CN117471720A - 一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置，包括超短脉冲光源、脉冲展宽器、任意波形发生器、声光驱动器、声光延时线和脉冲放大器，通过脉冲展宽器对输入的光脉冲进行展宽，使得光脉冲的时域形状与光谱形状相似；声光延时线在射频驱动信号的驱动下，产生对应的调制光脉冲，对展宽后的光脉冲的光谱和时域进行编辑，对光脉冲的相位和幅度进行调节。本发明将不同频率的射频驱动信号加载在声光延时线上，使声光延时线产生的动态布拉格光栅周期按照频率的高低和强度发生变化，实现了对脉冲光谱的相位和幅度调节能力，以控制声光衍射效应的相位和强度变化，获得了调节脉冲相位和幅度的目的，能够实现对光谱脉冲的灵活整形。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光领域，更具体地，涉及一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置。
背景技术
对相位展宽的宽带激光脉冲进行光谱整形是在时域上获得快速、可编程调制的有效方法。可编程脉冲充分利用了啁啾脉冲时域强度分布与其频谱分布之间的高度相似的关系，并以通过引入大量的二阶色散作为比例因子，将超短脉冲的时域形状展宽至与频谱形状相似的程度。这项技术使得满足了皮秒、飞秒时间尺度上任意波形光脉冲的应用需求，并且推动了啁啾脉冲放大系统色散补偿技术的发展。这些应用领域中最突出的是超快激光材料加工、电子枪和加速器以及惯性约束聚变。频谱调制与频率到时间映射相结合是一种稳定和高效的方法，用于生成GHz、THz和光频段的任意脉冲波形。啁啾激光脉冲和脉冲序列可以通过可编辑的辐射强度，获得特定的热力学状态来提高材料烧蚀和纳米粒子生成的效率。同时使用光电阴极高效生成电子束需要具有皮秒范围持续时间的任意形状的脉冲，并且使用激光脉冲串对电子束进行尾场加速是提高电子能量的有效方法。惯性约束聚变的不同快速点火方案采用复杂的脉冲形状和扩频脉冲来降低激光等离子体的稳定性和诱导布里渊散射。最后，大能量激光装置的性能关键取决于前端啁啾脉冲放大系统的特性，该系统的脉冲时域特性由输出光谱预整形控制实现。
现阶段，脉冲整形技术依赖于空间色散元件或液晶装置，在空间上将脉冲按照频谱分布展开，通过对某一频率的功率密度的调节实现光谱整形。显然现有的技术方案需要体积庞大的体块光栅作为色散元件，越精细的波形编辑需要刻线密度越大的光栅以提高色散能力，这无疑限制了光谱编辑的精度，还造成了整形系统体积庞大。因此，如何找到快速、经济、紧凑的超短脉冲整形方法和装置，并能使用在激光放大系统中，成为业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置，包括超短脉冲光源、脉冲展宽器、任意波形发生器、声光驱动器、声光延时线和脉冲放大器；
所述超短脉冲光源，输出两路光脉冲，一路光脉冲进入所述脉冲展宽器，另一路光脉冲进入所述任意波形发生器；
所述脉冲展宽器，用于对输入的一路光脉冲进行展宽，使得展宽后的光脉冲的时域形状与光谱形状相似；
所述任意波形发生器，用于根据输入的另一路光脉冲的初始时间产生相应时间基准的射频驱动信号，所述射频驱动信号的时域波形能够任意调节；
所述声光驱动器，用于对所述射频驱动信号进行放大，作用于所述声光延时线上；
所述声光延时线，用于在任意波形的射频驱动信号的驱动下，产生对应的调制光脉冲，基于所述调制光脉冲对展宽后的光脉冲的光谱和时域进行编辑，输出编辑后的超短脉冲；
