CN117673882A - 一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法 - Google Patents

一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法,涉及超快激光系统领域,激光脉冲输入所述光学取样器得到第一激光脉冲和第二激光脉冲;所述第一激光脉冲输入所述光学延迟器;经过所述光学延迟器的第一激光脉冲输入所述能量调制模块,得到输出脉冲;所述光学取样器还与所述高压光电导开关连接;所述第二激光脉冲输入所述高压光电导开关得到电信号;所述负反馈控制模块用于根据电信号确定高压控制信号并将所述高压控制信号发送至所述高压光电导开关;所述高压光电导开关还与所述能量调制模块连接;所述高压光电导开关用于将所述高压控制信号发送至所述能量调制模块。本发明能提高放大激光系统输出能量的稳定性。

Description

一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法
技术领域
本发明涉及超快激光系统领域,特别是涉及一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法。
背景技术
在过去的二十年中,皮秒、飞秒放大技术的不断发展,如皮秒激光的再生放大、行波放大技术、飞秒激光的啁啾脉冲放大技术和光参量放大技术等,促使了峰值功率达到TW甚至PW的超短超强脉冲激光的产生。超强超短脉冲在材料处理与工业加工方面呈现出良好的市场前景,还可用于强场物理领域的研究,如激光可控核聚变、激光等离子体、X射线激光、模拟宇宙学等。
随着皮秒、飞秒技术的发展,超快激光放大系统不仅仅局限在对超短脉冲宽度、高平均功率、高峰值功率等方面的追求,而更进一步地追求实用性、稳定性,以满足商用用户的需求。目前的皮秒、飞秒超快放大系统通常在不同脉冲之间表现出百分之几的波动(3-5%),稳定性尚需提高以满足高端的实验需求。
毫秒、微秒和纳秒激光由于激光脉冲持续时间较长,依赖于传统的电子学反馈回路可以实时的快速调整控制激光电源的驱动电流就能够实时调节输出能量,从而获得较好的能量稳定性输出。然而,对于脉冲宽度短于纳秒(10-9秒)的皮秒脉冲(10-12秒)和飞秒脉冲(10-15秒)脉冲持续时间非常短导致传统电子线路没有足够快的反应速度(10-9秒)来调控比它短千倍的光脉冲的时间细节,也无法实时构成快速的负反馈回路控制激光器的实时能量输出的稳定性,目前大多采用测量多个脉冲的输出趋势来预测输出能量的变化,从而通过多次平均的软件算法来调节泵浦电流来提高总体脉冲输出的稳定性趋势。但对于脉冲频率较低(1000Hz、100Hz、10Hz、1Hz)这种前后时间关联度较弱的脉冲激光器或工作在单次触发条件下这种完全没有时间关联度的脉冲激光器而言,通过软件算法来提高能量稳定度的方法就不适用了,因此需要发展一种能够实时调节能量稳定性的装置来提高超快高能放大系统的输出能量稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法,可提高放大激光系统输出能量的稳定性。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种提高放大激光系统稳定性的装置,包括:沿着激光光路依次连接的光学取样器、光学延迟器、能量调制模块、高压光电导开关和负反馈控制模块。
激光脉冲输入所述光学取样器得到第一激光脉冲和第二激光脉冲;所述第一激光脉冲输入所述光学延迟器;经过所述光学延迟器的第一激光脉冲输入所述能量调制模块,得到输出脉冲;所述光学取样器还与所述高压光电导开关连接;所述第二激光脉冲输入所述高压光电导开关得到电信号;所述负反馈控制模块用于根据电信号确定高压控制信号并将所述高压控制信号发送至所述高压光电导开关;所述高压光电导开关还与所述能量调制模块连接;所述高压光电导开关用于将所述高压控制信号发送至所述能量调制模块。
可选地,所述光学取样器包括第一取样反射镜;激光脉冲输入所述第一取样反射镜得到第一激光脉冲和第二激光脉冲。
可选地,所述光学取样器还包括第二取样反射镜;所述第二取样反射镜用于将所述第二激光脉冲反射至所述光学延迟器。
可选地,所述光学延迟器包括一个或者多个延迟反射镜;所述延迟反射镜用于转折光路和调节光学延迟线。
可选地,当所述光学延迟器包括两个延迟反射镜时,通过调节两个所述延迟反射镜的位置来调节光学延迟线。
