第二、该方案是先展宽脉冲、再偏振分束；第三、该方案是双偏振共线展宽；第四、该方案是双偏振共轴放大；第五、脉冲合成器的延迟线合束是单偏振棱镜。
作为未来工业型超短脉冲激光光源，超短激光脉冲在追求高脉冲能量的同时，也在追求高脉冲重复频率。固体激光器适合工作在高脉冲能量，但是由于热透镜效应，难于工作在高重复频率；光纤激光器适合工作在高平均功率和高脉冲重复频率，但受模场面积的限制，不能工作在高脉冲能量。因此脉冲时域和空间合成是最有前途的方法。在脉冲时域合成中，高重复频率脉冲有延迟线短、单位时间内可合成的脉冲数目多的优点，但是因为脉冲时间间隔短，展宽后的脉冲连成了连续光，难于对单个脉冲进行脉冲时域合成所需要的位相调制。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种超短激光脉冲空域和时域合成系统及其合成方法；将极大地提高光纤激光器输出的脉冲能量，同时保持高重复频率或高平均功率，扩展超短脉冲光纤激光器在工业和科学研究上的应用。
本发明的一个目的在于提出一种超短激光脉冲空域和时域合成系统。
本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统包括：飞秒激光器、脉冲幅度调制器、第一偏振分束器、位相预置器、脉冲展宽和预放大器、双棒双向平衡式脉冲功率放大器、脉冲时域合成器以及脉冲压缩器；其中，
飞秒激光器输出GHz量级重复频率的连续的脉冲列至脉冲幅度调制器；
脉冲幅度调制器将脉冲列分割成多组脉冲簇，每一组脉冲簇具有2 N 个脉冲，N为≥1的自然数，脉冲簇的重复频率不小于1 kHz，并对每一组脉冲簇进行预先调制，调制每一组脉冲簇中的2 N 个脉冲的幅度，前面的脉冲幅度低后面的脉冲幅度高，从而使得经过后期放大后的脉冲幅度相同，输入至第一偏振分束器；
第一偏振分束器将每一组脉冲簇分为两束偏振互相垂直的脉冲簇，分别为平行偏振和垂直偏振，平行偏振的脉冲簇透过第一偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第一偏振分束器反射；
位相预置器包括第一电光调制器和第二电光调制器；平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一电光调制器和第二电光调制器，第一电光调制器和第二电光调制器分别调制平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇中的每一个脉冲的位相，对每一个脉冲赋予0或π的位相，使得在后续的前N次合成中经过每一次合成后分割成脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振依旧互相垂直，且经过N+1次合成后变成一个脉冲；经过位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别输入至第一环形器和第二环形器的第一端口；脉冲簇与位相预置保持同步；脉冲簇分割在先，位相预置在偏振分束之后，对各偏振的脉冲分别施加位相；
相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一环形器和第二环形器的第二端口进入至脉冲展宽和预放大器进行展宽和放大，脉冲展宽和预放大器置于脉冲分簇和位相预置之后，且为双路放大和展宽；展宽和放大后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别通过第一环形器和第二环形器的第三端口输入至双棒双向平衡式脉冲功率放大器；
双棒双向平衡式脉冲功率放大器包括第二偏振分束器和三偏振分束器、第一至第三半波片、第一至第三反射镜以及第一光纤棒和第二光纤棒；平行偏振的脉冲簇透过第二偏振分束器，通过第一光纤棒的慢轴放大，经第一反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，经过第二反射镜反射，通过第二光纤棒的快轴放大至第三偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第三偏振分束器反射再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为顺时针运行；垂直偏振的脉冲簇先经过第三半波片变成平行偏振，透过第三偏振分束器，通过第二光纤棒的慢轴放大，经第二反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，通过第一光纤棒的快轴放大至第二偏振分束器反射，经过第二半波片成平行偏振，平行偏振的脉冲簇透过第三偏振分束器再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为逆时针运行；在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇，输入至脉冲时域合成器；
当N＞4时，脉冲时域合成器包括四级延时线脉冲时域合成器以及N-3级延迟腔脉冲时域合成器；当N≤4时，脉冲时域合成器只包括N级延时线脉冲时域合成器；
第一级至第四级延时线脉冲时域合成器的结构相同；每一级延时线脉冲时域合成器包括：第四偏振分束器和第五偏振分束器、直线延迟线以及第四半波片；
在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇输入至第一级延时线脉冲时域合成器的第四偏振分束器在空间上分成两束，平行偏振的脉冲簇透过第四偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第四偏振分束器反射至直线延迟线，垂直偏振的脉冲簇经过直线延迟线，平行偏振的脉冲簇和经过直线延迟线的垂直偏振的脉冲簇经过第五偏振分束器在空间上合成一束，并且在脉冲簇中相对应的脉冲在时间上合成一个脉冲，平行偏振和垂直偏振合成±45°偏振，其中±号由合成的两个脉冲的预置的位相决定，从而形成在空间和时间上均合成的一束脉冲簇，具有2 N 个脉冲，且相邻的两个脉冲的偏振仍然互相垂直；空间和时间均合成一束的脉冲簇传输至第四半波片，平行偏振和垂直偏振的脉冲经过的材料色散相同；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的脉冲变成垂直偏振或平行偏振，并且分割成2 N-1对脉冲对后，每一对脉冲对中的相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；
