CN1275363C - 超短脉冲激光时间自适应同步法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超短脉冲激光时间自适应同步法及其装置，将一台超短脉冲激光器的激光作为信号光经脉冲选择器后分出一束光通过光电转换器转换成脉冲电信号，电信号再经处理后作为时钟信号去控制另一台激光器主动锁模头或者Q开关，从而控制这台激光器的重复频率来获得两台激光器脉冲时间同步或者时间恒定。对于OPCPA技术，可将飞秒信号光先经脉冲信号展宽器展宽，这样就可以做到展宽后的信号光和泵浦光在相同的脉宽下通过一定的延迟，实现时间自适应严格同步。从而可高效放大信号光，具有高的信噪比，高的增益，为产生更高功率、更高强度的超短脉冲提供了一种新途径。此方法对推动超短脉冲更广泛的应用和发展具有非常重要的价值。
Description
技术领域
本发明涉及超短脉冲激光技术，特别涉及一种超短脉冲激光时间自适应同步法及其装置。
背景技术
自从1966年DeMaria利用掺Nd玻璃进行激光的模式锁定获得超短光脉冲以来，人们就注意到超短光脉冲应用的巨大潜力，例如1968年前苏联列别捷夫研究所首次建立超短脉冲激光***，进行激光核聚变实验。1991年，D.E.Spence等人利用氩离子激光做泵浦源，用棱镜补偿腔内色散，首次研制成功以掺钛蓝宝石为增益介质的飞秒自锁模激光器，标志着固体飞秒激光器进入了一个新的发展阶段。特别是将1985年DStrickland和G Mourou首次提出啁啾(频率扫描)脉冲放大技术(Chirped-Pulse Amplifying，CPA)应用于固体激光放大***，解决了飞秒激光脉冲放大的问题。从此超短光脉冲的产生、放大和应用研究日趋活跃，其应用涉及化学、生物、医学、光谱学等众多领域。在超短光脉冲与物质的相互作用的研究或者一些特别的应用中，有时候需要解决两台或多台不同脉宽、不同功率、不同波长的激光器同步工作或者具有恒定的时间差的问题。在超短光脉冲的放大技术研究中，I N Ross等人在1997年提出了一种全新的超短光脉冲放大技术——光参量啁啾脉冲放大技术(optical parametric chirped-pulse amplifying，OPCAP)，它不仅具有啁啾脉冲放大(CPA)高增益的优点，同时还兼具光学参量放大(OPA)技术增益带宽极宽的优点，避免了放大过程的增益窄化。另外，采用光学参量啁啾脉冲放大可以大大降低激光脉冲的预脉冲，且只有很低的B积分累积和相对较小的热畸变，可获得比现有的钦宝石再生放大器和多通放大器更高的峰值输出功率、平均输出功率的脉冲激光，同时具有高的信噪比。然而，OPCPA是靠光波之间的耦合来实现的，对泵浦光和信号光的时间同步提出了更高的要求，如果泵浦光与信号光同时射入晶体，泵浦光将对称地放大信号光脉冲的前沿和后沿。否则，放大信号光的光谱将变得不对称，产生畸变和“漂移”(类似于CPA中的红移)，增益也随之降低。在以往的OPA研究中，泵浦光与信号光是从同一台激光器中用分光板取出来的，时间同步较容易解决。但在OPCPA研究中，泵浦光与信号光来自两台不同的激光器，这为实施OPCAP带来了很大难度。因此解决OPCAP时间同步问题是发展这项技术的关键，而且如果泵浦光和被展宽了的飞秒信号光有相同的脉宽，同时能解决时间同步问题，OPCAP则能获得最大的增益和更高的信噪比和稳定度。现已经提出的脉冲时间同步技术采用同步触发器，只能使两脉冲激光器在启动时同步，在运转过程中的时间漂移导致的脉冲的不同步仍没有得到解决。因此研究脉冲激光器在运转过程中的输出脉冲自适应同步仍然是非常重要的课题，将对时间同步的超短脉冲的实际应用以及超短超强激光技术的进一步发展具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述技术难题，本发明的目的在于提供一种超短脉冲激光时间自适应同步法，该方法可使不同超短脉冲激光器在运转过程中的输出脉冲时间自适应同步，本发明的另一个目的是同时提供一种基于上述方法的装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种超短脉冲激光时间自适应同步法，该方法的步骤为：将一台激光器输出的激光作为信号光，该信号光由分束器进行分束处理，将分出的其中一束光通过光电转换器转换成脉冲电信号，对该脉冲电信号进行放大、整形、变频合成后，将其作为时钟信号输出给另一台激光器的主动锁模头或者Q开关，从而控制这台激光器的重复频率，使两台激光器的脉冲激光同步或时间差恒定。
