专利名称：一种相位噪声补偿式放大系统的制作方法
技术领域：
本发明属于超快强场激光技术领域，尤其是降噪声放大系统。
背景技术：
高功率光纤光梳在高次谐波产生、精密光谱测量、微纳尺度物质加工等领域有着广泛的应用。随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光抽运技术的发展，脉冲激光输出平均功率已达到近千瓦，促进了高功率光纤光学频率梳的发展。目前实现高功率光纤光梳载波包络相位稳定的方法主要有两种相位伺服锁相环技术和差频产生方法。相位伺服锁相环技术易受到反馈带宽限制，反馈过程中对泵浦调制往往导致功率不稳定，破坏振荡源的锁模状态，影响高功率光梳系统稳定运行。差频产生方法的载波包络偏移信号会受到大量l/f噪声和其它低频噪声的影响，限制了锁定的精度。·
掺镱光纤光梳在放大过程中易受到高阶非线性效应和高阶色散对脉冲时空特性的负面影响，在脉冲强度增强过程中，高阶非线性效应和高阶色散效应会破坏脉冲的空间和时间分布特性，致使脉冲形状发生严重的畸变和分裂。再则，放大过程中自发辐射效应不仅降低了放大系统对泵浦能量的利用效率，同时还会对脉冲引入附加相位噪声和寄生光谱成分，进而严重影响放大器的放大效果。综上所述，虽然目前已有多种实现高功率脉冲放大的系统和设备，但都存在着各种缺陷与不足。
发明内容为了解决现有技术中的不足，提供一种有效抑制高功率放大过程中热效应、非线性积分、泵浦光强度抖动、拉曼散射和自发放大辐射等效应引入的相位噪声的放大系统。本发明所采用的技术方案为—种相位噪声补偿式放大系统，包括有输出种子光源的振荡器，在所述的振荡器输出端设有将种子光源处理后输出零级光和壹级光的声光频移器，在所述的声光频移器壹级光的输出端设有展宽器，在所述的展宽器输出端设有级联放大器，在所述的级联放大器输出端设有压缩器，在所述的压缩器输出端设有一号分束片，所述一号分束片的反射光与补偿放大系统连通，所述补偿放大系统与声光频移器连接并为声光频移器提供控制信号。该系统采用前向反馈相位噪声补偿技术，所述的前向反馈相位噪声补偿技术是指利用声光频移器(AOFS)的相位噪声补偿功能抑制高功率放大过程中引入的相位噪声。具体是指，未经锁定的激光振荡器输出光经过一个调制驱动频率为fD的声光频移器(A0FS)，该频移器的输出端将会出现零级和壹级两路输出光。其中，零级光未得到频移器(AOFS)的移频，依然保持原有频率特性；另一路壹级输出光的情况则有所不同，根据声光晶体移频原理，该频移器的壹级衍射光将会获得频移量_fD。如果此时将频移器的驱动频率置为激光器的载波零频，即fffo，则壹级输出光将会得到-fo的频移，此频移就将抵消入射光含有的fo以及伴随fo的相位噪声，所以声光频移器(AOFS)的壹级输出即为精确的光梳。
所述的补偿放大系统包括有与一号分束片反射光连通的自参考探测系统，在所述自参考探测系统输出端设有电路滤波放大器，所述的电路滤波放大器输出端与声光频移器连接并为声光频移器提供控制信号。所述的自参考零频探测技术是指利用激光脉冲的高频成分(2m *fr+f0)与低频成分的倍频2 (m*fr+fO)进行拍频，其中m为激光器的纵模个数，为正整数，fO为载波包络相位零频，fr为脉冲的重复频率。拍频信号的低频成分fB=2(m · fr+f0)-(2m · fr+f0)=f0,正是激光载波包络相位零频。其中，采用自参考零频探测技术对放大压缩后的脉冲进行载波包络相位(CEP)零频信号fO的探测，并将该信号反馈给声光频移器声光频移器(A0FS)。