具有2 N 个脉冲的脉冲簇经过第二级延时线脉冲时域合成器，2 N 个脉冲按空间顺序分成2 N-1对脉冲对，每一对脉冲对中的两个脉冲相邻且偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第四偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第四偏振分束器反射进入至直线延迟线，调整光程，与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第五偏振分束器，合成一个脉冲传输至第四半波片，变成具有2 N-1 个脉冲的脉冲簇；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的一半数量的脉冲的偏振变成与下一级脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行，并且分割成2 N-2 个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；再依次经过第三级和第四级延时线脉冲时域合成器，合成后变成具有2 N-3 个脉冲的脉冲簇，并且分割成2 N-4 个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，输入至延迟腔脉冲时域合成器；
共有N-3级延迟腔脉冲时域合成器，第一级至第N-3级延迟腔脉冲时域合成器的结构相同；每一级延迟腔脉冲时域合成器包括：第六偏振分束器和第七偏振分束器、多通腔延迟线、第五半波片以及第四反射镜和第五反射镜；
具有2 N-3 个脉冲的脉冲簇传输至第一级延迟腔脉冲时域合成器，2 N-3 个脉冲的脉冲簇分成2 N-4 对脉冲且每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第六偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第六偏振分束器反射再经第四反射镜反射进入至多通腔延迟线，垂直偏振的脉冲经过多通腔延迟线调整光程，经第五反射镜反射后与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第七偏振分束器，合成一个脉冲，变成具有2 N-4个脉冲的脉冲簇传输至第五半波片；按照位相预置器中调制的位相，设置第五半波片相应进行旋转，使得经过第五半波片一半数量的脉冲的偏振变成与下一级延迟腔脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行；依次经过第二至第N-3级延迟腔脉冲时域合成器，最终合成一个脉冲；
一个脉冲经过脉冲压缩器将脉冲压缩还原后输出。
飞秒激光器采用GHz重复频率飞秒光纤激光器；高重复频率指1 GHz以上的超短脉冲激光振荡器输出的小于等于纳秒间隔的超短脉冲列；激光振荡包括晶体激光器和光纤激光器；脉冲宽度包括皮秒和飞秒；脉冲的波长从红外光到紫外光。
脉冲幅度调制器采用声光或电光调制器，分割为较低重复频率100 kHz以下的脉冲簇，每组脉冲簇包含的脉冲数目是2 N 个，其中N+1是之后的脉冲合成级数。
脉冲展宽和预放大器包括第一和第二泵浦激光器、第一和第二脉冲展宽器以及第一和第二增益光纤；其中，脉冲展宽器采用光栅对展宽器或啁啾光纤布拉格光栅（CFBG），优选地，采用CFBG；第一和第二泵浦激光器分别通过第一和第二脉冲展宽器的尾部注入至第一和第二增益光纤；位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一和第二环形器的第二端口进入至第一和第二增益光纤进行放大，并分别接续至第一和第二脉冲展宽器进行展宽。增益光纤置于光纤环形器和CFBG之间，CFBG既作为脉冲展宽器，又作为反射镜，将经过一次放大后的脉冲被CFBG展宽，并反射回增益光纤，经历第二次放大；环形器输出光是展宽和放大后的脉冲光。增益光纤的泵浦光从CFBG尾端入射。
双棒双向平衡式脉冲功率放大器中的光纤棒采用掺杂光子晶体光纤棒或者掺杂单晶光纤棒。
平行偏振和垂直偏振的两个脉冲合成一个±45°偏振的脉冲的正负由预置的位相决定：当平行偏振的位相为π时且垂直偏振的位相为0时，合成后的脉冲为45°偏振；当平行偏振的位相为0时且垂直偏振的位相为0时，合成后的脉冲为-45°偏振；当平行偏振的位相为π时且垂直偏振的位相为π时，合成后的脉冲为-45°偏振；当平行偏振的位相为0时且垂直偏振的位相为π时，合成后的脉冲为45°偏振。
多通腔延迟线包括两面凹面反射镜，光束在两个反射面反射多次，构成延迟线。腔的传输矩阵M T 为：
(1)
为使多次反射的光束在出射时保持不变，在腔内n次传播后，其传输矩阵必须是±I，其中I是单位矩阵，即，或
(2)
其中m是整数。
对应的角度为：
(3)
其中R是凹面反射镜的曲率半径，是两个反射镜之间的距离，/>是入射到腔的角度。由需要的延迟线长度n/>可从(2)和(3)式得出凹面反射镜的曲率半径和入射角度。为使系统更加紧凑，节约空间，本发明中，多通腔延迟线做成折叠式结构，即由一面平面反射镜和一面凹面反射镜构成。此时，/>应是平面反射镜到凹面反射镜距离的2倍。
脉冲压缩器采用光栅对压缩器。优选地，脉冲压缩器中的光栅采用透射式介质膜光栅。光栅入射角的选择，满足压缩器中三阶色散与群延迟色散的比值，与展宽器加放大器中的三阶色散与群延迟色散的比值相等；光栅对直接的等效距离，以补偿展宽器加放大器中的群延迟色散为标准。此时脉冲可以压至最窄。
本发明的另一个目的在于提出一种超短激光脉冲空域和时域合成方法。
本发明的超短激光脉冲空域和时域合成方法，包括以下步骤：
1）飞秒激光器输出GHz量级重复频率的连续的脉冲列至脉冲幅度调制器；
2）脉冲幅度调制器将脉冲列分割成多组脉冲簇，每一组脉冲簇具有2 N 个脉冲，N为自然数，脉冲簇的重复频率为1 kHz或更高，并对每一组脉冲簇进行预先调制，调制每一组脉冲簇中的2 N 个脉冲的幅度，前面的脉冲幅度低后面的脉冲幅度高，从而使得经过后期放大后的脉冲幅度相同，输入至第一偏振分束器；
3）第一偏振分束器将每一组脉冲簇分为两束偏振互相垂直的脉冲簇，分别为平行偏振和垂直偏振，平行偏振的脉冲簇透过第一偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第一偏振分束器反射；
4）平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一电光调制器和第二电光调制器，第一电光调制器和第二电光调制器分别调制平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇中的每一个脉冲的位相，对每一个脉冲赋予0或π的位相，使得在后续的前N次合成中经过每一次合成后分割成脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振依旧互相垂直，且经过N+1次合成后变成一个脉冲；经过位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别输入至第一环形器和第二环形器的第一端口；脉冲簇与位相预置保持同步；脉冲簇分割在先，位相预置在偏振分束之后，对各偏振的脉冲分别施加位相；
