CN217692082U

CN217692082U - 一种可调的宏脉冲结构激光产生装置

Info

Publication number: CN217692082U
Application number: CN202221856352.3U
Authority: CN
Inventors: 吴桐; 徐金强; 徐航; 黄森林
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2032-07-19

Abstract

本实用新型提供一种可调的宏脉冲结构激光产生装置，其包括激光振荡源、脉冲延时器、SOA驱动器、SOA、光纤放大器、声光驱动器和空间耦合声光调制器。所述激光振荡源与脉冲延时器、SOA实现光路连接，所述SOA与光纤放大器实现光路连接，所述光纤放大器与空间耦合声光调制器实现光路连接。所述脉冲延时器与所述SOA驱动器、声光驱动器实现电路连接，所述SOA驱动器与SOA实现电路连接，所述声光驱动器与空间耦合声光调制器实现电路连接。本实用新型基于两个开关时间不同的光开关，即SOA和空间耦合声光调制器，分别进行两次脉冲选择，从而逐步降低激光脉冲的重复频率。

Description

一种可调的宏脉冲结构激光产生装置

技术领域

本实用新型属于加速器装置中的光阴极驱动激光领域，具体涉及一种可调的宏脉冲结构激光产生装置。

背景技术

高平均流强的电子直线加速器装置在运行时，平均电流达到几十甚至上百毫安，按照把10mA电子加速到10MeV计算，束流功率将高达10万瓦。考虑到装置的安全，通常需要先使装置运行在电子束平均功率较低的诊断模式下进行束流调试，稳定后再将重复频率逐步增加至所需要的强度。目前先进的电子直线加速器大都采用光阴极电子枪作为电子源，光阴极产生的电子束团的脉冲结构可以用驱动激光来控制。通过在光阴极驱动激光系统中增加一套能够产生宏脉冲激光结构的装置，就能够控制产生的电子束团的时间结构，从而产生诊断模式下的宏脉冲电子束，且单个束团的电荷量不发生变化，从而既对运行在诊断模式下的加速器装置起到保护作用，也避免了空间电荷效应导致束流传输状态发生变化的影响。

通常的激光系统使用电光开关(EOM)或声光开关(AOM)来进行脉冲选择，降低脉冲的重复频率，例如通过对几十兆赫兹的激光脉冲进行选取，将脉冲的重复频率降低至兆赫兹(MHz)、千赫兹(kHz)或几个赫兹(Hz)量级；然后对低重复频率的脉冲进行功率放大，从而提高单脉冲能量和激光功率。AOM的开关时间较慢，在100ns量级；EOM的开关时间相对较快，约为10ns量级。但对于高重复频率的激光系统，重复频率可达到千兆赫兹(GHz)量级，相邻两个微脉冲之间的时间间隔小于1ns，因此若使用EOM或AOM进行脉冲选择，会导致产生的宏脉冲中出现能量不同的微脉冲。

通常高性能的超快激光系统，都采用主振荡器加功率放大(MOPA)结构，可以把宏脉冲结构产生和功率提升分开处理。在用于高流强的光阴极驱动激光系统中，脉冲重复频率高达GHz量级，激光脉冲使用通常的声光调制器和电光调制器无法匹配这个速度。通常使用的电光开关和声光开关相对于GHz量级的高重复频率激光系统来说，开关时间较慢，会导致输出的宏脉冲结构激光中出现能量不同的微脉冲，这对高流强加速器是不适合的；且电光开关可实现的消光比处于一般水平，若使用电光开关进行脉冲选择，通常需要再增加一个机械开关来进一步提高消光比；同时，电光开关的装置构成较为复杂，因此实验中对电光开关的控制难度相对较大；此外，目前可用的大功率电光开关的购买选择相对较少，通常需定制，且价格较高。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种可调的宏脉冲结构激光产生装置，其属于光纤超快激光系统，特别是利用光子晶体光纤作为增益介质的用于光阴极驱动激光的激光系统。本实用新型在光放大器前放置高速的半导体光放大器(SOA)作为高速光开关，在放大器后放置空间耦合声光调制器，产生高消光比的激光宏脉冲结构。所称的宏脉冲就是使用光开关截取的一段微脉冲，所谓的微脉冲是指激光连续发出的脉冲。这样的激光脉冲结构能在光阴极电子枪中的光阴极上产生同样时间结构的一串电子束团，使得高平均流强电子直线加速器能在诊断模式下运行，满足束流调试的需求。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种可调的宏脉冲结构激光产生装置，包括激光振荡源、脉冲延时器、SOA驱动器、SOA、光纤放大器、声光驱动器和空间耦合声光调制器；所述激光振荡源与脉冲延时器、SOA通过光纤连接，所述SOA与光纤放大器通过自由空间中的激光传输实现光路连接，所述光纤放大器与空间耦合声光调制器通过自由空间中的激光传输实现光路连接；所述脉冲延时器与所述SOA驱动器、声光驱动器通过电线连接，所述SOA驱动器与SOA通过电线连接，所述声光驱动器与空间耦合声光调制器通过电线连接；所述空间耦合声光调制器与光阴极通过自由空间中的激光传输实现光路连接。

