一种产生高能量脉冲包的方法和装置与流程

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种产生高能量脉冲包的方法和装置。

背景技术：

高功率脉冲激光器具有高峰值功率、高光束质量、高转换效率等优势，已越来越多地应用于精密机械加工、激光雷达与武器、激光医疗和非线性光频转换等领域，并逐渐成为激光光电子技术领域应用研究的重点之一。而超短脉冲激光的主要特征是脉冲宽度非常窄，通常在皮秒和飞秒量级。超短激光所提供的超强瞬时功率和超高时间分辨率为人们提供了一种研究超快、超强过程的有效手段，是一种应用十分广泛的光源。随着激光加工、激光测距、激光武器、激光雷达等研究领域对激光器输出各项指标的迫切需求，高能量、高功率的激光器已经成为激光领域的重要研究方向。

在现有啁啾脉冲放大技术(Chirped-Pulse Amplification，CPA)中由于受到非线性和增益介质增益倍数等因素的制约很难同时实现高能量、窄脉冲、高峰值的脉冲激光输出。

另外，现有技术Divided-Pulse Amplification(简称DPA)克服了非线性的问题，但结构复杂，转换效率低。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种产生高能量脉冲包的方法和装置，以克服现有技术转效率低、结构复杂，且受非线性和增益介质增益倍数等因素的制约很难输出高能量、窄脉冲、高峰值脉冲激光的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明一方面提供一种产生高能量脉冲包的装置，包括依次连接的脉冲源、脉冲倍增展宽装置、非线性放大系统、脉冲压缩装置；

所述脉冲源，用于提供单脉冲光源；

所述脉冲倍增展宽装置，用于将脉冲源输出的单脉冲转变成在时间轴上存在重合区域的多脉冲输出，为脉冲包的产生提供必要条件，多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调；

所述非线性放大系统，用于对脉冲倍增展宽装置输出的多脉冲进行放大，输出高能量光脉冲，并提供产生脉冲包所需要的非线性；

所述脉冲压缩装置，用于对放大后的高能量光脉冲进行压缩，输出高能量的脉冲包。

优选地，所述脉冲倍增展宽装置包括依次连接的脉冲倍增装置和脉冲展宽装置；

所述脉冲倍增装置，用于将单脉冲转变成多脉冲输出，所述多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调；

所述脉冲展宽装置，用于对脉冲倍增装置输出的多脉冲信号进行展宽，展宽后的多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域。

优选地，所述脉冲倍增展宽装置包括依次连接的脉冲展宽装置和脉冲倍增装置，

所述脉冲展宽装置，用于对脉冲源输出的单脉冲进行展宽；

所述脉冲倍增装置，用于将脉冲展宽装置展宽后的单脉冲转变成多脉冲输出，所述多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调，多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域；

优选地，所述脉冲展宽装置为光纤、光纤光栅、光栅对或棱镜对。

优选地，所述非线性放大系统为放大光纤或晶体实现的单级或级联的放大系统。

优选地，所述脉冲压缩装置为光栅对、棱镜对或体光栅。

另一方面，本发明提供一种高能量脉冲包产生方法，其包括：

步骤S1、由脉冲源提供单脉冲输出；

步骤S2、将脉冲源输出的单脉冲变成在时间轴上存在重合区域的多脉冲输出，为脉冲包的产生提供必要条件，多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调；

步骤S3、利用非线性放大系统对脉冲倍增展宽装置输出的多脉冲进行放大，输出高能量光脉冲，并提供产生脉冲包所需要的非线性；

步骤S4、利用脉冲压缩装置，对放大后的高能量光脉冲进行压缩，输出高能量脉冲包。

优选地，所述步骤S2具体包括：

步骤S21、利用脉冲倍增装置将脉冲源提供的单脉冲变成间隔可调的多脉冲输出，多脉冲个数N≥2；

步骤S22、利用脉冲展宽装置，用于对脉冲倍增装置输出的多脉冲信号进行展宽，展宽后的多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域，为脉冲包的产生提供必要条件，另外，如果使用光纤进行展宽，也可以提供产生脉冲包所需要的非线性；

优选地，所述步骤S2具体包括：

步骤S21、利用脉冲展宽装置将脉冲源输出的单脉冲进行展宽；

步骤S22、利用脉冲倍增装置，用于将脉冲展宽装置展宽后的单脉冲变成多脉冲输出,多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调，多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域。

(三)有益效果

本发明提供一种产生高能量脉冲包的方法和装置，在传统CPA的基础上加入脉冲倍增展宽装置，产生多脉冲并使其重叠，通过对多脉冲进行放大，利用放大系统的非线性效应，实现了脉冲包的输出；由于对四波混频效应的利用，提高了系统的非线性容限，实现了比传统CPA系统更高能量的脉冲包输出，本发明结构简单，转换效率高，可以同时实现高能量、窄脉冲、高峰值的脉冲激光输出。