5）相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一环形器和第二环形器的第二端口进入至脉冲展宽和预放大器进行展宽和放大，脉冲展宽和预放大器置于脉冲分簇和位相预置之后，且为双路放大和展宽；展宽和放大后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别通过第一环形器和第二环形器的第三端口输入至双棒双向平衡式脉冲功率放大器；
6）平行偏振的脉冲簇透过第二偏振分束器，通过第一光纤棒的慢轴放大，经第一反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，经过第二反射镜反射，通过第二光纤棒的快轴放大至第三偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第三偏振分束器反射再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为顺时针运行；垂直偏振的脉冲簇先经过第三半波片变成平行偏振，透过第三偏振分束器，通过第二光纤棒的慢轴放大，经第二反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，通过第一光纤棒的快轴放大至第二偏振分束器反射，经过第二半波片成平行偏振，平行偏振的脉冲簇透过第三偏振分束器再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为逆时针运行；在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇，输入至脉冲时域合成器；
7）在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇输入至第一级延时线脉冲时域合成器的第四偏振分束器在空间上分成两束，平行偏振的脉冲簇透过第四偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第四偏振分束器反射至直线延迟线，垂直偏振的脉冲簇经过直线延迟线，平行偏振的脉冲簇和经过直线延迟线的垂直偏振的脉冲簇经过第五偏振分束器在空间上合成一束，并且在脉冲簇中相对应的脉冲在时间上合成一个脉冲，平行偏振和垂直偏振合成±45°偏振，其中±号由合成的两个脉冲的预置的位相决定，从而形成在空间和时间上均合成的一束脉冲簇，具有2 N 个脉冲，相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；空间和时间均合成一束的脉冲簇传输至第四半波片，平行偏振和垂直偏振的脉冲经过的材料色散相同；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的脉冲变成垂直偏振或平行偏振，并且分割成2 N-1对脉冲对后每一对脉冲对中的相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；
8）具有2 N 个脉冲的脉冲簇经过第二级延时线脉冲时域合成器，2 N 个脉冲按空间顺序分成2 N-1对脉冲对，每一对脉冲对中的两个脉冲相邻且偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第四偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第四偏振分束器反射进入至直线延迟线，调整光程，与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第五偏振分束器，合成一个脉冲传输至第四半波片，变成具有2 N-1 个脉冲的脉冲簇；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的一半数量的脉冲的偏振变成与下一级脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行，并且分割成2 N-2 个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；再依次经过第三级和第四级延时线脉冲时域合成器，合成后变成具有2 N-3 个脉冲的脉冲簇，并且分割成2 N-4 个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，输入至延迟腔脉冲时域合成器；
9）当N＞4时，具有2 N-3 个脉冲的脉冲簇传输至第一级延迟腔脉冲时域合成器，2 N-3 个脉冲的脉冲簇分成2 N-4 对脉冲且每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第六偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第六偏振分束器反射再经第四反射镜反射进入至多通腔延迟线，垂直偏振的脉冲经过多通腔延迟线调整光程，经第五反射镜反射后与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第七偏振分束器，合成一个脉冲，变成具有2 N-4个脉冲的脉冲簇传输至第五半波片；按照位相预置器中调制的位相，设置第五半波片相应进行旋转，使得经过第五半波片一半数量的脉冲的偏振变成与下一级延迟腔脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行；依次经过第二至第N-3级延迟腔脉冲时域合成器，最终合成一个脉冲；
10）一个脉冲经过脉冲压缩器将脉冲压缩还原后输出。
在步骤7）中，平行偏振和垂直偏振的两个脉冲合成一个±45°偏振的脉冲的正负由预置的位相决定：当平行偏振的位相为π时且垂直偏振的位相为0时，合成后的脉冲为45°偏振；当平行偏振的位相为0时且垂直偏振的位相为0时，合成后的脉冲为-45°偏振；当平行偏振的位相为π时且垂直偏振的位相为π时，合成后的脉冲为-45°偏振；当平行偏振的位相为0时且垂直偏振的位相为π时，合成后的脉冲为45°偏振。
本发明的优点：
本发明通过先脉冲幅度调制、位相预置、分偏振脉冲展宽和紧凑型预放大，再通过分偏振色散和非线性相移平衡放大，将上百个脉冲相干合成在一起，达到前所未有的脉冲能量和重复频率；不需要脉冲在时域分割，却能够在时域合成大量脉冲，大大简化了脉冲相干合成系统；这种高脉冲能量、高重复频率和高平均功率的脉冲相干合成方法，对于超短脉冲特别是飞秒脉冲的应用，例如激光微细加工、材料表面改性和强化以及粒子加速器等都具有非常重要的作用。
附图说明
图1为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例的脉冲幅度调制器、第一偏振分束器、位相预置器以及脉冲展宽和预放大器的连接关系图；
图3为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例得到的经过位相预置器位相调制后的位相图；