进一步，所述信号光首先经脉冲选择器处理，以得到所需重复频率激光，然后将该所需重复频率激光输出给分束器进行分束处理。
进一步，所述信号光首先经脉冲展宽器展宽，然后再输送给分束器或脉冲选择器进行处理，展宽后的信号光的脉宽与泵浦光的脉宽相同，展宽后的信号光通过一定的光延迟后，实现与泵浦光的同步。
进一步，所述经过一定光延迟后的信号光和泵浦光一同经光参量放大器放大，再经脉宽压缩器处理后，作为超短脉冲激光输出。
一种实施上述超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，包括信号光激光器、分束器、光电转换器、电信号处理器、泵浦光激光器，所述信号光激光器输出的激光作为信号光输出到分束器，分束器对信号光进行分束后，将其中的一束光输出到光电转换器转换成脉冲电信号，该脉冲电信号经电信号处理器进行放大、整形、变频合成后作为时钟信号输送给泵浦光激光器上的主动锁模头或Q开关，泵浦光激光器输出的脉冲激光与信号光激光器输出的脉冲激光时间自适应同步或时间差恒定。
进一步，所述信号光激光器与所述分束器之间还设置有脉冲选择器，信号光经脉冲选择器处理后得到所需重复频率激光，该所需重复频率激光再输出给所述分束器。
进一步，所述信号光激光器下游还设置有脉冲展宽器，信号光经脉冲展宽器展宽后，再输出给所述脉冲选择器或分束器。
进一步，所述泵浦光激光器下游设置有激光放大器，所述分束器输出的信号光与激光放大器输出的泵浦光一同被输出到光参量放大器，光参量放大器下游还设置有脉宽压缩器，光参量放大器输出的激光经脉宽压缩器处理后成为超短脉冲激光输出。
进一步，所述信号光激光器采用掺钛蓝宝石克尔透镜自锁模飞秒激光器或其改进型，或采用主动锁模的超短脉冲激光器，其重复频率稳定性不低于需要同步的激光器锁模头的频率稳定性。
进一步，所述电信号处理器前端电路处理部分采用数字电路或模拟电路，根据要求可以进行变频或者不变频处理，功率放大采用高稳定的模拟电路。
进一步，所述泵浦光激光器采用主动锁模运转的或主动调Q的。
进一步，所述脉冲展宽器和所述脉宽压缩器采用传统光纤或光子晶体光纤或光栅或啁啾介质反射镜。
进一步，所述激光放大器和所述光参量放大器是再生放大或多通放大或光参量放大而且包括多级放大。
进一步，所述光参量放大器所用的晶体是LBO、BBO、KDP。
本发明将一台超短脉冲激光器的激光作为信号光经脉冲选择器后分出一束光通过光电转换器转换成脉冲电信号，电信号再经处理后作为时钟信号去控制另一台激光器主动锁模头或者Q开关，从而控制这台激光器的重复频率来获得两台激光器脉冲时间同步或者时间恒定。这种方法解决了两台或者多台不同功率、不同脉冲的激光器即使在运转过程中输出的脉冲也时间自适应同步的问题，为促进超快过程的应用研究，拓宽超短激光的应用领域具有非常重要的价值。将其用于光参量啁啾脉冲放大技术中，不仅可以获得低重复频率、高峰值功率，或者高重复频率、高平均功率的飞秒激光，而且具有高增益、高信噪比、高的泵浦效率等优点。因此这种方法也对推动飞秒激光放大技术的研究有十分重要的意义。
附图说明
图1本发明的超短脉冲激光时间自适应同步法及其装置的原理图；
图2本发明用于光学参量啁啾脉冲放大技术的时间同步原理图；
图3本发明实施例1示意图；
图4本发明实施例2示意图；
图5本发明实施例3示意图。
具体实施方式