所述脉冲放大器，用于对编辑后的超短脉冲进行放大，用以补偿所述脉冲展宽器和所述声光延时线的损耗。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述脉冲展宽器，用于将输入的超短光脉冲展宽至百皮秒或纳米量级，所述秒冲展宽器为体块光栅构成的展宽器、光纤展宽器或啁啾光纤光栅展宽器。
可选的，所述声光延时线包括声光晶体、与入射光脉冲正交的声光晶体表面安装有正电极阵列和负电极，所述正电极阵列，用于根据所述射频驱动信号的频率高低进行频复用加载，使用不同的信号驱动所述声光晶体，产生可变声场，实现对产生的声场布拉格光栅的编程调制，在所述声光晶体的另一端表面输出1级衍射光和0级透射光。
可选的，所述声光晶体根据光源波段不同为TeO2、InP、Ge或声光玻璃。
可选的，所述射频驱动信号为正啁啾射频信号或负啁啾射频信号或间隔交替的正啁啾射频信号和负啁啾射频信号；
在所述射频驱动信号的驱动下，展宽后的光脉冲经过所述声光延时线，改变光脉冲的衍射路径，以对光脉冲的相位进行调节。
可选的，改变射频驱动信号的幅度，展宽后的光脉冲经过所述声光延时线，输出的1级衍射光的强度发生改变，实现对光脉冲幅度的调制。
本发明提供的一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置，将不同频率的射频驱动信号加载在声光延时线上，使声光延时线产生的动态布拉格光栅周期按照频率的高低和强度发生变化，实现了对脉冲光谱的相位和幅度调节能力，以控制声光衍射效应的相位和强度变化，获得了调节脉冲相位和幅度的目的，能够实现对光谱脉冲的灵活整形。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置的结构示意图；
图2为声光延时线的结构示意图；
图3为相位调节的原理示意图；
图4为幅度调节的原理示意图。
附图中，各标号代表：
101a、正啁啾射频驱动信号，101b、正啁啾一级衍射光，102a、负啁啾射频驱动信号，102b、负啁啾一级衍射光；
201、超短光脉冲，203、展宽后的脉冲，205、射频驱动信号，206、编辑后的脉冲。
301、正电极阵列，302、负电极，304、0级透射光，305、1级衍射光，306、声光晶体；
401、超短脉冲光源，402、脉冲展宽器，403、任意波形发生器，404、声光驱动器，405、声光延时线，406、脉冲放大器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
图1为本发明提供的一种基于声光色散延时线超短脉冲整形装置，如图1所示，该装置包括超短脉冲光源401、脉冲展宽器402、任意波形发生器403、声光驱动器404、声光延时线405和脉冲放大器406。
其中，所述超短脉冲光源401的两个输出端分别与脉冲展宽器402、任意波形发生器403连接，其具有一定的光谱宽度，能够支持脉冲展宽至与光谱类似的形状，可以是能够输出飞秒光脉冲的任意光源，其产生的两路光脉冲，其中一路输入所述脉冲展宽器402，另一路光脉冲输入所述任意波形发生器403。
所述脉冲展宽器402和声光延迟线405连接，能够将输入的超短脉冲展宽至百皮秒甚至纳秒量级，确保脉冲时域形状展宽至与输入光谱形状类似的形状，脉冲展宽器402可以为体块光栅构成的展宽器、光纤展宽器或啁啾光纤光栅展宽器。
所述任意波形发生器403与声光驱动器404连接，任意波形发生器403集成探测器功能，能够探测到输入光脉冲的初始时间并产生相应时间基准的射频信号，并能够输出时域波形任意可调节的射频脉冲信号。
所述声光驱动器404与声光延迟线405连接，其功能是放大输入的射频脉冲信号，并保持射频驱动脉冲信号的形状。