图4为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例的双棒双向平衡式脉冲功率放大器的示意图；
图5为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例的延时线脉冲时域合成器的示意图；
图6为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例的延迟腔脉冲时域合成器的示意图；
图7为本发明的超短激光脉冲空域和时域合成系统的一个实施例具有不同的位相0或π的平行偏振和垂直偏振的相邻两个脉冲合成后经过半波片调整偏振的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的超短激光脉冲空域和时域合成系统包括：飞秒激光器1、脉冲幅度调制器2、第一偏振分束器301、位相预置器3、脉冲展宽和预放大器4、双棒双向平衡式脉冲功率放大器5、延时线脉冲时域合成器6、延迟腔脉冲时域合成器7以及脉冲压缩器8；其中，
飞秒激光器1采用GHz重复频率飞秒光纤激光器输出1GHz量级重复频率的连续的脉冲列至脉冲幅度调制器2；
脉冲幅度调制器2将脉冲列分割成多组脉冲簇，每一组脉冲簇具有2 N 个脉冲，N=7，脉冲簇的重复频率为1 kHz或更高，并对每一组脉冲簇进行预先调制，调制每一组脉冲簇中的2 N 个脉冲的幅度，前面的脉冲幅度低后面的脉冲幅度高，从而使得经过后续双棒双向平衡式脉冲功率放大器5放大后的脉冲幅度相同，输入至第一偏振分束器301；双棒双向平衡式脉冲功率放大器5对前面的脉冲放大幅度高对后面的脉冲放大幅度低；
如图2所示，第一偏振分束器301将每一组脉冲簇分为两个偏振互相垂直的脉冲簇，分别为平行偏振和垂直偏振，平行偏振的脉冲簇透过第一偏振分束器301，垂直偏振的脉冲簇经第一偏振分束器301反射；
位相预置器3包括第一电光调制器303和第二电光调制器304；平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一和第二电光调制器，第一和第二电光调制器分别调制平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇中的每一个脉冲的位相，对每一个脉冲赋予0或π的位相，如图3所示，使得在经过七次合成中经过每一次合成后相邻的脉冲的偏振依旧互相垂直且，经过八次合成后变成一个脉冲；经过位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别输入至第一环形器403和第二环形器404的第一端口；脉冲列与位相预置电脉冲保持同步；脉冲分割在先，位相预置在偏振分束之后，对各偏振的脉冲分别施加位相；
相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一和第二环形器的第二端口进入至脉冲展宽和预放大器4进行展宽和放大，脉冲展宽和预放大器4包括第一泵浦激光器411和第二泵浦激光器412、第一脉冲展宽器405和第二脉冲展宽器406以及第一增益光纤407和第二增益光纤408；其中，脉冲展宽器采用啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）；第一泵浦激光器411和第二泵浦激光器412分别通过第一脉冲展宽器405和第二脉冲展宽器406的尾部注入至第一增益光纤407和第二增益光纤408；位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一环形器403和第二环形器404的第二端口进入至第一增益光纤407和第二增益光纤408进行放大，并分别接续至第一脉冲展宽器405和第二脉冲展宽器406进行展宽；增益光纤置于光纤环形器和CFBG之间，CFBG既作为脉冲展宽器，又作为反射镜，将经过一次放大后的脉冲被CFBG展宽，并反射回增益光纤，经历第二次放大；环形器输出光是展宽和放大后的脉冲光；增益光纤的泵浦光从CFBG尾端入射；脉冲展宽和预放大器4置于脉冲分簇和脉冲位相偏振之后，且为双路放大和展宽；展宽和放大后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别通过第一和第二环形器的第三端口输入至双棒双向平衡式脉冲功率放大器5；
如图4所示，双棒双向平衡式脉冲功率放大器5包括第二偏振分束器503、第三偏振分束器504、第一半波片509、第二半波片510、第三半波片500、第一反射镜507、第二反射镜508、第三反射镜511、第一光纤棒505以及第二光纤棒506；平行偏振的脉冲簇透过第二偏振分束器503，通过第一光纤棒505的慢轴放大，经第一反射镜507反射后经过第一半波片509变成垂直偏振，经过第二反射镜508反射，通过第二光纤棒506的快轴放大至第三偏振分束器504，垂直偏振的脉冲簇经第三偏振分束器504反射再经过第三反射镜511反射出来，此束脉冲簇为顺时针运行；垂直偏振的脉冲簇先经过第三半波片500变成平行偏振，透过第三偏振分束器504，通过第二光纤棒506的慢轴放大，经第二反射镜508反射后经过第一半波片509变成垂直偏振，通过第一光纤棒505的快轴放大至第二偏振分束器503反射，经过第二半波片510成平行偏振，平行偏振的脉冲簇透过第三偏振分束器504再经过第三反射镜511反射出来，此束脉冲簇为逆时针运行；在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇，输入至脉冲时域合成器；光纤棒采用掺杂光子晶体光纤棒；
脉冲时域合成器包括四级延时线脉冲时域合成器以及四级延迟腔脉冲时域合成器；
第一级至第四级延时线脉冲时域合成器的结构相同；每一级延时线脉冲时域合成器包括：第四偏振分束器601、第五偏振分束器603、直线延迟线602以及第四半波片604；
在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇输入至第一级延时线脉冲时域合成器的第四偏振分束器601在空间上分成两束，平行偏振的脉冲簇透过第四偏振分束器601，垂直偏振的脉冲簇经过第四偏振分束器601的反射至直线延迟线602，平行偏振的脉冲簇和经过直线延迟线602的垂直偏振的脉冲簇经过第五偏振分束器603在空间上合成一束，并且在每一簇脉冲簇中相对应的脉冲在时间上合成一个脉冲，平行偏振和垂直偏振合成±45°偏振，从而形成在空间和时间上均合成的一簇脉冲簇，具有2 7 个脉冲，相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；空间和时间均合成一束的脉冲簇传输至第四半波片604，平行偏振和垂直偏振的脉冲经过的材料色散相同；按照位相预置器3中调制的位相，设置第四半波片604相应进行旋转，使得经过第四半波片604的脉冲变成垂直偏振或平行偏振，并且相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；
