CN117937213A - 一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置，包括超短脉冲产生系统、光谱整形系统、四波混频时域透镜系统、脉冲输出及检测系统以及控制模块，四波混频时域透镜系统包括带通滤波器II、脉冲展宽器II、可调延时线、放大器II、光纤合束器及四波混频器，用于脉冲频时映射并实现啁啾消除。脉冲输出及检测系统包括输出滤波器、脉冲压缩器、光纤耦合及分束器II及波形检测单元，用于实现脉冲序列的子脉冲压缩及输出，并将脉冲波形信号传输到控制系统，控制系统将接收到的波形检测信号与预设信号进行比对，并输出反馈调节信号给光谱整形系统，实现激光脉冲整形的闭环控制。本发明用于输出消啁啾的任意整形脉冲序列，具有较低系统复杂度的优势。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术以及脉冲整形等领域，具体涉及一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置与方法。
背景技术
高功率激光脉冲具有高能量、极高的聚焦功率密度等优势，是惯性约束聚变、高能量密度物理、高精密特种加工等领域的重要使能工具。在这些领域的应用中，通常对激光脉冲的振幅、相位、频谱等参数有特定的要求，通过精确设计激光脉冲的时域波形，可以显著提升激光与物质相互作用的效果。例如，在激光与等离子体相互作用中，使用脉宽不均匀的非等间隔脉冲序列(STUD)可以有效缓解等离子体不稳定性；在激光加工领域，利用整形技术优化脉冲串的振幅、周期、占空比等参数，可以提高烧蚀效率，从而显著提高加工效率。因此，引入高时间分辨率的任意脉冲整形技术，实现对脉冲时域分布的精密调控，能够为不同领域的应用提供激光参数可高度自设置的激光脉冲光源。
超短激光脉冲整形方法主要包括电光调制法[专利1：赵灏，一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及整形方法，CN105607296A]和超快光学整形法，前者受限于器件的带宽，整形时间分辨率的上限约为十皮秒量级，无法满足更高精度应用的要求。超快光学整形法的时间分辨率可以达到亚皮秒量级的，能够满足绝大多数的应用要求，目前该体系下较为成熟的方案有傅里叶变换法[专利2：伊藤晴康，脉冲光生成装置、光照射装置、光加工装置、光响应测定装置、显微镜装置及脉冲光生成方法，CN108885360A]、时域望远镜[文献1：M.A.Foster,R.Salem,Y.Okawachi,A.C.Turner-Foster,M.Lipson,and A.L.Gaeta,"Ultrafast waveform compression using a time-domain telescope,"NaturePhotonics,vol.3,no.10,pp.581-585,2009.]和时频转换法[专利3：杨淑娜，一种基于光脉冲时频整形的射频任意波形发生器及方法，CN116527153A]等，这些方法虽然提高了时间分辨率，但通常无法兼顾脉冲整形和啁啾消除，使得最终输出的脉冲质量有所下降。美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的D.E.Mittelberger等在2019年提出了基于频谱转录啁啾矫正的任意波形发生技术[文献2：D.E.Mitelberger,R.D.Muir,M.Y.Hamamoto,M.A.Prantil,andJ.E.Heebner,"Frequency-to-time optical arbitrary waveform generator,"OpticsLeters,vol.44,no.11,2019.]，可以实现任意的脉冲序列整形，并同时消除啁啾。然而，该方法依赖非线性晶体材料产生倍频及差频的光信号，要求输入到非线性晶体的激光脉冲具有较高的光功率，需要引入复杂的前置放大系统，导致系统复杂度比较高。该小组在2021年又提出了时-空线性编码转录的时域整形方案，也可实现消啁啾整形的脉冲序列，但其系统的能量利用率较低。[文献3:D.E.Mitelberger,R.Muir,D.Perlmuter,and J.Heebner,"Programmable,direct space-to-time picosecond resolution pulse shaper withnanosecond record,"Opt Let,vol.46,no.8,pp.1832-1835,Apr 15 2021.]