声光延迟线405与脉冲放大器406连接，声光延时线405在任意波形射频信号的驱动下产生对应的调制光脉冲，基于调制光脉冲对输入脉冲的光谱和时域进行编辑，以实现对输入光脉冲的相位和幅度的调制,用于补偿脉冲放大器406引入的增益窄化、元器件引入的高阶色散和放大过程中的非线性效应。其输出端与脉冲放大器406连接，所述脉冲放大器406用于补偿脉冲展宽器402和声光延迟线405引入的损耗。
参见图2，声光延时线405包括声光晶体305、声光晶体305与入射光束（为展宽后的脉冲）正交的表面安装有正电极阵列301和负电极302，其中，正电极阵列301和负电极302对称布置。正电极阵列301的作用是根据调制信号的频率高低进行频率复用加载，使用不同频率的信号驱动声光晶体305，产生可变声场，从而实现对声光至布拉格光栅的编程调制。展宽后的脉冲203作为入射光束经过声光延迟线405后，在另一端表面衍射输出，输出表面与入射平面呈一定角度用于补偿布拉格光栅衍射角，将光束分为1级衍射光305和0级透射光304。
任意射频信号通过声学换能器作用在声光晶体306上，产生正交于光束传输方向的，带有频率变化的声场，在变化声场的作用下，声光晶体306表现为动态任意可编程布拉格光栅，从而通过声光衍射效应，调节脉冲相位变化，达到光谱整形目的。
其中，所述声光晶体306，能够在声场下产生受声场强度和频率影响的布拉格光栅，根据光源波段不同可以是TeO2、InP、Ge或声光玻璃。负电极，安装在入射光束正交的表面，与正电极对称安装，用于提供射频信号的接地。
其中，在具有正啁啾射频信号频率的作用下，声光延迟线305表现为施加在晶体上的驱动频率沿脉冲传输方向逐渐减小，对应动态布拉格光栅表现为光栅周期逐渐增大，因此具有较高频率的光最先发生衍射，频率较低的光谱成分传输一段距离后发生衍射。
在具有负啁啾射频信号频率的作用下，表现为施加在声光晶体305上的驱动频率沿脉冲传输方向逐渐增大，对应动态布拉格光栅表现为光栅周期逐渐减小，因此具有较低频率的光最先发生衍射，频率较高的光谱成分传输一段距离后发生衍射。
根据具体需求，射频驱动信号可以为正啁啾射频信号，也可以为负啁啾射频信号，还可以为间隔交替的正啁啾射频信号和负啁啾射频信号。在不同的射频驱动信号的驱动下，展宽后的光脉冲经过声光延时线305，改变光脉冲的衍射路径，以对光脉冲的相位进行调节。
可参见图3，正啁啾射频驱动信号101a的射频信号频率变化，在正啁啾射频信号驱动下，正啁啾一级衍射光101b的衍射路径改变；负啁啾射频驱动信号102a的射频信号频率变化，负啁啾一级衍射光101b的衍射路径改变。
正啁啾射频驱动信号101a具有射频信号的正啁啾特性，表现为施加在晶体上的驱动频率沿脉冲传输方向逐渐减小，对应正啁啾一级衍射光101b中行程的动态布拉格光栅表现为光栅周期逐渐增大，因此具有较高频率的光最先发生衍射，频率较低的光谱成分传输一段距离后发生衍射。对应的波长关系为λ1>λ2>λ3>λ4,因此经过声光延时线后的无啁啾脉冲将带有正啁啾
负啁啾射频驱动信号102a具有射频信号的负啁啾特性，表现为施加在晶体上的驱动频率沿脉冲传输方向逐渐增大，对应负啁啾一级衍射光102b中行程的动态布拉格光栅表现为光栅周期逐渐减小，因此具有较低频率的光最先发生衍射，频率较高的光谱成分传输一段距离后发生衍射。对应的波长关系为λ1>λ2>λ3>λ4,因此经过声光延时线后的无啁啾脉冲将带有负啁啾。