图7以23=8个脉冲为例，说明脉冲位相预置和合成后脉冲的偏振方向的原理：第一级合成，包括四对脉冲对：第一对脉冲对合成：平行偏振的位相为π且垂直偏振的位相为0的两个脉冲，合成后的脉冲为45°偏振，经过第四半波片，逆时针旋转第四半波片45°，从而变为垂直偏振且位相为0；第二对脉冲对合成：平行偏振的位相为0且垂直偏振的位相为0，合成后的脉冲为-45°偏振，经过第四半波片，逆时针旋转第四半波片45°，从而变为平行偏振且位相为0；第三对脉冲对合成与第一对脉冲对合成相同；第四对脉对冲合成：平行偏振的位相为π且垂直偏振的位相为π，合成后的脉冲为-45°偏振，经过第四半波片，逆时针旋转第四半波片45°，从而变为平行偏振且位相为π；从而经过第四半波片相应旋转后，经过第四半波片的脉冲变成垂直偏振或平行偏振，并且相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；第一级合成后，变成22=4个脉冲；第二级合成，包括两个脉冲对：第一对脉冲对合成：垂直偏振的位相为π且平行偏振的位相为0的两个脉冲，合成后的脉冲为﹣45°偏振，经过第四半波片，逆时针旋转第四半波片45°，从而变为平行偏振且位相为0；第二对脉冲对合成：垂直偏振的位相为0且水平偏振的位相为π，合成后的脉冲为45°偏振，经过第四半波片，逆时针旋转第四半波片45°，从而变为垂直偏振且位相为0；第二级合成后，变成21=2个脉冲；第三级合成，包括一个脉冲对：平行偏振的位相为0且垂直偏振的位相为0，合成后的脉冲为﹣45°偏振，变成20=1个脉冲。
具有2 7 个脉冲的脉冲簇经过第二级延时线脉冲时域合成器，2 7 个脉冲分成2 6 对脉冲，每一对脉冲的偏振互相垂直，一对脉冲中的平行偏振的脉冲透过第四偏振分束器，一对脉冲中的垂直偏振的脉冲经第四偏振分束器反射进入至直线延迟线，调整光程，与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第五偏振分束器，合成一个脉冲传输至第四半波片，变成具有2 6 个脉冲的脉冲簇；按照位相预置器3中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的一半数量的脉冲的偏振变成与下一级合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行，并且相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；再依次经过第三级和第四级延时线脉冲时域合成器，合成后变成具有2 4 个脉冲的脉冲簇，并且相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，输入至延迟腔脉冲时域合成器7；
共有四级延迟腔脉冲时域合成器，第一级至第四级延迟腔脉冲时域合成器的结构相同；如图6所示，每一级延迟腔脉冲时域合成器包括：第六偏振分束器702、第七偏振分束器707、多通腔延迟线、第五半波片708、第四反射镜703以及第五反射镜706；多通腔延迟线包括平面反射镜704和凹面反射镜705；其中平面反射镜704上设置两个高度不同的孔，分别作为光入口和光出口。
具有2 4 个脉冲的脉冲簇传输至第一级延迟腔脉冲时域合成器，2 4 个脉冲的脉冲簇分成2 3 对脉冲且每一对脉冲的偏振互相垂直，一对脉冲中的平行偏振的脉冲透过第六偏振分束器702，一对脉冲中的垂直偏振的脉冲经第六偏振分束器702反射再经第四反射镜反射进入至多通腔延迟线，调整光程，从多通腔延迟线的平面反射镜704的光出口出射后，经第五反射镜706反射后与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第七偏振分束器707，合成一个脉冲，变成具有2 3 个脉冲的脉冲簇传输至第五半波片708；按照位相预置器3中调制的位相，设置第五半波片708相应进行旋转，使得经过第五半波片708一半数量的脉冲的偏振变成与下一级合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行；依次经过第二至第四级延迟腔脉冲时域合成器，最终合成一个脉冲；
一个脉冲经过脉冲压缩器8将脉冲压缩还原后输出；脉冲压缩器8采用光栅对压缩器，脉冲压缩器8中的光栅采用透射式介质膜光栅。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
参考文献
1.T. Zhou, J. Ruppe, C. Zhu, I-N. Hu, J. Nees, A. Galvanauskas,“Coherent pulse stacking amplification using low-finesse Gires-Tournoisinterferometers,” Opt. Express,23, 7442–7462 (2015)
2.M. Kienel, M. Muller, A. Klenke, J. Limpert, and A. Tünnermann, “12mJ kW-class ultrafast fiber laser system using multidimensional coherentpulseaddition,” Opt. Lett., 41, 3343–3346 (2016)
3.H. Tünnermann and A. Shirakawa, “Delay line coherent pulsestacking,” Opt. Lett. 42, 4829-4832 (2017)
4.Y. Zaouter, L. Daniault, M. Hanna, D. N. Papadopoulos, F. Morin, C.Hönninger, F. Druon, E. Mottay, and P. Georges, "Passive coherentcombinationof two ultrafast rod type fiber chirped pulse amplifiers," Opt. Lett. 37,1460-1462 (2012)
5.B. Yang, G. Liu, A. Abulikemu, Y. Wang, A. Wang, and Z. Zhang,“Coherent stacking of 128 pulses from a GHz repetition rate femtosecond Yb:fiber laser,”Conference on Lasers and Electro-optics 2020, paper JW2F.28。

Claims (9)