进一步地，所述激光振荡源用于产生高重复频率的激光脉冲，一路传输至所述SOA，另一路传输至所述脉冲延时器；所述SOA用于对连续的激光脉冲进行时间结构的调制，形成特定的宏脉冲结构，所述光纤放大器用于对所述脉冲结构进行功率放大，所述空间耦合声光调制器用于形成重复频率更低的宏脉冲结构。

有益效果：

本实用新型对于GHz量级的高重复频率激光系统，应采用上升/下降时间更短的光学器件作为光开关，即半导体光放大器(Semiconductor optical amplifiers，SOA)。SOA的开关时间可达到0.5ns，小于重复频率为GHz量级脉冲串中的微脉冲时间间隔，因此使用SOA作为光开关，能够保证在高重复频率激光系统中产生的宏脉冲具有能量相同的微脉冲，从而使光阴极产生单束团电荷量相等的宏脉冲电子束。

本实用新型中的SOA可达到的开关时间快，远好于电光开关和声光开关，因此对于L波段加速器在运行1.3GHz过程中可截取到完整的微脉冲，使宏脉冲中的微脉冲具有相等的能量，保证了光阴极能够产生单束团能量相等的电子束；同时，SOA和声光开关的消光比均好于电光开关，因此能够产生高消光比且结构可调的宏脉冲；此外，二者的装置构成均比电光开关简单，因此实验中的控制难度相对较小。

附图说明

图1为本实用新型的可调的宏脉冲结构激光产生装置示意图；

图2为激光宏脉冲结构的产生过程示意图。

其中：激光振荡源1、脉冲延时器2、SOA驱动器3、SOA 4、光纤放大器5、声光驱动器6、空间耦合声光调制器7。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型以SOA和声光调制器两个光开关结合构成一个可调的宏脉冲结构激光产生装置，两者分别位于含有光子晶体光纤的功率放大器前后，SOA的开关时间较快，用于初次降低激光脉冲的重复频率，且不影响光纤放大器的正常运转；声光调制器的耐受功率较高，消光比很高，用于对放大后的宏脉冲进行脉冲选择，进一步宏脉冲的重复频率。

如图1所示，本实用新型的一种可调的宏脉冲结构激光产生装置包括激光振荡源1、脉冲延时器2、SOA驱动器3、SOA 4、光纤放大器5、声光驱动器6和空间耦合声光调制器7。所述激光振荡源1与脉冲延时器2、SOA 4通过光纤连接，所述SOA 4与光纤放大器5通过自由空间中的激光传输实现光路连接，所述光纤放大器5与空间耦合声光调制器7通过自由空间中的激光传输实现光路连接，所述空间耦合声光调制器7与光阴极通过自由空间中的激光传输实现光路连接。所述脉冲延时器2与所述SOA驱动器3、声光驱动器6通过电线连接，所述SOA驱动器3与SOA 4通过电线连接，所述声光驱动器6与空间耦合声光调制器7通过电线连接。所述激光振荡源1产生高重复频率的激光脉冲，一路传输至所述SOA 4，另一路传输至所述脉冲延时器2。通过所述SOA 4的激光脉冲被进行时间结构的调制从而形成特定的宏脉冲结构，然后进入所述光纤放大器5进行功率放大，最后再经过所述空间耦合声光调制器7形成重复频率更低的宏脉冲结构。所述脉冲延时器2输出的两路延迟信号分别控制所述SOA驱动器3和声光驱动器6，从而实现对宏脉冲结构的控制。所述SOA驱动器3和声光驱动器6均接收所述脉冲延时器2产生的时序信号，二者分别对所述SOA 4和空间耦合声光调制器7进行控制，从而对入射激光进行两次脉冲选择，产生低重复频率的宏脉冲结构激光。图1中的虚线表示电路，实线表示光路。