附图说明

图1为本发明实施例产生高能量脉冲包装置的结构示意图；

图2为本发明实施例脉冲倍增展宽装置的结构示意图；

图3为本发明实施例脉冲倍增展宽装置另一结构示意图；

图4为本发明实施例使用双脉冲和三级放大系统产生高能量脉冲包装置的结构示意图；

图5-7为本发明实施例1放大到不同功率压缩后输出的脉冲包波形图；

图8为本发明实施例1压缩后输出的脉冲包图7中的单个脉冲；

图9为本发明实施例1压缩后输出的脉冲包与相同脉宽和能量的高斯脉冲波形对比；

图10为本发明实施例1采用小色散压缩后的脉冲包络图；

图11为本发明实施例2压缩后输出的脉冲包络图；

图12为本发明实施例1、实施例2与单脉冲放大最大脉冲能量对比图。

图13为本发明实施例产生高能量脉冲包装置的方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、脉冲源；2、脉冲倍增展宽装置；21、脉冲倍增装置；22、脉冲展宽装置；3、非线性放大系统；4、脉冲压缩装置；5、脉冲光源；6、双脉冲产生装置；7、光纤；8、三级全光纤放大系统；9、光栅对或体光栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，该装置包括依次连接的脉冲源1、脉冲倍增展宽装置2、非线性放大系统3和脉冲压缩装置4。由脉冲源1提供单脉冲输出，脉冲倍增展宽装置2将脉冲源输出的单脉冲变成在时间轴上存在重合区域的多脉冲输出，为脉冲包的产生提供必要条件，多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调；利用非线性放大系统3对脉冲倍增展宽装置2输出的光脉冲进行放大，输出高能量光脉冲；利用脉冲压缩装置4对放大后的高能量光脉冲进行压缩，实现高能量的脉冲包输出。

其中，如图2所示，脉冲倍增展宽装置2可以包括依次连接的脉冲倍增装置21和脉冲展宽装置22，

所述脉冲倍增装置21，用于将单脉冲转变成多脉冲输出，所述多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调；

所述脉冲展宽装置22，用于对脉冲倍增装置输出的多脉冲信号进行展宽，展宽后的多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域。另外，如果使用光纤进行展宽，也可以提供产生脉冲包所需要的非线性。

另外，如图3所示，该脉冲倍增展宽装置2也可以包括依次连接的脉冲展宽装置22和脉冲倍增装置21，

所述脉冲展宽装置，用于对脉冲源输出的单脉冲进行展宽；

所述脉冲倍增装置，用于将脉冲展宽装置展宽后的单脉冲转变成多脉冲输出，所述多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调，多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域；

所述脉冲展宽装置22为光纤、光纤光栅、光栅对或棱镜对。

所述非线性放大系统3为放大光纤或晶体实现的单级或级联的放大系统。

所述脉冲压缩装置4为光栅对、棱镜对或体光栅。

介质非线性响应的起因与在施加给它的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关，结果电偶极子感应的总极化强度P对于电场E是非线性的，但仍满足通常的关系式：

式中，ε₀是真空中的介电常数，χ^(j)(j＝1,2,…)为第j阶极化率。

光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶极化率χ⁽³⁾，它是引起诸如三次谐波产生，四波混频及非线性折射等现象的原因。一般情况下，四波混频是不易发生的，光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射。本发明将单脉冲倍增为多脉冲，并展宽使其重叠，利用非线性产生了四波混混频效应，实现了脉冲包的输出；由于对四波混频效应的利用，提高了系统的非线性容限，实现了比传统CPA系统更高能量的脉冲包输出，本发明结构简单，转换效率高，甚至于可以同时实现高能量、窄脉冲、高峰值的脉冲激光输出。

具体的，对于相同非线性放大系统，多脉冲个数N越大，最终获得脉冲包内的脉冲个数越多；在产生非线性效应的过程中多个脉冲在时间轴上必须存在重合区，才能够形成脉冲包输出，且重合区域越大，最终获得脉冲包内的脉冲个数越多；本装置提供的非线性越大，最终获得脉冲包内的脉冲个数越多；放大后的脉冲色散补偿量不同时，脉冲包的宽度和脉冲包内脉冲个数及间隔均不同。因此，通过改变脉冲源的多脉冲个数、脉冲间隔、系统的非线性或补偿色散量大小，可以产生不同间隔、不同脉冲个数、不同起伏幅度的脉冲包络。

本发明提供的产生高能量脉冲包的装置，在传统CPA的基础上加入脉冲倍增展宽装置，产生多脉冲并使其重叠，通过对多脉冲进行放大，利用放大系统的非线性效应，实现了脉冲包的输出；由于对四波混频效应的利用，提高了系统的非线性容限，实现了比传统CPA系统更高能量的脉冲包输出，本发明结构简单，转换效率高，可以同时实现高能量、窄脉冲、高峰值的脉冲激光输出。