1.一种超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述超短激光脉冲空域和时域合成系统包括：飞秒激光器、脉冲幅度调制器、第一偏振分束器、位相预置器、脉冲展宽和预放大器、双棒双向平衡式脉冲功率放大器、脉冲时域合成器以及脉冲压缩器；其中，飞秒激光器输出GHz量级重复频率的连续的脉冲列至脉冲幅度调制器；
脉冲幅度调制器将脉冲列分割成多组脉冲簇，每一组脉冲簇具有2N个脉冲，N为≥1的自然数，脉冲簇的重复频率不小于1kHz，并对每一组脉冲簇进行预先调制，调制每一组脉冲簇中的2N个脉冲的幅度，前面的脉冲幅度低后面的脉冲幅度高，从而使得经过后期放大后的脉冲幅度相同，输入至第一偏振分束器；
第一偏振分束器将每一组脉冲簇分为两束偏振互相垂直的脉冲簇，分别为平行偏振和垂直偏振，平行偏振的脉冲簇透过第一偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第一偏振分束器反射；
位相预置器包括第一电光调制器和第二电光调制器；平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一电光调制器和第二电光调制器，第一电光调制器和第二电光调制器分别调制平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇中的每一个脉冲的位相，对每一个脉冲赋予0或π的位相，使得在后续的前N次合成中经过每一次合成后分割成脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振依旧互相垂直，且经过N+1次合成后变成一个脉冲；经过位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别输入至第一环形器和第二环形器的第一端口；脉冲簇与位相预置保持同步；脉冲簇分割在先，位相预置在偏振分束之后，对各偏振的脉冲分别施加位相；
位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一环形器和第二环形器的第二端口进入至脉冲展宽和预放大器进行展宽和放大，脉冲展宽和预放大器置于脉冲分簇和位相预置之后，且为双路放大和展宽；展宽和放大后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别通过第一环形器和第二环形器的第三端口输入至双棒双向平衡式脉冲功率放大器；
双棒双向平衡式脉冲功率放大器包括第二偏振分束器和第三偏振分束器、第一至第三半波片、第一至第三反射镜以及第一光纤棒和第二光纤棒；平行偏振的脉冲簇透过第二偏振分束器，通过第一光纤棒的慢轴放大，经第一反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，经过第二反射镜反射，通过第二光纤棒的快轴放大至第三偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第三偏振分束器反射再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为顺时针运行；垂直偏振的脉冲簇先经过第三半波片变成平行偏振，透过第三偏振分束器，通过第二光纤棒的慢轴放大，经第二反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，通过第一光纤棒的快轴放大至第二偏振分束器反射，经过第二半波片成平行偏振，平行偏振的脉冲簇透过第三偏振分束器再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为逆时针运行；在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇，输入至脉冲时域合成器；
当N＞4时，脉冲时域合成器包括四级延时线脉冲时域合成器以及N-3级延迟腔脉冲时域合成器；当N≤4时，脉冲时域合成器只包括N级延时线脉冲时域合成器；
第一级至第四级延时线脉冲时域合成器的结构相同；每一级延时线脉冲时域合成器包括：第四偏振分束器和第五偏振分束器、直线延迟线以及第四半波片；
在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇输入至第一级延时线脉冲时域合成器的第四偏振分束器在空间上分成两束，平行偏振的脉冲簇透过第四偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第四偏振分束器反射至直线延迟线，垂直偏振的脉冲簇经过直线延迟线，平行偏振的脉冲簇和经过直线延迟线的垂直偏振的脉冲簇经过第五偏振分束器在空间上合成一束，并且在脉冲簇中相对应的脉冲在时间上合成一个脉冲，平行偏振和垂直偏振合成±45°偏振，其中±号由合成的两个脉冲的预置的位相决定，从而形成在空间和时间上均合成的一束脉冲簇，具有2N个脉冲，相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；空间和时间均合成一束的脉冲簇传输至第四半波片，平行偏振和垂直偏振的脉冲经过的材料色散相同；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的脉冲变成垂直偏振或平行偏振，并且分割成2N-1对脉冲对后每一对脉冲对中的相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；
具有2N个脉冲的脉冲簇经过第二级延时线脉冲时域合成器，2N个脉冲按空间顺序分成2N-1对脉冲对，每一对脉冲对中的两个脉冲相邻且偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第四偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第四偏振分束器反射进入至直线延迟线，调整光程，与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第五偏振分束器，合成一个脉冲传输至第四半波片，变成具有2N-1个脉冲的脉冲簇；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的一半数量的脉冲的偏振变成与下一级脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行，并且分割成2N-2个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；再依次经过第三级和第四级延时线脉冲时域合成器，合成后变成具有2N-3个脉冲的脉冲簇，并且分割成2N-4个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，输入至延迟腔脉冲时域合成器；
共有N-3级延迟腔脉冲时域合成器，第一级至第N-3级延迟腔脉冲时域合成器的结构相同；每一级延迟腔脉冲时域合成器包括：第六偏振分束器和第七偏振分束器、多通腔延迟线、第五半波片以及第四反射镜和第五反射镜；