所述的补偿放大系统包括有与一号分束片反射光连通 和与声光频移器输出的零级光连通的拍频系统，在所述的拍频系统输出端设有滤波放大器，所述滤波放大器输出端与声光频移器连接并为声光频移器提供控制信号。在所述的一号分束片透射光一端还设斜坡系统，所述的斜坡系统输出端设有第二声光频移器，在所述的第二声光频移器壹级光的输出端设有第二展宽器，在所述的第二展宽器输出端设有第二级联放大器，在所述的第二级联放大器输出端设有第二压缩器，在所述的的第二压缩器输出端设有三号分束片，所述的三号分束片反射光与第二拍频系统连通，所述的第二拍频系统还与第二声光频移器输出的零级光连通，在所述的第二拍频系统输出端设有第二滤波放大器，所述第二滤波放大器输出端与第二声光频移器连接并为第二声光频移器提供控制信号，所述的第二滤波放大器输出端还与斜坡系统连接并为斜坡系统提供控制信号。该系统为两种实施例的结合，以第一种实施例的输出光为种子光源通过斜坡系统后进入第二种实施例中的系统，其中，拍频信号一部分用于驱动声光频移器，另一部分用于控制斜坡的相对间距。斜坡间距直接影响斜坡的插入色散量，从而可以影响脉冲的群速度，并达到控制脉冲载波包络相位的功能。由于斜坡的响应速度较慢，但控制效果明显，因此可以用于对脉冲载波包络相位(CEP)的慢变噪声进行控制。声光频移器(AOFS)响应速度快，可以用于对载波包络相位(CEP )的快变信号进行控制。该实施例的优势在于1、可以降低放大过程对振荡光源的要求，通过使用普通的锁模激光器便可实现载波包络相位(CEP)稳定的高功率脉冲放大。2、减少了多级放大过程中的系统负责度，整个过程只需要采用一次自参考零频探测就可以通过拍频的方式获得载波包络相位(CEP)精密控制的高功率脉冲输出。3、载波包络相位(CEP)零频的控制精度高，不但有效抑制了零频的快变量，而且对零频的慢变漂移实现了精确控制。所述的展宽器和第二展宽器结构相同都为啁啾展宽器，所述的级联放大器和第二级联放大器结构相同都为啁啾联级功率放大器，其沿光路走向从输入端到输出端一次包括有一号预放大器、一号光隔离器、二号预放大器、二号光隔离器、一号主功率放大器、三号光隔离器以及二号主功率放大器。啁啾展宽方法，解决了放大过程中高阶非线性效应对脉冲特性的负面影响。利用多级次级联放大的方式，有效抑制放大过程中的自发辐射噪声，提高泵浦光耦合效率。同时还利用前向反馈平衡补偿方法，提高了时频域控制精度，解决了超快强场激光精密控制的难题。所述的多级级联啁啾脉冲放大技术是指由高色散光纤对低功率的种子脉冲进行时域展宽，使脉冲产生线性啁啾的同时在时间域上由飞秒展宽至数百皮秒。时间尺度上的展宽降低了脉冲的峰值功率，可有效的减弱脉冲放大过程中非线性效应的负面影响。同时，采用多个双包层光子晶体光纤放大器逐步对种子光进行功率放大，即多级级联放大，达到有效抑制放大过程中的自发辐射噪声并充分利用泵浦源能量的目的。所述压缩器和第二压缩器结构相同都为脉冲压缩器，其从入射光到输出端一次通过可透射入射光的第四反光镜、一号光栅、二号光栅、二号反射镜，再经过第五反射镜原路返回至第四反射镜反射输出。所述的自参考探测系统从入射光一侧依次包括有第一显微物镜、铌酸锂晶体、第二显微物镜、滤光片、光电探测器。 所述拍频系统和第二拍频系统结构相同，包括有对入射光进行延时控制的由数块反光镜组成的延时系统，还包括有对零级光反射的第三反射镜，以及使零级光和延时后的入射光交汇的二号分束片，在二号分束片输出端设有光电探测器。