专利名称：一种频分复用光谱相干合成放大装置的制作方法
技术领域：
本发明提出一种频分复用光谱相干合成放大装置。
背景技术：
高功率光纤激光脉冲在基础科学研究、工业加工、激光雷达、惯性约束核聚变、精密测量、激光遥感等领域有着重要的应用。但由于受到热光效应、非线性效应、增益介质损伤阈值的限制，单台超短脉冲光纤激光器平均功率一般被限制在百瓦级，其峰值功率一般为吉瓦量级。对于单路放大功率受限的缺陷，采用多模块化结构，控制各路光纤激光的相位达到锁相输出，实现脉冲的相干合成，可使输出激光平均功率得到数十倍，而峰值功率密度数百倍的提升。要实现有效的脉冲激光相干合成，必须同时满足脉冲同步和相位锁定。目前实现脉冲相干合成方法主要有三种，一种是偏振合成方法，它是利用偏振分束器将线偏振种子光源分成不同偏振方向的几束光，对各偏振光组分分别进行放大后再进行偏振合束，该方法缺点在于需要精确调节单元光束的光程差，同时偏振光分量的相位很难被锁定。二是被动相干合成方法，它是通过一定的能量耦合机制或者非线性相互作用实现各路激光相位起伏的自动补偿从而达到相位锁定，该方法锁定精度低，装置稳定性差。三是主动相干合成方法，它可实现很高的锁定精度，但所需的电子反馈装置结构复杂，通常存在较大随机时间延迟。此外，高功率脉冲在放大过程中，由于受到非线性、群速度色散等效应的影响，使得高峰值功率的短脉冲在光纤放大器传输放大后，时间波形和光谱产生严重畸变，不能满足实际的需求。避免放大过程中的时-频域噪声，精密控制高功率光纤传输放大过程，需要克服以下缺陷:1、增益窄化效应。根据傅里叶变化关系，增益光谱宽度变窄，将直接导致所能实现脉冲宽度增加。2、强度-相位噪声。这种噪声会使得各频谱成分相位随机涨落，光谱两侧出现震荡结构。3、高阶色散和非线性相移累积非线性啁啾。非线性啁啾不能由啁啾管理装置所补偿，将使脉冲时域分裂，限制峰值功率提升。4、介质增益带宽限制。对于光纤激光介质，同一增益介质只能实现有限频谱信号放大，制约高功率超短甚至周期量级脉冲实现。基于上述因素，单个放大装置难以进一步实现对脉冲光的高功率放大。综上所述，虽然目前已有多种实现高功率脉冲放大的技术与方法，但都存在着各种缺陷与不足。
发明内容本发明针对上述传统激光脉冲放大技术中的不足，提出了一种频分复用光谱相干合成放大装置，该方法将频分复用技术与相干合成技术有机结合，解决超短脉冲光纤激光相干合成过程中脉冲同步和频谱相干的难题。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案:一种频分复用光谱相干合成放大装置，包括超短脉冲振荡器、功率预放大器、光谱展宽器、波分复用分束器、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置、波分复用合束器、压缩器，超短脉冲振荡器产生的激光脉冲顺次通过功率预放大器、光谱展宽器、波分复用分束器、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置、波分复用合束器、压缩器，压缩器输出高峰值功率的超短脉冲，所述相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置包括多个相位噪声补偿放大装置，多个延时控制器，分束器，测量各路放大脉冲的相对时间抖动的平衡式光学互相关时间抖动测量装置，所述相位噪声补偿放大装置包括声光移频器、多级光纤放大器、分束片、自参考零频探测装置，滤波放大器；波分复用分束器输出的种子光顺次经过声光移频器、多级光纤放大器、分束片、自参考零频探测装置。所述超短脉冲振荡器采用掺镱光纤光梳，其中心波长为1030nm，脉冲重复频率为80MHz，锁定精度〈ImHz，脉冲载波包络相位锁定精度〈lOmHz，脉冲输出平均功率为50mW。所述功率经功率预放大器采用掺镱双包层光子晶体光纤的前向泵浦式放大器，其输出脉冲平均功率大于1W。所述的光谱展宽器为一段光子晶体光纤，将超短脉冲振荡器输出的超短光脉冲耦合进入到该段光子晶体光纤，利用光子晶体光纤的高非线性系数，在自相位调制和四波混频等非线性光学过程中使脉冲光谱产生新的频率成分，并使脉冲光谱得到有效展宽。所述波分复用分束器的中心波长900nm IlOOnm之间，带宽为5nm。所述多级光纤放大器由两个或者两个以上的掺镱双包层光纤放大器首尾连接而成，其中相邻两个掺镱双包层光纤放大器之间放置一个光隔离器。