具有2N-3个脉冲的脉冲簇传输至第一级延迟腔脉冲时域合成器，2N-3个脉冲的脉冲簇分成2N-4对脉冲且每一对脉冲对的偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第六偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第六偏振分束器反射再经第四反射镜反射进入至多通腔延迟线，垂直偏振的脉冲经过多通腔延迟线调整光程，经第五反射镜反射后与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第七偏振分束器，合成一个脉冲，变成具有2N-4个脉冲的脉冲簇传输至第五半波片；按照位相预置器中调制的位相，设置第五半波片相应进行旋转，使得经过第五半波片一半数量的脉冲的偏振变成与下一级延迟腔脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行；依次经过第二至第N-3级延迟腔脉冲时域合成器，最终合成一个脉冲；
一个脉冲经过脉冲压缩器将脉冲压缩还原后输出。
2.如权利要求1所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述飞秒激光器采用GHz重复频率飞秒光纤激光器。
3.如权利要求1所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述脉冲幅度调制器采用声光或电光调制器。
4.如权利要求1所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述脉冲展宽和预放大器包括第一和第二泵浦激光器、第一和第二脉冲展宽器以及第一和第二增益光纤；其中，第一和第二泵浦激光器分别通过第一和第二脉冲展宽器的尾部注入至第一和第二增益光纤；位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一和第二环形器的第二端口进入至第一和第二增益光纤进行放大，并分别接续至第一和第二脉冲展宽器进行展宽。
5.如权利要求4所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述脉冲展宽器采用光栅对展宽器或啁啾光纤布拉格光栅。
6.如权利要求1所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述双棒双向平衡式脉冲功率放大器中的光纤棒采用掺杂光子晶体光纤棒或者掺杂单晶光纤棒。
7.如权利要求1所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统，其特征在于，所述多通腔延迟线为折叠式结构，包括一面平面镜和一面凹面镜，在平面镜上设置两个高度不同的孔，分别作为光入口和光出口。
8.一种如权利要求1所述的超短激光脉冲空域和时域合成系统的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括以下步骤：
1)飞秒激光器输出GHz量级重复频率的连续的脉冲列至脉冲幅度调制器；
2)脉冲幅度调制器将脉冲列分割成多组脉冲簇，每一组脉冲簇具有2N个脉冲，N为自然数，脉冲簇的重复频率为1kHz或更高，并对每一组脉冲簇进行预先调制，调制每一组脉冲簇中的2N个脉冲的幅度，前面的脉冲幅度低后面的脉冲幅度高，从而使得经过后期放大后的脉冲幅度相同，输入至第一偏振分束器；
3)第一偏振分束器将每一组脉冲簇分为两束偏振互相垂直的脉冲簇，分别为平行偏振和垂直偏振，平行偏振的脉冲簇透过第一偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第一偏振分束器反射；
4)平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一电光调制器和第二电光调制器，第一电光调制器和第二电光调制器分别调制平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇中的每一个脉冲的位相，对每一个脉冲赋予0或π的位相，使得在后续的前N次合成中经过每一次合成后分割成脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振依旧互相垂直，且经过N+1次合成后变成一个脉冲；经过位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别输入至第一环形器和第二环形器的第一端口；脉冲簇与位相预置保持同步；脉冲簇分割在先，位相预置在偏振分束之后，对各偏振的脉冲分别施加位相；
5)位相调制后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别经过第一环形器和第二环形器的第二端口进入至脉冲展宽和预放大器进行展宽和放大，脉冲展宽和预放大器置于脉冲分簇和位相预置之后，且为双路放大和展宽；展宽和放大后的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇分别通过第一环形器和第二环形器的第三端口输入至双棒双向平衡式脉冲功率放大器；
6)平行偏振的脉冲簇透过第二偏振分束器，通过第一光纤棒的慢轴放大，经第一反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，经过第二反射镜反射，通过第二光纤棒的快轴放大至第三偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第三偏振分束器反射再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为顺时针运行；垂直偏振的脉冲簇先经过第三半波片变成平行偏振，透过第三偏振分束器，通过第二光纤棒的慢轴放大，经第二反射镜反射后经过第一半波片变成垂直偏振，通过第一光纤棒的快轴放大至第二偏振分束器反射，经过第二半波片成平行偏振，平行偏振的脉冲簇透过第三偏振分束器再经过第三反射镜反射出来，此束脉冲簇为逆时针运行；在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇，输入至脉冲时域合成器；
7)在空间上合成一束在时间上为两束的平行偏振的脉冲簇和垂直偏振的脉冲簇输入至第一级延时线脉冲时域合成器的第四偏振分束器在空间上分成两束，平行偏振的脉冲簇透过第四偏振分束器，垂直偏振的脉冲簇经第四偏振分束器反射至直线延迟线，垂直偏振的脉冲簇经过直线延迟线，平行偏振的脉冲簇和经过直线延迟线的垂直偏振的脉冲簇经过第五偏振分束器在空间上合成一束，并且在脉冲簇中相对应的脉冲在时间上合成一个脉冲，平行偏振和垂直偏振合成±45°偏振，其中±号由合成的两个脉冲的预置的位相决定，从而