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置与方法，采用光纤四波混频实现消啁啾的脉冲整形，利用其功率密度高、光束耦合简单等优点，可实现任意的、亚皮秒量级的激光脉冲的整形，并且能输出消啁啾的整形脉冲。同时，本发明所述系统具有低系统复杂度的优势，可以有效降低系统复杂度，使其更好应用于激光惯性约束聚变、高精密特种加工等领域。
本发明技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置，由超短脉冲产生系统、光谱整形系统、四波混频时域透镜系统、脉冲输出及检测系统、控制模块组成，其中，所述的超短脉冲产生系统由依次连接的超短脉冲光源、脉冲展宽器I、光纤耦合及分束器I组成。所述的光谱整形系统由依次连接的带通滤波器I、光谱整形器、放大器I组成。所述的四波混频时域透镜系统由依次连接的带通滤波器II、脉冲展宽器II、可调延时线、放大器II、光纤合束器、四波混频器组成。所述的脉冲输出及检测系统由依次连接的输出滤波器、脉冲压缩器、光纤耦合及分束器II，波形检测单元组成，光纤耦合及分束器II特征在于，输出端分别与波形检测单元输入端、用户端输入连接。控制模块特征在于，其输入端与波形检测单元的输出端连接，其输出端与光谱整形器的输入端连接。
所述的超短脉冲光源输出的宽带近傅里叶变换极限脉冲，其光谱宽度应在数纳米到数十纳米。
所述的超短脉冲光源输出的宽带近傅里叶变换极限脉冲，连接到脉冲展宽器I输入端，使其获得正的群延迟色散φ1，使脉冲被时域展宽，遵循如下公式
E0(t)＝A(t)exp(iω0t)exp[-(it2/2)/φ1]
其中，E0(t)为超短脉冲光电场的时间分布，A(t)为超短脉冲光振幅的时间分布，ω0为超短脉冲光中心角频率。
所述的光谱整形器对信号光的光谱进行整形，所述的控制模块将预设脉冲波形数据转换成光谱整形数据传输至光谱整形器处，使其对信号光光谱振幅及相位进行调制整形。由于频时映射关系，整形后的光谱分布将直接映射到脉冲的时域波形，因而可以实现高分辨率的任意脉冲整形。
所述的脉冲展宽器II使泵浦光获得额外的正群延迟色散φ1，此时泵浦光的累计群延迟色散为2φ1，过程遵循以下公式
Epump(t)＝exp(iω0t)exp[-(it2/2)/(2φ1)]
其中，Epump(t)为泵浦光电场的时间分布，该光束输入将被到四波混频器的输入端。
所述的四波混频器将信号光和泵浦光进行四波混频，并通过输出滤波器滤出闲频光，其振幅遵循如下公式
其中，Eidler为闲频光电场的时间分布，η为非线性效率，Esignal为信号光电场的时间分布，Epump为泵浦光电场的时间分布。
所述的闲频光输入至所述的脉冲压缩器中，使闲频光获得负群延迟色散(-φ1)，所得到的脉冲即为压缩至傅里叶变换极限的、整形后的消啁啾脉冲。
所述的控制模块接收来自所述的波形检测单元的反馈信号，将该信号与预设脉冲波形进行匹配性分析，然后更新光谱整形控制参数，并将其传输到光谱整形器中去。
本发明的有益效果是通过准全光纤化的系统，实现任意的、亚皮秒量级的激光脉冲的整形，并且能输出消啁啾的整形脉冲，具体的创新点有以下两点：
1)通过光纤四波混频的技术路线，利用高非线性光纤中能够以较低光功率产生较强非线性效应的优势，可以实现低复杂度的窄带消啁啾整形脉冲序列输出2)通过光纤四波混频的频时转换方案，将直接时域整形转化为空间域整形，绕开了电光整形器的时域带宽限制，可以实现亚皮秒级时间分辨率的整形脉冲序列输出。
附图说明：
图1为本发明实践例1提供的装置结构示意图。
图2为本发明实践例1提供的波形演化示意图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
图1是本发明超短激光脉冲整形装置的结构示意图，其中，所述超短脉冲产生系统由依次连接的超短脉冲光源101、脉冲展宽器I102、光纤耦合及分束器I103组成。所述光谱整形系统由依次连接的带通滤波器I201、光谱整形器202、放大器I203组成。所述四波混频时域透镜系统由依次连接的带通滤波器II301、脉冲展宽器II302、可调延时线303、放大器II304、光纤合束器305、四波混频器306组成。所述脉冲输出及检测系统由依次连接的输出滤波器401、脉冲压缩器402、光纤耦合及分束器II403、波形检测单元404组成。所述的超短脉冲光源101由锁模激光器构成，所述的脉冲展宽器I102、脉冲展宽器II302由普通单模光纤构成，所述的光谱整形器202由第一反射镜，第一光栅，第一透镜，空间光调制器，第二透镜，第二光栅，第二全反射镜组成，四波混频器306由高非线性光纤构成。
S0、对装置进行初始化设置，并通过控制系统5设定预设波形。
S1、超短脉冲光源101输出宽带近傅里叶变换极限脉冲。
S2、脉冲展宽器I102对宽带近傅里叶变换极限脉冲施加正群延迟色散，其附加的群延迟色散值φ1正比于普通单模光纤长度，对超短脉冲进行第一次时域展宽并输出展宽后的脉冲。