如图1所示，用一台重复频率的稳定度不低于需要同步的激光器主动锁模器的频率稳定度的超短脉冲激光器输出的激光作为信号光，经过脉冲选择器选出所需重复频率的信号光经过分束器分成两束，用其中一束光经过光电转换器转化成脉冲电信号，再经整形、预放、变频、合成、放大，或者滤波、预放大、限幅、变频、滤波、射频放大等电信号处理技术得到需要同步激光器的主动锁模器所需要的射频功率信号。用得到的射频信号去驱动其主动锁模头，从而当信号光的重复频率波动时，则主动锁模器的射频频率也随之波动，在锁模能稳定输出的情况下，由于输出激光的重复频率随锁模器的射频频率而变化，由此可实现两台激光器脉冲信号的同步输出或者具有恒定的时间差。
如图2所示，如果是用于光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)，则输出的超短脉冲信号光先通过脉冲展宽器展宽到所需的脉宽，然后经上述同样的处理步骤后，再将信号光的另一束经延迟器延迟，可得到信号光与泵浦光精确的同步。
如图3所示实施例1为两台激光器的时间自适应同步实例。一台主动自锁模Ti:S激光器，它是在连续波氩离子泵浦的Ti:S激光腔内加入一声光锁模器，锁模器的频率为41MHz，并使之尽可能紧靠腔端面反射镜，用大约19W的泵浦功率时获得稳定的锁模运转，平均输出功率为400mW，波长1050nm，脉宽1.7ps，谱宽为6.0nm。另一台为主动锁模YLF激光器，主动锁模频率为41MHz。用Ti:S激光器输出的激光用一分束器分出一束通过响应时间为ns量级的光电转化管转换成电脉冲信号，将该电脉冲信号经过一精密放大电路放大并整形成方波信号，将其分成两路，一路作为数字电路的时钟脉冲，另一路通过数字电路合成锁模所需的射频信号，然后通过一功率放大电路，获得射频信号去控制YLF激光器的锁模头，同时采用腔长补偿技术对腔长变化进行补偿。从而使得两台激光器可自适应同步或具有恒定的时间差，最后YLF激光器的脉宽为90ps，平均输出功率为20W，波长1053nm。这样两台不同功率、不同脉宽、不同波长的激光器可以用于一些超快过程的研究和开拓一些新的超短激光应用领域。
如图4所示实施例2为获得高重复频率、高平均功率飞秒脉冲的OPCPA实例。用一台Nd:YVO4泵浦的全固态掺钛蓝宝石克尔透镜自锁模飞秒激光器作为信号源，脉宽为30fs，波长为790nm，重复频率为100MHz，输出功率为200mW，由于飞秒脉冲的重复频率仅由Ti:S激光腔的腔频决定，因此其腔频的稳定性能实现不低于声光锁模器的频率稳定性，这样可以从信号光源取出信号经处理后去驱动OPA泵光的锁模头可以不会使泵光锁模脉冲失锁。
飞秒激光器输出的信号光通过脉冲展宽光栅展宽到290ps(接近104倍，展宽到与泵浦光的脉宽一致)，通过一分束器分出一束通过光电转换器转换成电脉冲信号，通过与实施例1同样的处理方式得到射频功率信号去驱动频率为50MHz的作为泵浦光的Nd:YVO4激光器的锁模头，Nd:YVO4激光器输出脉宽为290ps，平均功率为20W，波长1064nm，将其通过激光放大器放大到所需的功率，然后通过倍频得到532nm的泵浦光，同时信号光经延迟获得与泵浦光自适应同步，将信号光和泵浦光通过LBO晶体进行光参量放大，可以进行多级放大，放大后的信号光再通过色散补偿和光栅压缩就获得了具有高重复频率、高平均功率的飞秒激光。
如图5所示实施例3为获得低重复频率、高平均功率飞秒脉冲的OPCPA实例。所用的信号光和泵浦光激光器以及脉宽展宽、压缩光栅与例2相同，脉冲信号提取与电信号处理也与例2相同，当获得信号光与泵浦光脉冲自适应同步后，将他们同时送到一个单脉冲选择器选出重复频率为10Hz的脉冲信号，然后通过二向色镜将泵浦光和信号光分离出来，泵浦光再经激光放大器放大到所需的能量，分出其10％和信号光进行LBO-OPA预放大，预放大的信号光再与90％泵浦光进行KTA-OPA放大，在这个过程中需要经过一些光延迟使每次放大过程的泵浦光和信号光都自适应同步。最后通过色散补偿和脉冲压缩可得到高峰值功率，低重复频率的飞秒激光，这种方案可以使泵浦光最高效地放大信号光。
Claims (14)
1.一种超短脉冲激光时间自适应同步法，其特征在于，该方法的步骤为：将一台激光器输出的激光作为信号光，该信号光由分束器进行分束处理，将分出的其中一束光通过光电转换器转换成脉冲电信号，对该脉冲电信号进行放大、整形、变频合成后，将其作为时钟信号输出给另一台激光器的主动锁模头或者Q开关，从而控制这台激光器的重复频率，使两台激光器的脉冲激光同步或时间差恒定。