形成在空间和时间上均合成的一束脉冲簇，具有2N个脉冲，相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；空间和时间均合成一束的脉冲簇传输至第四半波片，平行偏振和垂直偏振的脉冲经过的材料色散相同；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的脉冲变成垂直偏振或平行偏振，并且分割成2N-1对脉冲对后每一对脉冲对中的相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；
8)具有2N个脉冲的脉冲簇经过第二级延时线脉冲时域合成器，2N个脉冲按空间顺序分成2N-1对脉冲对，每一对脉冲对中的两个脉冲相邻且偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第四偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第四偏振分束器反射进入至直线延迟线，调整光程，与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第五偏振分束器，合成一个脉冲传输至第四半波片，变成具有2N-1个脉冲的脉冲簇；按照位相预置器中调制的位相，设置第四半波片相应进行旋转，使得经过第四半波片的一半数量的脉冲的偏振变成与下一级脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行，并且分割成2N-2个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直；再依次经过第三级和第四级延时线脉冲时域合成器，合成后变成具有2N-3个脉冲的脉冲簇，并且分割成2N-4个脉冲对后每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，输入至延迟腔脉冲时域合成器；
9)当N＞4时，具有2N-3个脉冲的脉冲簇传输至第一级延迟腔脉冲时域合成器，2N-3个脉冲的脉冲簇分成2N-4对脉冲且每一对脉冲对中相邻的两个脉冲的偏振互相垂直，一对脉冲对中的平行偏振的脉冲透过第六偏振分束器，一对脉冲对中的垂直偏振的脉冲经第六偏振分束器反射再经第四反射镜反射进入至多通腔延迟线，垂直偏振的脉冲经过多通腔延迟线调整光程，经第五反射镜反射后与相对应的平行偏振的脉冲同时到达第七偏振分束器，合成一个脉冲，变成具有2N-4个脉冲的脉冲簇传输至第五半波片；按照位相预置器中调制的位相，设置第五半波片相应进行旋转，使得经过第五半波片一半数量的脉冲的偏振变成与下一级延迟腔脉冲时域合成器的偏振分束器的偏振取向垂直或平行；依次经过第二至第N-3级延迟腔脉冲时域合成器，最终合成一个脉冲；
10)一个脉冲经过脉冲压缩器将脉冲压缩还原后输出。
9.如权利要求8所述的合成方法，其特征在于，在步骤7)中，平行偏振和垂直偏振的两个脉冲合成一个±45°偏振的脉冲的正负由预置的位相决定：当平行偏振的位相为π时且垂直偏振的位相为0时，合成后的脉冲为45°偏振；当平行偏振的位相为0时且垂直偏振的位相为0时，合成后的脉冲为-45°偏振；当平行偏振的位相为π时且垂直偏振的位相为π时，合成后的脉冲为-45°偏振；当平行偏振的位相为0时且垂直偏振的位相为π时，合成后的脉冲为45°偏振。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108683069A (zh) * 2018-06-07 2018-10-19 上海大学 脉冲分割放大结构及其使用方法
CN111641098A (zh) * 2020-04-24 2020-09-08 科谱(宁波)科技有限公司 一种产生高能超短脉冲的装置及其工作方法
CN113410739A (zh) * 2021-06-18 2021-09-17 中国科学院物理研究所 预啁啾管理飞秒脉冲激光相干合成放大装置及其系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008127451A2 (en) * 2006-12-01 2008-10-23 Cornell Research Foundation, Inc. Divided-pulse amplification of short pulses
US8730570B2 (en) * 2009-07-01 2014-05-20 Calmar Optcom, Inc. Optical pulse compressing based on chirped fiber bragg gratings for pulse amplification and fiber lasers
US11121519B2 (en) * 2017-12-19 2021-09-14 Imra America, Inc. Utilization of time and spatial division multiplexing in high power ultrafast optical amplifiers
EP4084238A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-02 Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Method and apparatus for controlling a pulse repetition rate of a pulsed laser beam, and pulsed laser oscillator with stabilized pulse repetition rate

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108683069A (zh) * 2018-06-07 2018-10-19 上海大学 脉冲分割放大结构及其使用方法
CN111641098A (zh) * 2020-04-24 2020-09-08 科谱(宁波)科技有限公司 一种产生高能超短脉冲的装置及其工作方法
CN113410739A (zh) * 2021-06-18 2021-09-17 中国科学院物理研究所 预啁啾管理飞秒脉冲激光相干合成放大装置及其系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨康文 ; 郝强 ; 曾和平 ; .超短脉冲偏振分割放大技术研究进展(特邀).红外与激光工程.2018,(第01期),全文. *
粟荣涛 ; 周朴 ; 张鹏飞 ; 王小林 ; 马阎星 ; 马鹏飞 ; .超短脉冲光纤激光相干合成(特邀).红外与激光工程.2018,(第01期),全文. *

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