S3、时域展宽后的脉冲被所述的光纤耦合及分束器I103分为信号光和泵浦光两束。
S4、所述的信号光被输入到所述光谱整形器的带通滤波器I201中，得到中心波长为λs、带宽为△λs的脉冲，随后输入到光谱整形器202中进行光谱整形，光谱整形的具体控制参数由控制模块5给出。光谱整形后脉冲输入到放大器I203中进行放大。
S5、所述的泵浦光被输入到所述的四波混频时域透镜系统的带通滤波器II301中，滤波得到中心波长为λp、带宽为△λp的脉冲，并输入至脉冲展宽器II302中，施加正群延迟色散φ1，对泵浦光脉冲进行第二次时域展宽，此时泵浦光脉冲累计的群延迟色散值为2φ1。
S6、调节可调延时线303，直到完成与信号光的同步，并将时域展宽后的泵浦光脉冲输入到放大器II304中进行放大。
S7、所述的放大器I203及放大器II304输出的信号光和泵浦光，分别被输入至所述的光纤合束器305的A输入端和B输入端，其输出端连接到四波混频器306的输入端。
S8、信号光和泵浦光在四波混频器306中完成四波混频，其输出端连接到所述的输出滤波器401，滤波得到中心波长为λi、带宽为△λi的脉冲，即闲频光。
S9、所述的输出滤波器401输出端连接到所述的脉冲压缩器402输入端，所述的闲频光在此处得到负群延迟色散(-φ1)，其光谱相位被完全补偿，得到变换极限脉冲，输出到所述的光纤耦合及分束器II403的输入端。
S10、其输出端分别连接到所述的波形检测单元404以及用户端输入，所述的波形检测单元404输出端连接到所述的控制模块5输入端，所述的控制模块将采集到的波形信号与预设脉冲波形进行匹配性分析，并相应调节给予光谱整形器202的控制参数，其输出端连接到光谱整形器202空间光调制器处，进行反馈调节整形。
S11、回到步骤S4，重复实验，直到输出波形达到预设的匹配度要求。
接下来的部分将通过解释波形演化图的方法，结合实施例的上半部分，进一步阐释本发明所提出的脉冲整形方法。图2是本发明超短激光脉冲整形方法的波形演化示意图，用于演示超短激光脉冲整形方法，其中，横坐标标注为t的图代表光脉冲的时域振幅分布，横坐标标注为ω的图代表光脉冲的光谱振幅分布。
所述的宽带近傅里叶变换极限脉冲501由所述的超短脉冲光源输出，经所述的脉冲展宽器I102后，变为时域展宽且带啁啾的初始脉冲502，该脉冲被光纤耦合及分束器I103分为两束，作为信号光的一束经光谱整形器系统2整形后，变为整形后的信号光脉冲503，作为泵浦光的另一束经脉冲展宽器II302后其脉宽及啁啾量满足系统需求，与整形后的信号光脉冲503合束输入到四波混频器306中进行四波混频。四波混频器306输出的闲频光为消啁啾的窄带整形光脉冲504，被输入到脉冲压缩器402进行压缩，得到消啁啾的窄带变换极限整形光脉冲505。
本发明解决目前超短激光脉冲整形中装置结构复杂、系统复杂度高、时间分辨率低等问题。通过光纤四波混频过程，能实现窄带消啁啾的亚皮秒整形激光脉冲序列的输出。
以上描述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应当会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施示例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施示例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施示例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，包括超短脉冲产生系统(1)、光谱整形系统(2)、四波混频时域透镜系统(3)、脉冲输出及检测系统(4)和控制模块(5)；
所述超短脉冲产生系统(1)，用于输出具有群延迟色散的宽带近傅里叶变换极限脉冲，并分束为信号光和泵浦光，分别输出到光谱整形系统(2)与四波混频时域透镜系统(3)；
所述光谱整形系统(2)，用于对所述信号光的光谱振幅及相位进行整形，并接收所述控制模块(5)输出的光谱整形控制参数，将整形后的信号光输入至四波混频时域透镜系统(3)；
所述四波混频时域透镜系统(3)，用于对所述泵浦光展宽，并耦合泵浦光和整形后的信号光进行光纤四波混频，并利用该光纤四波混频效应作为时间透镜使整形后的信号光光谱分布将直接映射到四波混频器输出的闲频光时域分布上，从而实现低复杂度、高分辨率的任意消啁啾脉冲时域整形；
所述脉冲输出及检测系统(4)，用于对所述四波混频时域透镜系统(3)输出的闲频光进行后处理，即滤波并消除其光谱二次相位，压缩其至傅里叶变换极限完成消啁啾，并完成检测和用户端输出，检测的波形信号将输出到控制模块(5)；
所述控制模块(5)，用于接受来自脉冲输出及检测系统(4)的波形信号，将该信号与预设脉冲波形进行匹配性分析，然后更新光谱整形参数，并将其传输到所述光谱整形系统(2)。