可选地,所述能量调制模块包括依次设置的起偏器、普克尔盒和检偏器;经过所述光学延迟器的第一激光脉冲依次输入所述起偏器、普克尔盒和检偏器得到输出脉冲;所述普克尔盒还与所述高压光电导开关连接。
可选地,还包括电源;所述电源与所述高压光电导开关连接。
本发明还提供一种提高放大激光系统稳定性的控制方法,所述提高放大激光系统稳定性的控制方法应用于所述的提高放大激光系统稳定性的装置,所述提高放大激光系统稳定性的控制方法包括:获取高压光电导开关转换电信号的幅值和负反馈控制模块设定的目标值;根据所述电信号的幅值和所述目标值确定高压控制信号;将所述高压控制信号反馈至能量调制模块得到激光输出。
可选地,根据所述电信号的幅值和所述目标值确定高压控制信号,具体包括:当所述电信号的幅值小于所述目标值时,则增加高压控制信号的时间;当所述电信号的幅值大于或者等于所述目标值,则减小高压控制信号的时间。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
为了解决电子学反应速度不够快的问题,本发明采用光学延迟器将超快脉冲延时至纳秒量级后送入能量调制模块,保证经过光学延迟器延时后的主光路高能脉冲激光和高压控制信号在时域上同时到达普克尔盒,此时主光路高能脉冲激光通过能量调制模块时脉冲幅度将被主动调整,从而获得稳定的能量输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例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发明的一些实施例,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为本发明提供的提高放大激光系统稳定性的装置示意图。
符号说明:
第一取样反射镜-1,第二取样反射镜-2,第一延迟反射镜-3,第二延迟反射镜-4,负反馈控制模块-5,高压光电导开关-6,电源-7,检偏器-8,起偏器-9,普克尔盒-10。
具体实施方式
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,所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种提高放大激光系统稳定性的装置及控制方法,可提高放大激光系统输出能量的稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本发明提供的一种提高放大激光系统稳定性的装置,包括:沿着激光光路依次连接的光学取样器、光学延迟器、能量调制模块、高压光电导开关6和负反馈控制模块5。所述光学取样器、光学延迟器、能量调制模块依次沿激光光路传输方向放置。
激光脉冲输入所述光学取样器得到第一激光脉冲和第二激光脉冲;所述第一激光脉冲输入所述光学延迟器;经过所述光学延迟器的第一激光脉冲输入所述能量调制模块,得到输出脉冲;所述光学取样器还与所述高压光电导开关6连接;所述第二激光脉冲输入所述高压光电导开关6得到电信号;所述负反馈控制模块5用于根据电信号确定高压控制信号并将所述高压控制信号发送至所述高压光电导开关6;所述高压光电导开关6还与所述能量调制模块连接;所述高压光电导开关6用于将所述高压控制信号发送至所述能量调制模块。
所述光学取样器包括第一取样反射镜1;激光脉冲输入所述第一取样反射镜1得到第一激光脉冲和第二激光脉冲。所述光学取样器还包括第二取样反射镜2;所述第二取样反射镜2用于将所述第二激光脉冲反射至所述光学延迟器。所述第一取样反射镜1位于装置的入口处,其作用是反射一小部分激光脉冲,并透射大部分激光脉冲;所述第二取样反射镜2位于第一取样反射镜1的下方,用于将取样的一小部分激光脉冲入射到高压光电导开关6,作为高压光电导开关6的信号输入,形成分光路。
所述光学延迟器包括一个或者多个延迟反射镜;所述延迟反射镜用于转折光路和调节光学延迟线。当所述光学延迟器包括两个延迟反射镜时,通过调节两个所述延迟反射镜的位置来调节光学延迟线。当所述光学延迟器包括两个延迟反射镜时,两个延迟反射镜分别为第一延迟反射镜3和第二延迟反射镜4,主光路脉冲激光依次经过第一延迟反射镜3、第二延迟反射镜4、起偏器9、普克尔盒10和检偏器8。所述第一延迟反射镜3位于第一取样反射镜1后方,用于改变主光路高能脉冲激光传输方向;所述第二延迟反射镜4位于第一延迟反射镜3下方,用于改变主光路高能脉冲激光传输方向;所述第一延迟反射镜3和第二延迟反射镜4共同组成了光学延迟器,通过调节第一延迟反射镜3和第二延迟反射镜4的位置来调节光学延迟线,延迟时间等于激光通过反射镜之间的距离除以光速。
