专利名称：提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统及其方法
技术领域：
本发明涉及光纤激光放大技术领域，尤其涉及一种提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统及其方法。
背景技术：
在光纤激光放大器中，为了获得单脉冲高能量输出，通常要求光纤激光放大器能够高效地提取脉冲能量。现有的光纤激光放大技术中，使重频远高于光纤增益介质上能级寿命倒数的高重频脉冲放大时，其能量提取效率可以达到70%以上。而使重频低于或接近于光纤增益介质上能级寿命倒数的低重频脉冲放大时，其能量提取效率通常只能达到30%左右。这是由于直接将低重频激光脉冲进行光纤放大时，脉冲间隙会产生严重的放大自发辐射，从而使输出脉冲的对比度变差，降低了光纤激光放大器的储能和单脉冲能量的放大能力，因而降低了光纤激光放大器的能量提取效率。随着高能量的低重频激光脉冲应用范围的扩大，如何提高低重频激光脉冲光纤放大的效率成为一个亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统及其方法，其能够有效地抑制低重频脉冲光纤放大时的放大自发辐射噪声，提高输出脉冲的对比度，从而能够有效地提高低重频激光脉冲光纤放大效率。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统， 包括高重频激光脉冲种子源、光纤输入装置、光纤放大装置、光纤分束装置和光纤延时传输装置；所述高重频激光脉冲种子源产生重复频率远高于光纤放大器增益介质的上能级寿命倒数的光脉冲并输出到所述光纤输入装置；所述光纤输入装置将高重频激光脉冲输入到所述光纤放大装置中，所述光纤放大装置使高重频激光脉冲高效率放大后输出到所述光纤分束装置；所述光纤分束装置包括时序控制开关和分束光纤，所述时序控制开关用于按时间顺序将输入的激光脉冲依次循环分配到η路所述分束光纤中，使输入的高重频脉冲在每一根分束光纤中的频率降为原来的1/η ；所述光纤延时传输装置包括安装于每一根分束光纤中的η个所述延时器，用于调节激光脉冲的延时。其中，所述系统还包括低重频脉冲输出装置，低重频脉冲输出装置包括准直透镜或者合束装置，所述合束装置包括辐照靶、低重频脉冲输出合束器和振幅调制器。其中，所述高重频激光脉冲种子源包括固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
其中，高重频激光脉冲种子源包括重频倍增装置，重频倍增装置包括光纤分束装置、分束支路延迟器和光纤合束器，用于当输出光脉冲的重复频率不满足远高于光纤放大器增益介质的上能级寿命倒数的条件时，提高输出光脉冲的重复频率；其中，分束支路的分束延迟时间为等差数列，延迟时间公差等于高重频的脉冲间隔周期；分束光纤数等于输出的高重复频率与输入的低重复频率比值。其中，所述光纤输入装置包括高重频激光脉冲种子源的光纤耦合系统、模场适配器以及传输光纤。其中，所述光纤放大装置包括增益光纤、泵浦激光器和泵浦信号耦合器。一种利用前述系统提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法，包括以下步骤Si，产生高重频激光脉冲序列并通过光纤输入装置输入；S2，通过光纤放大装置使高重频激光脉冲放大产生单脉冲能量增长的脉冲序列；S3，利用时序控制开关，将输入的高重频激光脉冲序列按时间顺序依次循环分配到η路分束光纤中，使输入的高重频激光脉冲在每一根分束光纤中的频率降为原来的1/η， 产生低重频激光脉冲序列；S4，利用光纤延时传输装置调节每路分束光纤中激光脉冲序列的延时，使所述低重频激光脉冲序列输出。其中，所述的步骤S4中，使所述低重频激光脉冲序列输出包括使低重频激光脉冲序列以直接光纤输出、空间光准直输出或者组合输出方式输出。其中，所述的组合输出方式包括多路脉冲同步叠加高能量脉冲耦合输出、多路脉冲轻微异步任意波形组合输出和多路光纤耦合打靶输出的方式。其中，所述的步骤Sl进一步包括利用高重频激光脉冲种子源产生高重频激光脉冲序列和光纤耦合输入的步骤。(三)有益效果本发明通过使高重频激光脉冲序列高效率光纤放大，然后通过时序控制开关，将输入的高重频激光脉冲序列按时间顺序分配到多路光纤中，使高重频的激光脉冲序列转换为低重频激光脉冲序列，实现了低重频脉冲序列高效光纤放大，有效地抑制了放大自发辐射噪声，并且提高了能量提取效率，本发明还可以使所产生的低重频激光脉冲序列灵活进行各种直接多路输出或者各种合束输出，包括低重频脉冲同步叠加、多路聚焦打靶、轻微异步任意波形生成等输出方式的选择，在高效放大的同时还可以使低重频激光脉冲获得各种应用。