在所述的第一分束片一侧设有将第一分束片的反射光导入补偿放大系统的第一反射镜。在声光频移器零级光输出一侧设有将零级光导入拍频系统的第二反射镜，在第二声光频移器零级光输出一侧设有将零级光导入第二拍频系统的第六反射镜。采用本发明提出的技术方案与传统的高功率光梳相比，具有以下优点1)锁定过程不需要干预振荡器运行，系统稳定性好；2)锁定后载波包络偏移频率由声光频移器驱动频率所决定，可实现任意偏移频率光梳合成；3)不需要任何锁相电路，简化系统结构；4)响应速度快，补偿带宽大，锁定精度高。
图I为本发明总系统图。图2为本发明实施例I系统图。图3为本发明实施例2系统图。图4为本发明实施例3系统图。图5为级联放大器系统图。图6为资参考探测系统图。图7为拍频系统图。图8为压缩器系统图。
具体实施方式以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解如图I所示本发明总系统图，由振荡器I产生放大需要的种子光，该种子光应具有锁定的脉冲重复频率，或是稳定的载波包络相位零频。接着，将种子光送入声光频移器(AOFS) 2，其驱动频率由后续的补偿放大系统12给出；同时将其壹级(衍射)光LI送入脉冲展宽器3，对脉冲进行时域的展宽并使脉冲带有线性啁啾。
然后，方案采用全光纤式啁啾脉冲级联放大技术对脉冲进行高功率放大。使用级联放大器4，在多级放大过程中，先采用单模光纤作为预放大增益介质，进行小功率预放大，使有足够能量的脉冲可以耦合进入双包层光子晶体光纤放大器，以抑制放大过程中的自发放大辐射噪声；同时采用大模场双包层掺镱光子晶体光纤作为主放增益介质，通过两级级联的啁啾脉冲放大器对脉冲进行高功率放大。放大后脉冲由脉冲压缩器5进行色散补偿，从而实现高功率超短脉冲输出。最后，采用相位噪声预补偿技术对脉冲放大过程中的附加相位噪声进行有效控制。在级联放大系统之后，通过自参考载波相位测量系统测量高功率输出激光脉冲载波包络相位的漂移量fO+Λ，其中fO为脉冲载波包络相位(CEP)零频，Λ为放大过程中的附加噪声。将该信号电路滤波放大后用于驱动放大系统前的声光频移器(A0FS)，使其在壹级光输出端预先产生一束带有-(fO+Λ )特性的种子光，补偿整个放大系统将会产生的相位漂移。从而达到有效地抑制高重复频率高功率放大过程中增益竞争和放大脉冲强度-相位转移噪声的目的。施实例I : 如图2所示，采用非线性偏振旋转锁模飞秒激光器作为种子源，预补偿相位噪声实现高功率光纤光梳。其实施细节(I)选用非线性偏振旋转掺镱光纤激光器作超短脉冲振荡源，其特征在于脉冲的重复频率fr被精确锁定。(2)振荡器I的输出光经过一个声光频移器2，其驱动频率为fd，其壹级(衍射)光LI产生_fd的频移量，并用作输出光。(3)用单模光纤作为啁啾脉冲展宽器3对种子激光的时域宽度进行展宽，避免超短脉冲放大过程中超高峰值功率对光学器件造成的损伤和非线性效应引起的脉冲畸变。(4)采用级联放大器(多级掺镱光纤放大器)4对种子光进行功率放大。案例中级联放大器4的结构如图5所示。如图5所示(a)第一预放大器41和第二预放大器42，增益介质选用单模掺镱光纤，并采用前向泵浦工作方式。(b)第一主放大器43和第二主放大器44，增益介质选用大模面掺镱双包层光子晶体光纤，同时采用反向泵浦工作方式。(c)每级放大器之间放置光隔离器IS0，防止反向传播光损坏前级放大器和振荡器。