所述能量调制模块包括依次设置的起偏器9、普克尔盒10和检偏器8;经过所述光学延迟器的第一激光脉冲依次输入所述起偏器9、普克尔盒10和检偏器8得到输出脉冲;所述普克尔盒10还与所述高压光电导开关6连接。所述起偏器9、普克尔盒10和检偏器8位于第二延迟反射镜4后方,依次沿激光光路传输方向放置。
提高放大激光系统稳定性的装置还包括电源7;所述电源7与所述高压光电导开关6连接。本发明中的电源7为高压电源。所述高压电源的输出端连接到高压光电导开关6上,所述负反馈控制模块5和高压光电导开关6互相连接,所述高压光电导开关6的输出端连接到普克尔盒10上。所述高压电源用于给高压光电导开关6供电,所述负反馈控制模块5用于控制高压光电导开关6产生所需的高压脉冲信号。
所述负反馈控制模块5中的负反馈控制是一种常见的控制机制,其原理基于从系统的输出中获取信息,与期望的输入或输出进行比较,然后相应地对系统进行调节,以使系统输出趋向于期望值或保持恒定。
激光脉冲通过光学取样器后一小部分激光入射到高压光电导开关6上,然后经过负反馈控制模块5处理后由高压光电导开关6送出高压控制信号给能量调制模块,从而改变普克尔盒10的工作状态,当经过光学延迟器延时后的主光路脉冲激光通过能量调制模块时脉冲幅度将被主动调整,从而获得稳定的能量输出。本发明装置可以大幅度提高超快高能放大激光系统输出能量的稳定性。
由上可知,本发明装置工作原理为:
激光脉冲通过光学取样器后,光学取样器对入射激光脉冲能量进行取样,当高压光电导开关6接收到第二取样反射镜2传输过来的光信号以后输出与光脉冲一致的电信号到负反馈控制模块5,然后经过负反馈控制模块5处理后由高压光电导开关6送出高压控制信号给普克尔盒10,从而改变普克尔盒10的工作状态;为了解决电子学反应速度不够快的难题,采用光学延迟器将超快脉冲延时至纳秒量级后送入能量调制模块,保证经过光学延迟器延时后的主光路高能脉冲激光和高压控制信号在时域上同时到达普克尔盒10,此时主光路高能脉冲激光通过能量调制模块时脉冲幅度将被主动调整,从而获得稳定的能量输出。
由高压光电导开关6驱动普克尔盒10,其中高压光电导开关6同时起到了能量监测和能量调制模块驱动器的作用。
高压光电导开关6的响应速度为纳秒量级,1纳秒激光走的路程为300mm,光学延迟线的长度可以根据高压光电导开关6的响应速度进行调节。激光能量测量值与目标值进行比较,并将适当放大的差信号反馈到沿光束传播轴上游的能量调制器。为了直接校正脉冲能量,光电导开关驱动能量调制器的响应时间应当与主脉冲激光通过光学延迟线以后到达能量调制器的时间相当。
光学取样器也可以是一个小型的分束器,所采样的光信号转换为电信号触发高压光电导开关6,并被送到负反馈控制模块5进行处理。
光学延迟器由两片反射镜组成。本发明中使用的是两片45°反射镜,反射镜固定在一个可移动的平台上,通过调节镜子的距离,可以实现对激光光程的调节。当激光入射到这两个反射镜时,将依次经过光学延迟器中的这两个反射镜,由此形成一个可调节的延迟量。延迟时间等于光通过反射镜之间的距离除以光速。
起偏器9可以控制光线的偏振方向,而普克尔盒10则可以根据特定的电信号,控制透传或反射光线。通过调节偏振器和普克尔盒10的工作状态,可以实现对激光系统输出能量的精确调节。
负反馈控制模块5可由一个微控制器控制,本发明中使用的是PID控制器。通过接收光学取样器激光信号的特征和设定的控制算法来实时控制能量调制器的工作状态,以保持激光系统输出能量的稳定性。
本发明的目的在于克服现有皮秒、飞秒激光系统存在的不稳定缺陷,从而提供一种提高超快高能放大激光系统稳定性的装置,与高压光电导开关配合使用,实现了高稳定的优点。
本发明还提供一种提高放大激光系统稳定性的控制方法,所述提高放大激光系统稳定性的控制方法应用于所述的提高放大激光系统稳定性的装置,所述提高放大激光系统稳定性的控制方法包括:获取高压光电导开关转换电信号的幅值和负反馈控制模块设定的目标值;高压光电导开关转换电信号的幅值可等效为激光能量测量值。根据所述电信号的幅值和所述目标值确定高压控制信号。将所述高压控制信号反馈至能量调制模块得到激光输出。