另外，对于经过脉冲展宽器402展宽的光脉冲，其时域形状与频谱形状具有高度相似性，在这一前提先展宽后的脉冲进入声光延时线405中，在射频驱动信号的作用下发生强度调制，射频信号的幅度直接决定了对应光脉冲频率1级衍射光的强度，从而实现对脉冲光谱幅度的调制，获得编辑后的脉冲206，对应在时域上产生近似的脉冲时域形状。
参见图4，为本发明基于声光延时线超短脉冲整形装置对超短脉冲幅度调节的原理示意图，首先输入超短脉冲201经过脉冲展宽器202在时域上进行展宽，将脉冲的时域波形展宽至与光谱形状近似的状态，展宽后的脉冲203进入声光延时线405中，在射频驱动信号205的作用下发生强度调制，射频驱动信号205的幅度直接决定了对应光脉冲频率1级衍射光的强度，从而实现对脉冲光谱幅度的调制，获得可编辑的脉冲模型，对应在时域上产生近似的脉冲时域形状。
本发明提供一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置，通过在声光晶体上按照正电极阵列，将不同频率的射频驱动信号加载在声光晶体上，使声光晶体产生的动态布拉格光栅周期按照频率的高低和强度发生变化，既实现了对布拉格光栅间距的特定调节，又控制了衍射光强度，同时兼顾了相位和幅度调节能力，以控制声光衍射效应的相位和强度变化，获得了调节脉冲相位和幅度的目的。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于声光延时线的超短脉冲整形装置，其特征在于，包括超短脉冲光源、脉冲展宽器、任意波形发生器、声光驱动器、声光延时线和脉冲放大器；
所述超短脉冲光源，输出两路光脉冲，一路光脉冲进入所述脉冲展宽器，另一路光脉冲进入所述任意波形发生器；
所述脉冲展宽器，用于对输入的一路光脉冲进行展宽，使得展宽后的光脉冲的时域形状与光谱形状相似；
所述任意波形发生器，用于根据输入的另一路光脉冲的初始时间产生相应时间基准的射频驱动信号，所述射频驱动信号的时域波形能够任意调节；
所述声光驱动器，用于对所述射频驱动信号进行放大，作用于所述声光延时线上；
所述声光延时线，用于在任意波形的射频驱动信号的驱动下，产生对应的调制光脉冲，基于所述调制光脉冲对展宽后的光脉冲的光谱和时域进行编辑，输出编辑后的超短脉冲；
所述脉冲放大器，用于对编辑后的超短脉冲进行放大，用以补偿所述脉冲展宽器和所述声光延时线的损耗。
2.根据权利要求1所述的超短脉冲整形装置，其特征在于，所述脉冲展宽器，用于将输入的超短光脉冲展宽至百皮秒或纳米量级，所述秒冲展宽器为体块光栅构成的展宽器、光纤展宽器或啁啾光纤光栅展宽器。
3.根据权利要求1所述的超短脉冲整形装置，其特征在于，所述声光延时线包括声光晶体、与入射光脉冲正交的声光晶体表面安装有正电极阵列和负电极，所述正电极阵列，用于根据所述射频驱动信号的频率高低进行频复用加载，使用不同的信号驱动所述声光晶体，产生可变声场，实现对产生的声场布拉格光栅的编程调制，在所述声光晶体的另一端表面输出1级衍射光和0级透射光。
4.根据权利要求3所述的超短脉冲整形装置，其特征在于，所述声光晶体根据光源波段不同为TeO2、InP、Ge或声光玻璃。
5.根据权利要求1所述的超短脉冲整形装置，其特征在于，所述射频驱动信号为正啁啾射频信号或者为负啁啾射频信号或者为间隔交替的正啁啾射频信号和负啁啾射频信号；
在所述射频驱动信号的驱动下，展宽后的光脉冲经过所述声光延时线，改变光脉冲的衍射路径，以对光脉冲的相位进行调节。
6.根据权利要求1所述的超短脉冲整形装置，其特征在于，改变射频驱动信号的幅度，展宽后的光脉冲经过所述声光延时线，输出的1级衍射光的强度发生改变，实现对光脉冲幅度的调制。
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