(5)压缩器5的实现，其结构如图8所示方案中采用一对透射式光栅，其结构如图8所示，光脉冲经过两面透射式光栅后被反射镜(高反镜)M5反射后沿原方向返回，并由另一个45°反射镜(高反镜)M4反射输出。其中一个光栅放置于一个可调移动平台上，通过改变光栅对间距的方式，来准确补偿放大器引入的群速度色散。(6)自参考探测系统零频噪声信号的探测，方案中采用共线的自参考零频干涉装置对放大脉冲的载波包络相位(CEP)零频进行探测。其结构图如图6所示放大脉冲通过一个显微物镜MO被耦合进入一块周期调制的铌酸锂晶体(PPLN)后，产生覆盖一个倍频层的超连续谱，同时在PPLN晶体中产生低频成分的倍频光2 (η · fr+fO);然后经过另一个显微物镜MO和带通滤光片，在探测器上实现连续谱的高频成分(2n · fr+fO)与倍频光2(η · fr+fO)的拍频，拍频fB=2 (η · fr+fO)-(2η · fr+fO) =f0,其中n为激光器的纵模个数，为正整数，fO为载波包络相位零频，fr为脉冲的重复频率，fB即脉冲的零频信号。(7)电路滤波放大器7和滤波放大器10以及第二滤波放大器10-1结构相同，由一个带通波器和低噪声高增益放大器组成，其中带通滤波器的中心频率为fO，带宽10MHz，放大器增益系数>50dB。(8)零频噪声补偿的实现。将探测到的零频信号fO，经过滤波放大后，直接用于驱动声光频移器(A0FS)。此时，fd=f0，声光频移器(AOFS)的壹级衍射光发生频移-f0，该频移量将与后继放大过程中的fO相抵消，从而获得零频为零的载波包络相位(CEP)稳定的高功率激光脉冲输出。或者利用混频器将一个标准信号f与fO混频，产生f+ 的混频信号，并用该信号驱动声光频移器(A0FS)，此时可以得到零频信号为f的输出光。由于f来自稳定的频率源，所以输出脉冲的载波包络相位(CEP)零频同样是稳定的。
实例2 采用光梳作为种子源，利用相位噪声预补偿技术实现对飞秒光梳脉冲放大过程中的零频慢变漂移进行精密控制，具体方案如图所示。如图3所示(I)振荡器I为光梳光源，其特征在于(a)激光器重复频率fr被精确锁定，锁定精度〈ImHz ；(b)脉冲的载波包络相位频率fO被精确锁定，锁定精度〈IOmHz。(2)光梳种子光经过声光频移器(AOFS) 2，其壹级衍射光送入展宽器3，然后利用啁啾脉冲级联放大器4对其进行高功率放大，并由压缩器5将高功率放大脉冲压缩至飞秒量级，最后输出。(3)放大过程中载波包络相位(CEP)零频噪声的控制。(a)声光频移器(AOFS)的零级光LO与部分(1%)放大输出光在拍频系统8中进行拍频，其拍频信号即包含了放大过程中的相位噪声Λ。将该信号通过滤波放大器10，直接用于驱动声光频移器(A0FS)，其结果是声光频移器(AOFS)的壹级光产生含(-Λ )的频移量，可以与后继放大过程中的△相抵消，实现低噪声高功率激光放大。其结构如图7所示(b)放大光经过一个延时系统(延时控制线)81，与声光频移器(AOFS)的零级(衍射)光在二号分束片BS2上合束，并通过一个光电探测器探测82，此时，探测器将输出两束光的重复频率信号和彼此的拍频信号，并通过电路滤波器放大器7将拍频信号提取出来，用于反馈驱动声光频移器(AOFS) 2。(4)在声光频移器(AOFS) 2的零频噪声补偿作用下，展宽器3、级联放大器4和压缩器5产生的附件相位噪声均得到了有效抑制，此时系统输出脉冲的载波包络相位锁定在了光梳光源上，因为零级(衍射)光LO为光源的直接输出光，没有受到后续过程的影响，保持了光梳光源的时频域稳定性。放大光与其拍频，事实上就是以其为参考标准，将放大过程的零频锁定在零级(衍射)光LO上。实例3