2.如权利要求1所述的超短脉冲激光时间自适应同步法，其特征在于，所述信号光首先经脉冲选择器处理，以得到所需重复频率激光，然后将该所需重复频率激光输出给分束器进行分束处理。
3.如权利要求2所述的超短脉冲激光时间自适应同步法，其特征在于，所述信号光首先经脉冲展宽器展宽，然后再输送给分束器或脉冲选择器进行处理，展宽后的信号光的脉宽与泵浦光的脉宽相同，展宽后的信号光通过一定的光延迟后，实现与泵浦光的同步。
4.如权利要求3所述的超短脉冲激光时间自适应同步法，其特征在于，所述经过一定光延迟后的信号光和泵浦光一同经光参量放大器放大，再经脉宽压缩器处理后，作为超短脉冲激光输出。
5.一种实施权利要求1-4其中之一所述超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，包括信号光激光器、分束器、光电转换器、电信号处理器、泵浦光激光器，所述信号光激光器输出的激光作为信号光输出到分束器，分束器对信号光进行分束后，将其中的一束光输出到光电转换器转换成脉冲电信号，该脉冲电信号经电信号处理器进行放大、整形、变频合成后作为时钟信号输送给泵浦光激光器上的主动锁模头或Q开关，泵浦光激光器输出的脉冲激光与信号光激光器输出的脉冲激光时间自适应同步或时间差恒定。
6.如权利要求5所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述信号光激光器与所述分束器之间还设置有脉冲选择器，信号光经脉冲选择器处理后得到所需重复频率激光，该所需重复频率激光再输出给所述分束器。
7.如权利要求6所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述信号光激光器下游还设置有脉冲展宽器，信号光经脉冲展宽器展宽后，再输出给所述脉冲选择器或分束器。
8.如权利要求7所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述泵浦光激光器下游设置有激光放大器，所述分束器输出的信号光与激光放大器输出的泵浦光一同被输出到光参量放大器，光参量放大器下游还设置有脉宽压缩器，光参量放大器输出的激光经脉宽压缩器处理后成为超短脉冲激光输出。
9.如权利要求5-8其中之一所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述信号光激光器采用掺钛蓝宝石克尔透镜自锁模飞秒激光器或其改进型，或采用主动锁模的超短脉冲激光器，其重复频率稳定性不低于需要同步的激光器锁模头的频率稳定性。
10.如权利要求5-8其中之一所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述电信号处理器前端电路处理部分采用数字电路或模拟电路，根据要求可以进行变频或者不变频处理，功率放大采用高稳定的模拟电路。
11.如权利要求5-8其中之一所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述泵浦光激光器采用主动锁模运转的或主动调Q的。
12.如权利要求7或8所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述脉冲展宽器和所述脉宽压缩器采用传统光纤或光子晶体光纤或光栅或啁啾介质反射镜。
13.如权利要求8所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述激光放大器和所述光参量放大器是再生放大或多通放大或光参量放大而且包括多级放大。
14.如权利要求8或13所述的实施超短脉冲激光时间自适应同步法的装置，其特征在于，所述光参量放大器所用的晶体是LBO、BBO、KDP。
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