高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统的制作方法

本发明涉及激光技术领域，特别是一种高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统。

背景技术：

随着激光技术的发展，高功率激光输出能力不断提升，其也在激光加工、超快光谱学、医学、高能物理等多种领域得到广泛应用。尤其是在高能物理领域，高功率激光已经成为了研究超强超短激光与物质相互作用的必备手段。激光惯性约束核聚变就是其中一个典型的应用，在实现可控核聚变过程中，纳秒高功率激光系统作为关键的点火脉冲，需要针对目标靶丸压缩过程中的物理过程设计具有相应特性的激光脉冲。因此需要高功率激光驱动器具有时间波形任意控制、光谱可控、空间分布均匀的输出特性。对于高功率激光驱动器来说，激光系统包括前端系统、预放系统、主放系统以及靶场等分系统，其中前端系统为纳秒脉冲种子源系统，需要为整个系统提供满足各方面要求的种子脉冲。因此纳秒脉冲种子源系统需要具有灵活的时间整形能力以及光谱整形能力。

目前纳秒脉冲种子源系统中多采用单纵模激光器结合波导振幅调制的方式来产生指定的时间波形的激光脉冲，但是对于高功率激光的应用，为了抑制系统中受激布里渊散射的产生，需要对种子源脉冲进行光谱展宽。此外，为了获得一个空间上分布均匀的激光输出，高功率激光驱动器中采用了空间光谱束匀滑技术，但是该技术需要激光脉冲具有正弦相位调制。因此对于高功率激光系统来说，需要在纳秒脉冲种子源部分对激光脉冲进行光谱展宽，从而满足抑制受激布里渊散射以及光谱束匀滑的需求。然而，伴随着种子源光谱展宽的过程，系统中的非均匀透射光谱以及色散会引起幅频调制的产生。幅频调制是脉冲频率分布向时间分布转化的效应，在高功率激光系统中，未进行幅频调制抑制的激光脉冲在时间波形上会产生高峰值功率的瞬时变化，导致输出激光脉冲时间特性的改变，同时极易损伤后续元器件。目前对幅频调制的抑制手段主要包括透射光谱补偿与色散补偿技术。透射光谱补偿多采用双折射晶体来对后续透射光谱预补偿，而色散的补偿较为复杂。在高功率激光系统中，色散包括群速度色散以及偏振模式色散，其中群速度色散可以采用平行光栅对或者棱镜对的方式，而偏振模式色散可采用主动或被动的偏振控制进行补偿，但是由于偏振模式色散易受外界环境影响，因此需要实时调谐。

目前的高功率激光系统中的纳秒种子源系统多采用保偏光纤元器件，相对于非保偏元器件，保偏系统可以得到更好的稳定性。但是同时保偏光纤具有较大的偏振模式色散，这导致基于保偏光纤的纳秒种子源系统中的幅频调制的抑制变的较为困难。不同于保偏光纤，单偏振光纤是只能传输慢轴偏振态的光纤，快轴偏振态的激光会受到很大的损耗，从而有效降低快慢轴之间激光的相互耦合，提升传输偏振消光比。

为了解决这个问题，本发明采用单偏振光纤作为基础，设计并验证了高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统对于幅频调制的抑制效果。基于单偏振传输光纤的激光种子源系统可以有效抑制系统中的幅频调制，同时产生稳定的、时间波形与光谱灵活可调的纳秒种子激光。该装置采用全光纤化的结构，具有调节灵活、结构紧凑的优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提升系统稳定性，尤其可克服保偏纳秒种子源系统中幅频调制的产生，采用单偏振传输光纤以及单偏振元器件，提供一种单偏振光纤纳秒种子源系统，可以有效抑制系统中幅频调制的产生，得到稳定的、时间包络光滑的、光谱灵活控制的纳秒种子源。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于单偏振光纤的激光种子源系统，包括依次连接的窄线宽连续光纤激光器、单偏振声光斩波器、第一单偏振光纤放大器、相位调制器、第二单偏振光纤放大器、单偏振振幅调制器和第三单偏振光纤放大器，以及时钟频率源、任意波形发生器和数字延时发生器；

所述的数字延时发生器的第一触发信号信号输出端与单偏振声光斩波器的电输入端连接，该数字延时发生器的第二触发信号输出端与任意波形发生器的触发信号输入端连接，所述的时钟频率源的第一时钟信号输出端与任意波形发生器的时钟信号输入端连接，时钟频率源的第二时钟信号输出端与相位调制器的电输入端连接，任意波形发生器的调制信号输出端与单偏振振幅调制器的电输入端连接。