所述自参考零频探测器包括光子晶体光纤，第一、第二透镜，设置在两个透镜之间的相位匹配周期极化铌酸锂非线性晶体以及光电探测器；所述多级光纤放大器输出光耦合进入光子晶体光纤，第一、第二透镜让光束聚焦与准直，在相位匹配周期极化铌酸锂非线性晶体上，两种不同频谱成分差频产生新的频率成分，该新频谱成分与展宽光谱中的低频成分在光电探测器上产生拍频信号。所述平衡式光学互相关时间抖动测量装置包括偏振分束器，第一双色镜，第三透镜，第一探测器，倍频晶体，第四透镜，第二双色镜，第二探测器以及差分放大器，在偏振分束器的两个输入端输入参考光与多级光纤放大器输出的放大光，参考光与多级光纤放大器输出的放大光在偏振方向互相垂直，偏振分束器将两束光合为一路，偏振分束器输出光顺次通过第一双色镜，第三透镜，倍频晶体，第四透镜，第二双色镜后聚焦在倍频晶体中，并在倍频晶体两端产生倍频信号，将这两个倍频信号分别经过第一、第二探测器后，由差分放大器求差即可得到反馈控制压电陶瓷的互相关输出信号。所述平衡式光学互相关时间抖动测量装置还包括有反射镜，调节反射镜的位置能改变两输入光的初始位置。与现有技术相比，本发明的有益效果是:1、通过多路脉冲波分复用式放大技术和脉冲光谱相干合成技术，有效解决了单一放大器增益窄化效应，可以实现对宽带脉冲光进行高功率放大。2、相位噪声抑制技术有效减少了放大过程中的强度-相位噪声。3、结合了脉冲互相关时间抖动测量技术，极大地提高了脉冲时间同步精度，从而使脉冲光谱相干合成成为可能。4、可用于实现更高功率的超短脉冲输出。此外，该方法还具有结构紧凑、稳定性好、可拓展性强等优点。
图1为频分复用相干合成放大器的结构框图；图2为相位噪声补偿式多级放大和延时控制器的结构图；图3为多级光纤放大器的结构图；图4为自参考零频探测器的结构图；图5为平衡式光学互相关时间抖动测量装置的结构图；图6为多级光纤放大器进行延时控制的结构图；图7为压缩器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明:如图1-7，一种频分复用光谱相干合成放大装置，该装置包括超短脉冲振荡器1、功率预放大器2、光谱展宽器3、波分复用分束器4、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置5、波分复用合束器6、压缩器9，超短脉冲振荡器I产生的激光脉冲顺次通过功率预放大器2、光谱展宽器3、波分复用分束器4、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置5、波分复用合束器6、压缩器9，压缩器9输出高峰值功率的超短脉冲。所述超短脉冲振荡器I产生的激光脉冲的功率经功率预放大器2提高至瓦量级，接着通过光谱展宽器3将瓦量级的激光脉冲展宽为超连续宽带光谱。所述超短脉冲振荡器I采用掺镱光纤光梳，其中心波长为1030nm，脉冲重复频率为80MHz，锁定精度〈ImHz，脉冲载波包络相位锁定精度〈lOmHz，脉冲输出平均功率为50mW。所述功率经功率预放大器2采用掺镱双包层光子晶体光纤的前向泵浦式放大器，其输出脉冲平均功率大于1W。所述的光谱展宽器3为一段光子晶体光纤，将超短脉冲振荡器I输出的超短光脉冲耦合进入到该段光子晶体光纤，利用光子晶体光纤的高非线性系数，在自相位调制和四波混频等非线性光学过程中使脉冲光谱产生新的频率成分，并使脉冲光谱得到有效展宽大于IOOnm的宽谱脉冲光。所述光子晶体光纤长度优选10cm。所述波分复用分束器4对超连续宽带光谱进行频谱分割，将其分割为多路具有不同中心波长的光脉冲，每一路分束后光脉冲作为种子光；所述波分复用分束器4的中心波长900nm IlOOnm之间，带宽为5nm。所述相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置5将每路种子光通过进行载波包络相位稳定和时间精确同步的脉冲功率放大。如图2，所述相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置5包括多个相位噪声补偿放大装置50，多个延时控制器T，分束器7，平衡式光学互相关时间抖动测量装置8。如图3,所述相位噪声补偿放大装置50包括声光移频器51、多级光纤放大器52、分束片53、自参考零频探测装置54，滤波放大器55。波分复用分束器4输出的种子光顺次经过声光移频器51、多级光纤放大器52、分束片53、自参考零频探测装置54，滤波放大器55。所述多级光纤放大器52由两个或者两个以上的掺镱双包层光纤放大器首尾连接而成，其中相邻两个掺镱双包层光纤放大器之间放置一个光隔离器。每路种子光依次经过声光移频器51移频、延时控制器T延时后，由多级光纤放大器52进行放大，用分束片53将放大后的种子光一部分输给自参考零频探测装置54，自参考零频探测装置54输出的拍频信号经过滤波放大后作为声光移频器51的驱动频率，采用前向反馈补偿各路相位噪声，实现多路脉冲光的低噪声放大和相位锁定；同时通过平衡式光学互相关时间抖动测量装置8测量各路放大脉冲的相对时间抖动，并反馈控制延时控制器T实现对多路脉冲的精确时间同步。所述拍频信号，即脉冲的载波包络相位零频信号fO+Λ，其中f0为脉冲的零频信号，△为放大器的附加相位噪声，经过电路滤波放大后，用于驱动声光移频器51，SP
