专利名称：一种高能量时分脉冲放大系统及方法
技术领域：
本发明涉及激光脉冲技术领域，特别涉及一种高能量时分脉冲放大系统及方法。
背景技术：
与传统的固体激光器、气体激光器相比,光纤激光器具有光束质量高、体积小、重量轻、散热效果好、功率转换效率高和使用寿命长等优点，是ー种新型的优质激光器。在很多应用中，例如国防军事中的定位、测距、跟踪制导、深空激光通信和模拟打靶等应用中，需要高峰值功率的脉冲光纤输出，所需脉冲的峰值功率达到MW级甚至更高。由于光纤的直径很小，因此当脉冲的峰值功率高到一定程度的时候，会在光纤中发生非线性现象，不仅会减低信号的能量，还会对系统造成损伤。为了防止系统损伤，在对纳秒级以下的脉冲进行放大时，现在主要采用FCPA技术，其原理是用光栅展宽器将亚皮秒级短脉冲展宽为纳秒级的啁啾脉冲，注入光纤放大器进行能量放大，再将放大后的纳秒级啁啾脉冲注入光栅压缩器进行脉冲压缩，最后输出皮秒或者亚皮秒级短脉冲，从而获得大能量高峰值功率超短脉冲激光。然而，对于纳秒级以上非啁啾的脉冲放大，不能采取上面的方式进行脉冲展宽和压缩，是本领域的一个技术难题。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提供一种高能量时分脉冲放大系统及方法，以解决现有技术无法通过脉冲展宽和压缩方式对纳秒级以上非啁啾的脉冲进行放大的问题。( ニ )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供一种高能量时分脉冲放大系统，其包括分束单元、走离与合波单元、放大单元、旋转单元和反射单元；所述分束単元，用于将输入脉冲和所述输入脉冲经反射后的逆向脉冲相分离；所述走离与合波単元，连接所述分束単元，用于将所述输入脉冲偏振走离为多个子输入脉沖，以及将所述子输入脉冲经反射后的子逆向脉冲回偏合波为所述逆向脉冲；所述放大単元，连接所述走离与合波単元，用于放大所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲；所述旋转単元，连接所述放大単元，用于旋转所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲的偏振态；所述反射単元，连接所述旋转単元，用于反射所述子输入脉冲得到所述子逆向脉冲。优选地，所述分束单元采用PBS。优选地，所述走离与合波单元采用多根首尾相接的高双折射光纤。优选地，所述走离与合波単元中，相邻两根所述高双折射光纤的偏振坐标之间呈预定角度。优选地，所述预定角度为45°。优选地，所述高双折射光纤的长度和折射率满足以下公式LX I ΔηΙ/c > t0 ；其中，L表示单根所述高双折射光纤的长度；Δη表示所述高双折射光纤在两个偏振方向上的折射率之差；c表示光速；、表 示所述输入脉冲的宽度。优选地，所述放大单元采用大模场面积光纤。优选地，所述旋转单元采用法拉第旋转器，并且所述法拉第旋转器将所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲的偏振态分别旋转45°。本发明还提供一种高能量时分脉冲放大方法，其包括步骤A :分束单元接收输入脉冲，并将所述输入脉冲发送至走离与合波单元；B:所述走离与合波单元将所述输入脉冲偏振走离为多个子输入脉冲后发送至放大单元；C :所述放大单元对所述子输入脉冲进行放大处理，并将放大后的所述子输入脉冲发送至旋转单元；D :所述旋转単元旋转所述子输入脉冲的偏振态，并将旋转后的所述子输入脉冲发送至反射单元；E :所述反射単元反射所述子输入脉冲得到子逆向脉冲，并将所述子逆向脉冲发送至所述旋转单元；F :所述旋转单元旋转所述子逆向脉冲的偏振态，并将旋转后的所述子逆向脉冲发送至所述放大単元；G :所述放大単元放大所述子逆向脉冲，并将放大后的所述子逆向脉冲发送至所述走离与合波单元；H:所述走离与合波単元将所述子逆向脉冲回偏合波为逆向脉冲后发送至所述分束単元；I :所述分束単元反射输出所述逆向脉冲。优选地，所述步骤D中，所述旋转单元将所述子输入脉冲的偏振态旋转45° ;所述步骤F中，所述旋转単元将所述子逆向脉冲的偏振态旋转45°。(三)有益效果本发明的高能量时分脉冲放大系统及方法，通过采用由多根高双折射光纤级联而成的走离与合波単元，将输入脉冲分割为多个子输入脉冲，再将子输入脉冲放大、合并，最终输出ー个巨脉冲，解决现有技术无法通过脉冲展宽和压缩方式对纳秒级以上非啁啾的脉冲进行放大的问题，扩大了脉冲放大的对象范围；同时，对于脉冲的展宽量和压缩量，可以通过改变所述双折射光纤的双折射率和长度进行调节，十分灵活。