所述窄线宽连续光纤激光器、单偏振声光斩波器、第一单偏光纤放大器、第二单偏振光纤放大器、第三单偏振光纤放大器、相位调制器以及单偏振振幅调制器处于同一光路上。所述数字延时发生器、时钟频率源与任意波形发生器组成了纳秒种子源系统中的时间同步触发以及调制信号产生部分。

上述第一单偏振光纤放大器、第二单偏振光纤放大器、第三单偏振光纤放大器中包括第一单偏振光纤隔离器、单偏振波分复用器、掺Yb增益光纤、单偏振光纤滤波器、第二单偏振光纤隔离器以及单偏振光纤分束器。激光脉冲在单偏振光纤放大器中依次通过第一单偏振光纤隔离器、单偏振波分复用器、掺Yb增益光纤、单偏振光纤滤波器、第二单偏振光纤隔离器以及单偏振光纤分束器之后被放大。

上述激光器为窄线宽连续光纤激光器，该激光器具有MHz以下的超窄线宽，为分布反馈光纤激光器。

上述第一单偏振光纤放大器、第二单偏振光纤放大器、第三单偏振光纤放大器、相位调制器、单偏振振幅调制器、单偏振声光斩波器均使用单偏振光纤制作。

上述单偏振振幅调制器的消光比可以达到50dB，同时偏振消光比大于30dB。

上述相位调制器的调制信号与时钟频率源为同源信号。

上述时钟频率源作为任意波形发生器的参考时钟，可以实现相位调制信号与任意波形发生器的锁相输出。同时数字延时发生器产生单偏振声光斩波器以及任意波形发生器的触发信号，并且触发信号相对延时连续可调。

上述窄线宽连续光纤激光器、单偏振声光斩波器、第一单偏振光纤放大器、相位调制器、第二单偏振光纤放大器、单偏振振幅调制器、第三单偏振光纤放大器之间采用单偏振光纤连接与光纤法兰连接。

上述第一单偏振光纤放大器、第二单偏振光纤放大器、第三单偏振光纤放大器内部采用光纤熔接方式连接。

上述激光脉冲的幅频调制与数字延时发生器的触发信号处于锁相状态，输出激光脉冲的幅频调制稳定，不随时间以及环境变化。

所述单偏振光纤激光种子源系统输出激光脉冲时间波形以及光谱宽度由任意波形发生器以及相位调制器任意调节，激光脉冲的幅频调制与数字延时发生器的触发信号处于锁相状态，输出激光脉冲的幅频调制稳定，不随时间以及环境变化。

与现有技术相比，本发明优点在于：

1)采用单偏振光纤作为传输光纤，同时系统中的第一单偏振光纤放大器、第二单偏振光纤放大器、第三单偏振光纤放大器、单偏振声光斩波器、相位调制器以及单偏振振幅调制器均采用单偏振光纤作为耦合输入输出。通过单偏振光纤的方式，可以将偏振激光中的对应于单偏振光纤慢轴方向的激光低损耗的传输，而对应快轴方向的激光会受到很大的损耗，从而使得激光脉冲在传输过程中由于光纤对轴精度以及光纤本身偏振模式耦合引起的激光偏振消光比下降的问题得到解决，最终使得偏振模式色散引起的幅频调制降低到最小。

2)采用高消光比的单偏振振幅调制器以及任意波形发生器的方式，可以得到任意的时间波形的激光脉冲，同时保证较高的激光脉冲对比度。数字延时发生器作为同步触发信号产生装置，触发系统中的单偏振声光斩波器与任意波形发生器，而时钟频率源产生相位调制器需要的正弦调制电信号与任意波形发生器的外部参考时钟，可以实现数字延时发生器产生的同步触发信号与相位调制信号以及单偏振振幅调制器上的调制电信号的锁相输出，有效的提升纳秒种子源系统的输出稳定性。最终可以得到幅频调制抑制的、时间波形包络光滑、时间波形与光谱可调的、高稳定的纳秒种子激光。