fx=f0+Δ。如图4，所述自参考零频探测器54包括光子晶体光纤541，第一、第二透镜542、544，设置在两个透镜之间的相位匹配周期极化铌酸锂非线性晶体543以及光电探测器545 ;所述多级光纤放大器52输出光稱合进入光子晶体光纤541,第一、第二透镜542、544让光束聚焦与准直，在相位匹配周期极化铌酸锂非线性晶体543上，两种不同频谱成分ω 1=ΙΙι + 0, Q2=nf+f0, n, m为正整数，f为脉冲重复频率，f0为脉冲载波相位零频差频产生新的频率成分cofGJ1-cofOi1-rOf.。该新频谱成分与展宽光谱中的低频成分(111-11)￡+;^在光电探测器20上产生拍频信号(m-n) f+f0-m-n) f=f0,即脉冲的零频信号fQ。如图5，所述平衡式光学互相关时间抖动测量装置8包括偏振分束器81，第一双色镜82，第三透镜83，第一探测器84，倍频晶体85，第四透镜86，第二双色镜87，第二探测器88以及差分放大器89,在偏振分束器81的两个输入端输入参考光与多级光纤放大器52输出的放大光，参考光与 多级光纤放大器52输出的放大光在偏振方向互相垂直,偏振分束器81将两束光合为一路，偏振分束器81输出光顺次通过第一双色镜82，第三透镜83，倍频晶体85，第四透镜86，第二双色镜87后聚焦在倍频晶体85中，并在倍频晶体85两端产生倍频信号，将这两个倍频信号分别经过第一、第二探测器84、88后，由差分放大器89求差即可得到反馈控制压电陶瓷的互相关输出信号。所述平衡式光学互相关时间抖动测量装置8还包括有反射镜80，调节反射镜的位置能改变两输入光的初始位置，从而可以保证在一定相对时延范围内，平衡互相关器输出的倍频信号近似正比于时间抖动大小。其中放大器的输出光作为放大光，并利用耦合器从振荡级中输出10%光信号作为参考光。如图6，所述延时控制器T为一段缠绕在压电陶瓷上的光纤，在每一个相位噪声补偿放大装置50的声光移频器51与波分复用分束器4之间通过一段缠绕在压电陶瓷上的光纤连接，波分复用器输出的支路种子光先进入一段缠绕在压电陶瓷上的光纤，然后再进入声光移频器51和多级光纤放大器52,最后进入合束器。同时,将平衡式光学互相关时间抖动测量装置8输出的互相关输出信号经过放大后直接驱动压电陶瓷，通过反馈控制压电陶瓷的伸缩量以实现对光纤中脉冲时间延迟的实时控制，进而实现多光束精确时间同步。d)各路多级光纤放大器52输出的放大脉冲在相对载波包络相位精密锁定和时间精确同步的条件下，通过波分复用合束器6进行多路脉冲的相干合成；[0044]波分复用合束器6采用高功率光耦合器对多路放大后的脉冲光进行合束。e)用压缩器9对相干合成后的脉冲进行色散补偿与脉宽压缩，从而获得高峰值功率的超短脉冲输出。压缩器9包括两个透射式光栅91和两个反射镜92，如图7所示，通过调整两个光栅91之间的距离可以实现对合束后脉冲的有效压缩。
权利要求1.一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于包括超短脉冲振荡器(I)、功率预放大器(2)、光谱展宽器(3)、波分复用分束器(4)、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置(5)、波分复用合束器(6)、压缩器(9)，超短脉冲振荡器(I)产生的激光脉冲顺次通过功率预放大器(2)、光谱展宽器(3)、波分复用分束器(4)、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置(5)、波分复用合束器(6)、压缩器(9)，压缩器(9)输出高峰值功率的超短脉冲，所述相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置(5)包括多个相位噪声补偿放大装置(50)，多个延时控制器(T)，分束器(7)，测量各路放大脉冲的相对时间抖动的平衡式光学互相关时间抖动测量装置(8)，所述相位噪声补偿放大装置(50)包括声光移频器(51)、多级光纤放大器(52)、分束片(53)、自参考零频探测装置(54)，滤波放大器(55);波分复用分束器(4)输出的种子光顺次经过声光移频器(51)、多级光纤放大器(52)、分束片(53)、自参考零频探测装置(54)。