图I是本发明的高能量时分脉冲放大系统的工作原理示意图；图2是本发明实施例所述的高能量时分脉冲放大系统的结构示意图；图3是所述走离与合波单元的结构示意图4是所述高双折射光纤的截面示意图；图5是相邻两根所述高双折射光纤连接处的截面示意图；图6是本发明实施例所述高能量时分脉冲放大方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进ー步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图I是本发明的高能量时分脉冲放大系 统的工作原理示意图，如图I所示，输入脉冲经过脉冲分割被分割为多个形状相似、幅度较小的子输入脉冲，子输入脉冲经过脉冲放大处理得到放大后的子输入脉冲，放大后的子输入脉冲经过脉冲合成得到一个用于输出的巨脉冲。图2是本发明实施例所述的高能量时分脉冲放大系统的结构示意图，如图2所示，所述系统包括分束单元100、走离与合波单元200、放大单元300、旋转单元400和反射单元 500。所述分束单元100,采用 PBS (polarization beam splitter,偏振分束器)。PBS的特性是对经过其的脉冲正向透射，反向反射，本实施例利用所述PBS的该特性，将输入脉冲和所述输入脉冲经反射后的逆向脉冲相分离。本实施例中，所述输入脉冲的波长为1064纳米。所述走离与合波単元200，连接所述分束単元100，用于将所述输入脉冲偏振走离为多个子输入脉冲(即对所述输入脉冲进行展宽处理)，以及将所述子输入脉冲经反射后的子逆向脉冲回偏合波为所述逆向脉冲(即对所述子逆向脉冲进行压缩处理)。图3是所述走离与合波单元的结构示意图，如图3所示，所述走离与合波单元200由多根高双折射光纤201通过首尾相焊接而成；并且，为了获得较高的峰值功率，所述高双折射光纤201优选使用空心的高双折射的光子晶体光纤。图4是所述高双折射光纤的截面示意图，如图4所示，所述高双折射光纤201中设置有两个应力棒2011，设所述截面上所述两个应カ棒2011连线方向为X方向，Y方向垂直于所述X方向，贝1J所述高双折射光纤201在Y方向上的折射率ηγ大于其在X方向上的折射率ηχ，这样脉冲经过所述高双折射光纤201以后就会在X方向和Y方向上分成2个偏振脉冲。X方向和Y方向是所述高双折射光纤201的两个偏振方向，并且构成所述高双折射光纤201的偏振坐标。图5是相邻两根所述高双折射光纤连接处的截面示意图，如图5所示,虚线所示应カ棒2011位于第η-I根所述高双折射光纤201上，实线所示应カ棒2011位于第η根所述高双折射光纤201上，可以看到，相邻两根所述高双折射光纤201的偏振坐标之间呈预定角度a，这样脉冲每经过ー根所述高双折射光纤201就会被分成2个脉沖，因此经过由η根所述高双折射光纤201级联而成的所述走离与合波単元200后，所述输入脉冲被偏振走离为2η个子输入脉冲。为了保证分割得到的子输入脉冲幅度相等，所述预定角度a为45°。同吋，需要说明地是，为了能够将所述输入脉冲在X和Y两个偏振方向分开，所述高双折射光纤201的长度和折射率满足以下公式At = LX Δ η I /c > t0 ；其中，L表示单根所述高双折射光纤201的长度；Λη表示所述高双折射光纤在X和Y两个偏振方向上的折射率之差；C表示光速Jtl表示所述输入脉冲的宽度。根据上述公式，可以看到，通过增大L或者Λη的数值，可以增大At的数值，从而可以增加对所述输入脉冲的展宽量，相应地也就増加了对所述子逆向脉冲的压缩量；反之，则可以减小对所述输入脉冲的展宽量和对所述子逆向脉冲的压缩量。也就是说，可以通过改变所述高双折射光纤201的双折射率或者长度，实现对所述输入脉冲的展宽量和对所述子逆向脉冲的压缩量的调节。所述放大単元300，连接所述走离与合波単元200，用于放大所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲。所述放大単元300采用对 偏振不敏感的大模场面积光纤，本实施例中所述大模场面积光纤的内径为200微米，外径为600微米。所述旋转単元400，连接所述放大単元300，用于旋转所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲的偏振态。所述旋转単元400采用法拉第旋转器，并且所述法拉第旋转器将所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲的偏振态分别旋转45°。这样，所述走离与合波単元200输出的子输入脉冲与再次回到所述走离与合波単元200的子逆向脉冲相比，两者的偏振态相差90°，因此所述子逆向脉冲能够被所述走离与合波単元200回偏合波为ー个成整体的所述逆向脉冲。所述反射単元500，采用反射镜，连接所述旋转単元400，用于反射所述子输入脉冲得到所述子逆向脉冲。图6是本发明实施例所述高能量时分脉冲放大方法流程图，如图6所示，所述方法包括步骤A :分束单元接收输入脉冲，并将所述输入脉冲发送至走离与合波单元；B:所述走离与合波单元将所述输入脉冲偏振走离为多个子输入脉冲后发送至放大单元；C :所述放大单元对所述子输入脉冲进行放大处理，并将放大后的所述子输入脉冲发送至旋转单元；D :所述旋转单元将所述子输入脉冲的偏振态旋转45°，并将旋转后的所述子输入脉冲发送至反射単元；E :所述反射単元反射所述子输入脉冲得到子逆向脉冲，并将所述子逆向脉冲发送至所述旋转单元；F :所述旋转単元将所述子逆向脉冲的偏振态旋转45°，并将旋转后的所述子逆向脉冲发送至所述放大単元；G :所述放大単元放大所述子逆向脉冲，并将放大后的所述子逆向脉冲发送至所述走离与合波单元；H:所述走离与合波単元将所述子逆向脉冲回偏合波为逆向脉冲后发送至所述分束単元；I :所述分束单元反射输出所述逆向脉冲。