附图说明

图1是本发明高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统的结构图。

图2是高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统中的单偏振光纤放大器的结构。

图3是高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统的输出时间波形图。

图中：1-窄线宽连续光纤激光器；2-单偏振声光斩波器；3-第一单偏振光纤放大器；4-相位调制器；5-第二单偏振光纤放大器；6-单偏振振幅调制器；7-第三单偏振光纤放大器；8-时钟频率源；9-任意波形发生器；10-数字延时发生器；31-第一单偏振光纤隔离器；32-单偏振波分复用器；33-掺Yb增益光纤；34-单偏振光纤滤波器；35-第二单偏振光纤隔离器；36-单偏振光纤分束器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统结构图。由图可见，单偏振光纤纳秒种子源系统包括窄线宽连续光纤激光器1、单偏振声光斩波器2、第一单偏振光纤放大器3、相位调制器4、第二单偏振光纤放大器5、单偏振振幅调制器6、第三单偏振光纤放大器7、时钟频率源8、任意波形发生器9以及数字延时发生器10，上述元器件连接关系如下：

所述的窄线宽连续光纤激光器1的输出的连续激光经单偏振光纤与单偏振声光斩波器2连接，连续激光被单偏振声光斩波器2调制为百纳秒宽度(不限于百纳秒)的脉冲激光，该脉冲经过通过单偏振光纤与第一单偏振光纤放大器3连接。经过单偏振光纤放大器3放大之后的脉冲激光由单偏振光纤与相位调制器4连接，在相位调制器4中受到正弦信号相位调制，脉冲激光的光谱得到展宽之后由单偏振光纤与第二单偏振光纤放大器5连接，经过第二单偏振光纤放大器5放大之后通过单偏振光纤与单偏振振幅调制器6连接，单偏振振幅调制器6的调制信号来自于任意波形发生器9，经过单偏振振幅调制器6整形之后的激光脉冲由单偏振光纤与第三单偏振光纤放大器7连接，放大之后的激光脉冲为最终输出种子信号。数字延时发生器10产生触发信号中的一路信号与单偏振声光斩波器2连接，数字延时发生器10的另外一路触发信号与任意波形发生器9连接，时钟频率源8产生的时钟信号作为外部参考时钟与任意波形发生器9连接，此外时钟频率产生的另外一路时钟信号作为相位调制器4的调制电信号。

参见图2，图2为高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统中的第一单偏振光纤放大器3、第二偏振光纤放大器5、第三单偏振光纤放大器7的结构，激光脉冲经过第一单偏振光纤隔离器31与单偏振波分复用器32连接，经过单偏振波分复用器32之后，激光脉冲耦合到掺Yb增益光纤33中，经过放大之后激光脉冲依次通过单偏振光纤滤波器34、第二单偏振光纤隔离器35以及单偏振光纤分束器36输出，单偏振光纤分束器36为1:9的分束比，其中90％端作为输出端。

所述的第一单偏振光纤放大器3、第二偏振光纤放大器5、第三单偏振光纤放大器7中单偏振光纤元器件均采用光纤熔接的方式连接。

所述的数字延时发生器10作为高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统中的触发单元，触发单偏振声光斩波器2以及任意波形发生器9，而时钟频率源8为相位调制器4提供相位调制电信号，同时作为任意波形发生器9的外部参考时钟信号，通过这种方式，任意波形发生器9输出的到单偏振振幅调制器6的整形电信号可以与数字延时发生器10输出的触发信号以及相位调制器4上的调制电信号之间实现锁相输出。

所述的单偏振振幅调制器6采用消光比大于50dB的低半波电压振幅调制器，经过整形之后的激光脉冲的时间波形可以达到较高的对比度。

所述的单偏振光纤作为上述窄线宽连续光纤激光器1、单偏振声光斩波器2、第一单偏振光纤放大器3、相位调制器4、第二单偏振光纤放大器5、单偏振振幅调制器6、第三单偏振光纤放大器7之间的连接光纤。

至此高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统完成了搭建。在实验室搭建了高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统，输出激光脉冲经过3G+22GHz相位调制信号的光谱展宽之后，光谱宽度达到0.3nm，在输出端测试输出的纳秒脉冲时间波形如图3所示。图3中纳秒激光脉冲整形为5纳秒方波信号，幅频调制的深度小于3％，表明高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统可以很好的抑制系统中幅频调制的产生。此外，高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统输出的激光脉冲的幅频调制在长时间运行下变化很小，进一步证明了本发明高抗微扰的基于单偏振传输光纤的激光种子源系统在幅频调制抑制以及长期稳定性方面的优势。可以有效抑制由于激光脉冲光谱展宽产生的幅频调制对输出激光脉冲的影响。其优点是全光纤结构、输出激光脉冲稳定、激光脉冲时间波形与光谱可以任意调节。对于解决高能量纳秒激光系统中的幅频调制以及输出稳定性的问题具有很重要的应用前景。