级联噪声补偿式放大。该实例是在实例I和2的基础上，以实例I的输出光为实例2的种子光源，利用实例2的结构对实例I上输出脉冲进行进一步的高功率放大。具体方案如图所示。如图4所示(I)种子光源11采用实施例I的结构，其中振荡器为普通的锁模激光器，其特征在于脉冲的重复频率精确锁定，锁定精度〈ImHz。(2)种子光经过一对斜坡系统9后,进入实施例2中的低噪声功率放大系统。其中，第二拍频系统8-1由第二滤波放大器10-1放大后的信号一部分用于驱动第二声光频移器2-1，另一部分用于控制斜坡系统9的相对间距。斜坡系统9的间 距直接影响斜坡系统9的插入色散量，从而可以影响脉冲的群速度，并达到控制脉冲载波包络相位的功能。由于斜坡9的响应速度较慢，但控制效果明显，因此可以用于对脉冲载波包络相位(CEP)的慢变噪声进行控制。第二声光频移器(AOFS) 2-1响应速度快，可以用于对载波包络相位(CEP)的快变信号进行控制。该实施例的优势在于1、可以降低放大过程对振荡光源的要求，通过使用普通的锁模激光器便可实现载波包络相位(CEP)稳定的高功率脉冲放大。2、减少了多级放大过程中的系统负责度，整个过程只需要采用一次自参考零频探测就可以通过拍频的方式获得载波包络相位(CEP)精密控制的高功率脉冲输出。3、载波包络相位(CEP)零频的控制精度高，不但有效抑制了零频的快变量，而且对零频的慢变漂移实现了精确控制。
权利要求
1.一种相位噪声补偿式放大系统,包括有输出种子光源的振荡器(I),其特征在于在所述的振荡器(I)输出端设有将种子光源处理后输出零级光(LO)和壹级光(LI)的声光频移器(2)，在所述的声光频移器(2)壹级光(LI)的输出端设有展宽器(3)，在所述的展宽器(3)输出端设有级联放大器(4)，在所述的级联放大器(4)输出端设有压缩器(5)，在所述的压缩器(5)输出端设有一号分束片(BS1),所述一号分束片(BSl)的反射光与补偿放大系统(12)连通，所述补偿放大系统(12)与声光频移器(2)连接并为声光频移器(2)提供控制信号。
2.根据权利要求I所述的一种相位噪声补偿式放大系统，其特征在于所述的补偿放大系统包括有与一号分束片(BSl)反射光连通的自参考探测系统(6)，在所述自参考探测系统(6)输出端设有电路滤波放大器(7)，所述的电路滤波放大器(7)输出端与声光频移器(2)连接并为声光频移器(2)提供控制信号。
3.根据权利要求I所述的一种相位噪声补偿式放大系统，其特征在于所述的补偿放大系统包括有与一号分束片(BSl)反射光连通和与声光频移器(2)输出的零级光(LO)连通的拍频系统(8)，在所述的拍频系统(8)输出端设有滤波放大器(10)，所述滤波放大器(10)输出端与声光频移器(2)连接并为声光频移器(2)提供控制信号。
4.根据权利要求2所述的一种相位噪声补偿式放大系统,其特征在于在所述的一号分束片(BSl)透射光一端还设斜坡系统(9)，所述的斜坡系统(9)输出端设有第二声光频移器(2-1)，在所述的第二声光频移器(2-1)壹级光(LI)的输出端设有第二展宽器(3-1)，在所述的第二展宽器(3-1)输出端设有第二级联放大器(4-1)，在所述的第二级联放大器(4-1)输出端设有第二压缩器(5-1)，在所述的的第二压缩器(5-1)输出端设有三号分束片(BS1-1)，所述的三号分束片(BSl-I)反射光与第二拍频系统(8-1)连通，所述的第二拍频系统(8-1)还与第二声光频移器(2-1)输出的零级光(LO)连通，在所述的第二拍频系统(8-1)输出端设有第二滤波放大器(10-1)，所述第二滤波放大器(10-1)输出端与第二声光频移器(2-1)连接并为第二声光频移器(2-1)提供控制信号，所述的第二滤波放大器(10-1)输出端还与斜坡系统(9)连接并为斜坡系统(9)提供控制信号。