本发明实施例所述的高能量时分脉冲放大系统及方法，通过采用由多根高双折射光纤级联而成的走离与合波単元，将输入脉冲分割为多个子输入脉冲，再将子输入脉冲放大、合井，最终输出ー个巨脉冲，解决现有技术无法通过脉冲展宽和压缩方式对纳秒级以上非啁啾的脉冲进行放大的问题，扩大了脉冲放大的对象范围；同时，对于脉冲的展宽量和压缩量，可以通过改变所述双折射光纤的双折射率和长度进行调节，十分灵活。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发 明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种高能量时分脉冲放大系统，其特征在于，包括分束単元、走离与合波単元、放大单元、旋转单元和反射单元； 所述分束単元，用于将输入脉冲和所述输入脉冲经反射后的逆向脉冲相分离； 所述走离与合波単元，连接所述分束単元，用于将所述输入脉冲偏振走离为多个子输入脉冲，以及将所述子输入脉冲经反射后的子逆向脉冲回偏合波为所述逆向脉冲； 所述放大単元，连接所述走离与合波単元，用于放大所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲； 所述旋转単元，连接所述放大単元，用于旋转所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲的偏振态； 所述反射単元，连接所述旋转単元，用于反射所述子输入脉冲得到所述子逆向脉冲。
2.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述分束单元采用PBS。
3.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述走离与合波单元采用多根首尾相接的高双折射光纤。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述走离与合波単元中，相邻两根所述高双折射光纤的偏振坐标之间呈预定角度。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预定角度为45°。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高双折射光纤的长度和折射率满足以下公式 LX|An|/c>t0； 其中，L表示单根所述高双折射光纤的长度；△ η表示所述高双折射光纤在两个偏振方向上的折射率之差；c表示光速；、表示所述输入脉冲的宽度。
7.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述放大单元采用大模场面积光纤。
8.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述旋转单元采用法拉第旋转器，并且所述法拉第旋转器将所述子输入脉冲和所述子逆向脉冲的偏振态分别旋转45°。
9.一种高能量时分脉冲放大方法，其特征在于，包括步骤 A :分束単元接收输入脉冲，并将所述输入脉冲发送至走离与合波単元； B:所述走离与合波单元将所述输入脉冲偏振走离为多个子输入脉冲后发送至放大单元; C :所述放大单元对所述子输入脉冲进行放大处理，并将放大后的所述子输入脉冲发送至旋转单元； D :所述旋转単元旋转所述子输入脉冲的偏振态，并将旋转后的所述子输入脉冲发送至反射单元； E :所述反射単元反射所述子输入脉冲得到子逆向脉冲，并将所述子逆向脉冲发送至所述旋转单元； F :所述旋转单元旋转所述子逆向脉冲的偏振态，并将旋转后的所述子逆向脉冲发送至所述放大单元； G :所述放大単元放大所述子逆向脉冲，并将放大后的所述子逆向脉冲发送至所述走离与合波单元； H:所述走离与合波単元将所述子逆向脉冲回偏合波为逆向脉冲后发送至所述分束单元; I:所述分束単元反射输出所述逆向脉冲。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，所述旋转单元将所述子输入脉冲的偏振态旋转45° ;所述步骤F中，所述旋转単元将所述子逆向脉冲的偏振态旋转45。。
全文摘要
本发明公开了一种高能量时分脉冲放大系统及方法，涉及激光脉冲领域。所述系统包括分束单元、走离与合波单元、放大单元、旋转单元和反射单元；分束单元，用于将输入脉冲和逆向脉冲相分离；走离与合波单元，连接分束单元，用于将输入脉冲偏振走离为多个子输入脉冲，以及将子逆向脉冲回偏合波为逆向脉冲；放大单元，连接走离与合波单元，用于放大子输入脉冲和子逆向脉冲；旋转单元，连接放大单元，用于旋转子输入脉冲和子逆向脉冲的偏振态；反射单元，连接旋转单元，用于反射子输入脉冲得到子逆向脉冲。所述系统及方法，解决了现有技术无法通过脉冲展宽与压缩方式对纳秒级以上非啁啾的脉冲进行放大的问题。
文档编号G02F1/39GK102692782SQ20121016824
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者巩马理, 张海涛, 柳强, 郑超, 闫平, 黄磊 申请人:清华大学