2.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述超短脉冲振荡器(I)采用掺镱光纤光梳，其中心波长为1030nm，脉冲重复频率为80MHz，锁定精度〈ImHz，脉冲载波包络相位锁定精度〈lOmHz，脉冲输出平均功率为50mW。
3.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述功率经功率预放大器(2)采用掺镱双包层光子晶体光纤的前向泵浦式放大器，其输出脉冲平均功率大于1W。
4.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述的光谱展宽器(3)为一段光子晶体光纤，将超短脉冲振荡器(I)输出的超短光脉冲耦合进入到该段光子晶体光纤。
5.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于波分复用分束器(4)的中心波长900nm IlOOnm之间，带宽为5nm。
6.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述多级光纤放大器(52)由两个或者两个以上的掺镱双包层光纤放大器首尾连接而成，其中相邻两个掺镱双包层光纤放大器之间放置一个光隔离器。
7.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述自参考零频探测器(54)包括光子晶体光纤(541)，第一、第二透镜(542、544)，设置在两个透镜之间的相位匹配周期极化铌酸锂非线性晶体(543)以及光电探测器(545);所述多级光纤放大器(52)输出光稱合进入光子晶体光纤(541),第一、第二透镜(542、544)让光束聚焦与准直，在相位匹配周期极化铌酸锂非线性晶体(543)上，两种不同频谱成分差频产生新的频率成分，该新频谱成分与展宽光谱中的低频成分在光电探测器(545)上产生拍频信号。
8.根据权利要求1所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述平衡式光学互相关时间抖动测量装置(8)包括偏振分束器(81)，第一双色镜(82)，第三透镜(83)，第一探测器(84)，倍频晶体(85)，第四透镜(86)，第二双色镜(87)，第二探测器(88)以及差分放大器(89),在偏振分束器(81)的两个输入端输入参考光与多级光纤放大器(52)输出的放大光,参考光与多级光纤放大器(52)输出的放大光在偏振方向互相垂直,偏振分束器(81)将两束光合为一路,偏振分束器(81)输出光顺次通过第一双色镜(82),第三透镜(83 )，倍频晶体(85 )，第四透镜(86 )，第二双色镜(87 )后聚焦在倍频晶体(85 )中，并在倍频晶体(85)两端产生倍频信号， 将这两个倍频信号分别经过第一、第二探测器(84、88)后，由差分放大器(89)求差即可得到反馈控制压电陶瓷的互相关输出信号。
9.根据权利要求8所述的一种频分复用光谱相干合成放大装置，其特征在于所述平衡式光学互相关时间抖动测量装置(8)还包括有调节反射镜的位置能改变两输入光的初始位置的反射镜(80)。
专利摘要本实用新型公开了公开一种频分复用光谱相干合成放大装置，包括超短脉冲振荡器、功率预放大器、光谱展宽器、波分复用分束器、相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置、波分复用合束器、压缩器，所述相位噪声预补偿和时间同步的多级放大装置包括多个相位噪声补偿放大装置，多个延时控制器，分束器，测量各路放大脉冲的相对时间抖动的平衡式光学互相关时间抖动测量装置，所述相位噪声补偿放大装置包括声光移频器、多级光纤放大器、分束片、自参考零频探测装置，滤波放大器；波分复用分束器输出的种子光顺次经过声光移频器、多级光纤放大器、分束片、自参考零频探测装置。本实用新型将频分复用技术与相干合成技术有机结合，解决超短脉冲光纤激光相干合成过程中脉冲同步和频谱相干的难题。
文档编号G02F1/35GK203012312SQ20122065047
公开日2013年6月19日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者梁崇智, 曾和平, 赵健, 闫明 申请人:广东汉唐量子光电科技有限公司