如图13所示，本发明提供一种产生高能量脉冲包的方法，其具体包括如下步骤：

步骤S1、由脉冲源提供单脉冲输出；

步骤S2、将脉冲源输出的单脉冲变成在时间轴上存在重合区域的多脉冲输出，为脉冲包的产生提供必要条件，多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调；

步骤S3、利用非线性放大系统对脉冲倍增展宽装置输出的多脉冲进行放大，输出高能量光脉冲，并提供产生脉冲包所需要的非线性；

步骤S4、利用脉冲压缩装置，对放大后的高能量光脉冲进行压缩，输出高能量脉冲包。

其中，所述步骤S2可以具体包括：

步骤S21、利用脉冲倍增装置将脉冲源提供的单脉冲变成间隔可调的多脉冲输出，多脉冲个数N≥2；

步骤S22、利用脉冲展宽装置，用于对脉冲倍增装置输出的多脉冲信号进行展宽，展宽后的多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域，为脉冲包的产生提供必要条件，另外，如果使用光纤进行展宽，也可以提供产生脉冲包所需要的非线性；

另外，该步骤S2也可以具体包括：

步骤S21、利用脉冲展宽装置将脉冲源输出的单脉冲进行展宽；

步骤S22、利用脉冲倍增装置，用于将脉冲展宽装置展宽后的单脉冲变成多脉冲输出，多脉冲个数N≥2，且脉冲间隔可调，多个脉冲在时间轴上必须存在重合区域。

实施例1

如图4所示，本实施例中的脉冲源1采用宽度为飞秒级的脉冲光源5。脉冲倍增展宽装置2中的脉冲倍增装置21采用保偏光纤和起偏器实现的双脉冲产生装置6。脉冲展宽装置22采用光纤7进行展宽。非线性放大系统3采用三级全光纤放大系统8，脉冲压缩装置4采用体光栅或光栅对9。宽度为300fs的脉冲光源5为保偏光纤输出，经过双脉冲产生装置6，将单脉冲变成间隔可调的双脉冲输出。双脉冲间隔为t＝10ps时，经过光纤7进行展宽，展宽后的双脉冲在时间轴发生重叠，形成宽度为15ps间隔为30ps的脉冲包络。展宽后的脉冲经过三级全光纤放大系统8放大，放大到不同功率后，再经过体光栅9进行色散完全补偿，放大功率由小到大，被压缩后的脉冲见图5-7，随着放大功率的增大，四波混频效应增强，脉冲包内脉冲个数增加；脉冲包内脉冲间隔10ps不变。图8为图7所示包络内单个脉冲形状，脉冲宽度为400fs。与相同能量、相同宽度高斯脉冲比较见图9；与传统高斯脉冲相比，本发明产生的脉冲峰值功率提高了6倍，且脉冲包内单个脉冲为飞秒级别，更利于实现材料的冷加工。

以上为使用体光栅对脉冲进行完全压缩，也可以用光栅对进行小色散补偿，如图10为使用接近于零的色散量进行压缩后的脉冲包络图，脉冲包内脉冲间隔28ps，单个脉冲宽度均为飞秒。

实施例2

采用宽度为300fs的脉冲光源5为保偏光纤输出，双脉冲产生装置6输出的双脉冲间隔为t＝40ps时，经过光纤7进行展宽，展宽后的双脉冲在时间轴发生重叠，经过三级全光纤放大系统8放大，再经过体光栅9进行色散完全补偿，压缩后的脉冲包络见图11，包络内脉冲间隔40ps，包络内单个脉冲宽度仍为飞秒量级。经过色散完全补偿后的包络内的脉冲间隔与脉冲倍增装置输出的多脉冲间隔相同，包络内单个脉冲宽度均为飞秒。因此，通过改变多脉冲间隔可实现不同间隔，不同宽度的脉冲包。除此之外，系统非线性不同，初始脉冲个数不同，色散补偿量不同，均可以产生不同个数，不同间隔的脉冲包络输出。

在非线性放大系统中，随着放大能量的增加，非线性越来越大，脉冲形状会发生形变，脉冲旁瓣越来越大，我们通常用脉冲质量(主脉冲能量占整个脉冲能量百分比)来定义一个脉冲的优劣。图12中的a、b、c三点分别表示传统CPA系统、实施例1t＝10ps非线性放大系统、实施例2t＝40ps的非线性放大系统在脉冲质量为70％时可达到的脉冲能量最大值。从图可以看出，脉冲质量相同时，本发明非线性放大系统得到的脉冲包能量大于传统CPA系统的脉冲能量，经过优化可以实现更高的能量输出。本发明利用四波混频效应，提高了放大系统的非线性容限，能够获得更高的能量输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。