2.如权利要求1所述的基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述四波混频时域透镜系统包括依次连接的带通滤波器II(301)、脉冲展宽器II(302)、可调延时线(303)、放大器II(304)、光纤合束器(305)和四波混频器(306)；
经所述短脉冲产生系统(1)输出的泵浦光进入所述带通滤波器II(301)进行滤波后，进入脉冲展宽器II(302)，所述的脉冲展宽器II(302)使泵浦光获得额外的正群延迟色散φ1，此时泵浦光的累计群延迟色散为2φ1，所述的可调延时线(303)用于调节泵浦光的时延，实现在四波混频器(306)中与信号光的同步；
经所述光谱整形系统(2)整形后的信号光进入所述光纤合束器(305)与所述泵浦光合束后进入四波混频器(306)进行四波混频后传输至脉冲输出及检测系统(4)。
3.如权利要求1所述的基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述超短脉冲产生系统包括依次连接的超短脉冲光源(101)、脉冲展宽器I(102)、光纤耦合及分束器I(103)；所述光谱整形系统包括依次连接的带通滤波器I(201)、光谱整形器(202)和放大器I(203)；所述脉冲输出及检测系统包括依次连接的输出滤波器(401)、脉冲压缩器(402)、光纤耦合及分束器II(403)、波形检测单元(404)；
所述的超短脉冲光源(101)输出的宽带近傅里叶变换极限脉冲，连接到脉冲展宽器I(102)输入端，使其获得正的群延迟色散φ1；所述的光纤耦合及分束器I(103)将展宽后的超短脉冲分为两束，称为信号光和泵浦光，分别进入所述的带通滤波器I(201)和带通滤波器II(301)进行滤波；
所述的带通滤波器I(201)输出端连接到所述的光谱整形器(202)，对信号光的光谱进行整形，所述的控制模块(5)将预设脉冲波形数据转换成光谱整形控制参数传输至光谱整形器处，使其对信号光光谱振幅及相位进行调制整形，整形后的光谱分布将直接映射到脉冲的时域波形,实现高分辨率的脉冲任意整形；所述的放大器I(203)用于放大整形后的信号光，以满足后续使用要求。
所述的脉冲展宽器II(302)使泵浦光获得额外的正群延迟色散φ1，此时泵浦光的累计群延迟色散为2φ1。所述的可调延时线(303)用于调节泵浦光的时延，实现在四波混频器(306)中与信号光的同步。所述的放大器II(204)用于放大二次展宽的泵浦光，用于满足四波混频的光强要求。所述的光纤合束器(305)接收来自所述的放大器I(203)输出的整形放大后信号光以及所述的(304)输出的放大后泵浦光，并将其耦合输出到所述的四波混频器(306)中，进行四波混频。
所述的四波混频器(306)输出端连接至所述的输出滤波器(401)处，用于滤出闲频光，输入到所述的脉冲压缩器(402)中进行光谱二次相位的消除，即消除啁啾。所述的脉冲压缩器(402)输出的光束被所述光纤耦合及分束器II(403)分为两束，其中一束直接输出到用户端，另一束输入到所述波形检测单元(404)中，读取其波形信号。
所述的控制模块(5)接收来自所述的波形检测单元(404)的波形信号，将该信号与预设脉冲波形进行匹配性分析，然后更新光谱整形控制参数，并将其传输到光谱整形器(202)中。
4.如权利要求3所述的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述的超短脉冲光源(101)是锁模激光器或光参量振荡器。
5.如权利要求3所述的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述的脉冲展宽器I(102)、脉冲展宽器II(302)是普通单模光纤或其他能产生正群延迟色散的色散器件。
6.如权利要求3所述的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述的光谱整形器(202)是傅里叶变换型光谱整形器或其他光谱整形器件。
7.如权利要求2所述的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述的四波混频器(306)是高非线性光纤或其他具有较高三阶非线性系数的四波混频系统。
8.如权利要求3所述的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述的脉冲压缩器(402)是色散补偿光纤或其他能产生负群延迟色散的色散器件。
9.如权利要求3所述的超短激光脉冲整形装置，其特征在于，所述的波形检测单元(404)是自相关仪或是其他可用于检测超短脉冲的光电探测器。
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|---|---|---|---|
| CN202410067061.3A CN117937213A (zh) | 2024-01-17 | 2024-01-17 | 一种基于光纤四波混频的超短激光脉冲整形装置与方法 |
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