其中,根据所述电信号的幅值和所述目标值确定高压控制信号,具体包括:当所述电信号的幅值小于所述目标值时,则增加高压控制信号的时间。当所述电信号的幅值大于或者等于所述目标值,则减小高压控制信号的时间。根据比较的结果,调整高压控制信号的时间。
高压光电导开关转换的电信号输入到负反馈控制模块,与设定的目标值进行比较,并将高压控制信号反馈到沿光束传播轴上游的能量调制模块。为了直接校正脉冲能量,高压光电导开关驱动能量调制模块的响应时间应当与主脉冲激光通过光学延迟器以后到达能量调制模块的时间相当。
本发明可以用打羽毛球来比喻,当羽毛球球速过快球手来不及迎头痛击时可以退后一步让羽毛球飞行一段路程后从后面去有力的击球,超快高能放大激光系统稳定性装置中光学延迟器的作用是让高能脉冲先传输一段路程,为电子学赢得足够的快反应时间(纳秒),能够将超快高能放大激光系统的能量稳定性控制在1%以内。
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他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,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发明的限制。

Claims (9)

1.一种提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,包括:沿着激光光路依次连接的光学取样器、光学延迟器、能量调制模块、高压光电导开关和负反馈控制模块;
激光脉冲输入所述光学取样器得到第一激光脉冲和第二激光脉冲;所述第一激光脉冲输入所述光学延迟器;经过所述光学延迟器的第一激光脉冲输入所述能量调制模块,得到输出脉冲;所述光学取样器还与所述高压光电导开关连接;所述第二激光脉冲输入所述高压光电导开关得到电信号;所述负反馈控制模块用于根据电信号确定高压控制信号并将所述高压控制信号发送至所述高压光电导开关;所述高压光电导开关还与所述能量调制模块连接;所述高压光电导开关用于将所述高压控制信号发送至所述能量调制模块。
2.根据权利要求1所述的提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,所述光学取样器包括第一取样反射镜;激光脉冲输入所述第一取样反射镜得到第一激光脉冲和第二激光脉冲。
3.根据权利要求2所述的提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,所述光学取样器还包括第二取样反射镜;所述第二取样反射镜用于将所述第二激光脉冲反射至所述光学延迟器。
4.根据权利要求1所述的提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,所述光学延迟器包括一个或者多个延迟反射镜;所述延迟反射镜用于转折光路和调节光学延迟线。
5.根据权利要求4所述的提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,当所述光学延迟器包括两个延迟反射镜时,通过调节两个所述延迟反射镜的位置来调节光学延迟线。
6.根据权利要求1所述的提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,所述能量调制模块包括依次设置的起偏器、普克尔盒和检偏器;
经过所述光学延迟器的第一激光脉冲依次输入所述起偏器、普克尔盒和检偏器得到输出脉冲;所述普克尔盒还与所述高压光电导开关连接。
7.根据权利要求1所述的提高放大激光系统稳定性的装置,其特征在于,还包括电源;所述电源与所述高压光电导开关连接。
8.一种提高放大激光系统稳定性的控制方法,其特征在于,所述提高放大激光系统稳定性的控制方法应用于权利要求1-7任意一项所述的提高放大激光系统稳定性的装置,所述提高放大激光系统稳定性的控制方法包括:
获取高压光电导开关转换电信号的幅值和负反馈控制模块设定的目标值;
根据所述电信号的幅值和所述目标值确定高压控制信号;
将所述高压控制信号反馈至能量调制模块得到激光输出。
9.根据权利要求8所述的提高放大激光系统稳定性的控制方法,其特征在于,根据所述电信号的幅值和所述目标值确定高压控制信号,具体包括:
当所述电信号的幅值小于所述目标值时,则增加高压控制信号的时间;
当所述电信号的幅值大于或者等于所述目标值,则减小高压控制信号的时间。
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