5.根据权利要求I至4中任意一项所述的一种相位噪声补偿式放大系统,其特征在于所述的展宽器(3)和第二展宽器(3-1)结构相同都为啁啾展宽器，所述的级联放大器(4)和第二级联放大器(4)结构相同都为啁啾联级功率放大器，其沿光路走向从输入端到输出端一次包括有一号预放大器(41)、一号光隔离器(45)、二号预放大器(42)、二号光隔离器(46)、一号主功率放大器(43)、三号光隔离器(47)以及二号主功率放大器(44)。
6.根据权利要求5所述的一种相位噪声补偿式放大系统，其特征在于所述压缩器(5)和第二压缩器(5-1)结构相同都为脉冲压缩器，其从入射光到输出端一次通过可透射入射光的第四反光镜(M4)、一号光栅(SI)、二号光栅(S2)、二号反射镜(M5),再经过第五反射镜(M5)原路返回至第四反射镜(M4)反射输出。
7.根据权利要求4所述的一种相位噪声补偿式放大系统，其特征在于所述的自参考探测系统(6)从入射光一侧依次包括有第一显微物镜(61)、铌酸锂晶体(62)、第二显微物镜(63)、滤光片(64)、光电探测器(65)。
8.根据权利要求3或4所述的一种相位噪声补偿式放大系统，其特征在于所述拍频系统(8)和第二拍频系统(8-1)结构相同，包括有对入射光进行延时控制的由数块反光镜组成的延时系统(81)，还包括有对零级光(LO)反射的第三反射镜(M3)，以及使零级光(LO)和延时后的入射光交汇的二号分束片(BS2)，在二号分束片(BS2)输出端设有光电探测器(82)。
9.根据权利要求I所述的一种相位噪声补偿式放大系统，其特征在于在所述的第一分束片(BSl) —侧设有将第一分束片(BSl)的反射光导入补偿放大系统的第一反射镜(Ml)0
10.根据权利要求3或4所述的一种相位噪声补偿式放大系统,其特征在于在声光频移器(2)零级光(LO)输出一侧设有将零级光(L0)导入拍频系统(8)的第二反射镜(M2)，在 第二声光频移器(2-1)零级光(LO)输出一侧设有将零级光(LO)导入第二拍频系统(8-1)的第六反射镜(M6)。
全文摘要
本发明公开了一种相位噪声补偿式放大系统，包括有输出种子光源的振荡器(1)，其特征在于在所述的振荡器(1)输出端设有将种子光源处理后输出零级光(L0)和壹级光(L1)的声光频移器(2)，在所述的声光频移器(2)壹级光(L1)的输出端设有展宽器(3)，在所述的展宽器(3)输出端设有级联放大器(4)，在所述的级联放大器(4)输出端设有压缩器(5)，在所述的压缩器(5)输出端设有一号分束片(BS1)，所述一号分束片(BS1)的反射光与补偿放大系统(12)连通，所述补偿放大系统(12)与声光频移器(2)连接并为声光频移器(2)提供控制信号。
文档编号H01S3/13GK102957084SQ20121046681
公开日2013年3月6日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者梁崇智, 曾和平, 闫明, 赵健 申请人:广东汉唐量子光电科技有限公司