如图2所示，1.3GHz高重复频率激光脉冲生成宏脉冲结构激光的过程如下：

激光振荡源输出1.3GHz的高重复频率脉冲串。入射激光脉冲串首先通过位于光纤放大器前的光开关SOA，进行第一次脉冲选择，SOA的开关时间较快，可达到0.5ns，小于相邻两个微脉冲之间的时间间隔τ₁，因此，能够使第一次脉冲选择后产生的宏脉冲结构激光中，包含有能量相同的微脉冲，然后通过光纤放大器进行功率放大；放大后的宏脉冲结构激光通过第二个光开关，即空间耦合声光调制器，进行第二次脉冲选择，所述空间耦合声光调制器的开关时间较慢，只需小于第一次产生的宏脉冲的时间间隔τ₂即可。综上，经过两次脉冲选择后，能够极大地降低1.3GHz入射种子激光的重复频率，可根据需要获得重复频率在兆赫兹(MHz)或千赫兹(kHz)量级的输出宏脉冲结构，从而使光阴极产生相同时间结构的低功率电子束，满足电子直线加速器在诊断模式下对低平均功率电子束的要求。

本实用新型的一种可调的宏脉冲结构激光产生装置基于两个开关时间不同的光开关，即SOA和空间耦合声光调制器，分别进行两次脉冲选择，从而逐步降低激光脉冲的重复频率。该装置特别针对和适用于含有光子晶体光纤的高重复频率激光系统，若直接采用SOA将入射种子激光的重复频率减小至过于低的程度，此时产生的宏脉冲时间间隔会过长，在这段较长的没有入射脉冲的时间内，由于光子晶体光纤依然处于外加有泵浦的状态下，所以会导致自激现象的发生，从而对激光系统造成损坏。因此，需要先使用SOA将入射种子激光的重复频率减小至不过于低的程度，产生占空比相对较高的宏脉冲，使光纤放大器能够对重复频率较高的宏脉冲正常地进行功率放大。然后由放置于光纤放大器后的光开关进行第二次脉冲选择，由于光子晶体光纤大多采用空间耦合结构，光纤的增益较高，因此进行第二次脉冲选择的光开关应具有较高的耐受功率，而声光调制器可承受的功率高于SOA和电光调制器，因此采用空间耦合声光调制器对放大后的宏脉冲进行第二次脉冲选择，来进一步降低宏脉冲的占空比，产生重复频率更低的宏脉冲，再传输至光阴极，使其产生低平均功率的电子束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种可调的宏脉冲结构激光产生装置，其特征在于：包括激光振荡源、脉冲延时器、SOA驱动器、SOA、光纤放大器、声光驱动器和空间耦合声光调制器；所述激光振荡源与脉冲延时器、SOA通过光纤连接，所述SOA与光纤放大器通过自由空间中的激光传输实现光路连接，所述光纤放大器与空间耦合声光调制器通过自由空间中的激光传输实现光路连接；所述脉冲延时器与所述SOA驱动器、声光驱动器通过电线连接，所述SOA驱动器与SOA通过电线连接，所述声光驱动器与空间耦合声光调制器通过电线连接；所述空间耦合声光调制器与光阴极通过自由空间中的激光传输实现光路连接。

2.根据权利要求1所述的一种可调的宏脉冲结构激光产生装置，其特征在于：所述激光振荡源用于产生高重复频率的激光脉冲，一路传输至所述SOA，另一路传输至所述脉冲延时器；所述SOA用于对连续的激光脉冲进行时间结构的调制，形成特定的宏脉冲结构，所述光纤放大器用于对所述脉冲结构进行功率放大，所述空间耦合声光调制器用于形成重复频率更低的宏脉冲结构。