图1为本发明的实施例中所述提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统结构示意图；图2为本发明的实施例中所述重频倍增装置的示意图；图3为本发明实施例中所述低重频脉冲组合输出方式之一利用多路低重频激光脉冲序列耦合打靶的示意图；图4为本发明实施例中所述低重频脉冲组合输出方式之二 利用多路同步低重频激光脉冲序列叠加产生低重频高能量脉冲序列的示意图5为本发明的实施例中所述低重频脉冲组合输出方式之三利用多路轻微异步低重频激光脉冲序列组合产生低重频任意波形脉冲序列的示意图；图6为提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法流程图。其中，1 高重频激光脉冲种子源，2 光纤输入装置，3 光纤放大装置，4 光纤分束装置，4-1 时序控制开关，4-2 分束光纤，5 光纤延时传输装置，5-1 延时器，6 低重频脉冲输出装置，7 种子耦合输入光纤，8 种子光纤分束器，9 种子光纤延迟器；10 种子光纤振幅调制器；11 种子光纤合束器；12 准直透镜，13 辐照靶，14 低重频脉冲输出合束器， 15 振幅调制器。
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，本发明提供的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，包括高重频激光脉冲种子源1、光纤输入装置2、光纤放大装置3、光纤分束装置4和光纤延时传输装置5 ；所述高重频激光脉冲种子源1产生重复频率远高于光纤放大器增益介质的上能级寿命倒数的光脉冲并输出到所述光纤输入装置2 ；所述高重频激光脉冲种子源1包括固体激光器、半导体激光器或光纤激光器；所述光纤输入装置2包括高重频激光脉冲种子源1 的光纤耦合系统、模场适配器以及传输光纤；光纤输入装置2将高重频激光脉冲输入到所述光纤放大装置3中，光纤放大装置 3使高重频激光脉冲放大后输出到光纤分束装置4 ；所述光纤放大装置3包括增益光纤、泵浦激光器和泵浦信号耦合器；所述光纤分束装置4包括时序控制开关4-1和分束光纤4-2，时序控制开关4_1用于按时间顺序将输入的激光脉冲依次循环分配到η路分束光纤4-2中，使输入的高重频脉冲在每一根分束光纤4-2中的频率降为原来的1/η ；所述光纤延时传输装置5包括安装于每一根分束光纤4-2中的η个延时器5_1，用于调节激光脉冲的延时。优选地，所述系统还包括低重频脉冲输出装置6，低重频脉冲输出装置包括准直透镜12或者合束装置，所述合束装置包括辐照靶13、低重频脉冲输出合束器14和振幅调制器15。其中，高重频激光脉冲种子源1包括重频倍增装置，重频倍增装置包括光纤分束装置、分束支路延迟器和光纤合束器，用于当输出光脉冲的重复频率不满足远高于光纤放大器增益介质的上能级寿命倒数的条件时，提高输出光脉冲的重复频率；其中，分束支路的分束延迟时间为等差数列，延迟时间公差等于高重频的脉冲间隔周期；分束光纤数等于输出的高重复频率与输入的低重复频率比值。如图6所示，本发明提供的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法，包括以下步骤Si，产生高重频激光脉冲序列并通过光纤输入装置2输入；本步骤中，利用高重频激光脉冲种子源1产生高重频激光脉冲序列，利用光纤耦合输入并通过光纤输入装置将产生的高重频激光脉冲序列光纤放大器3中。S2，通过光纤放大装置3使高重频激光脉冲放大产生单脉冲能量增长的脉冲序列；目前，高重频激光脉冲光纤放大技术可以有效抑制放大自发辐射噪声，从而获得较高的单脉冲能量提取效率，如掺镱光纤放大器重频在20kHz以上时，通过放大器参数优化，单脉冲能量提取效率通常可以达到70%以上，可以获得70%以上的能量提取效率，与 IOkHz以下的低重频脉冲光纤直接放大相比，提取效率可以提高50%左右，用高重频脉冲作为种子进行光纤放大，是有效抑制放大自发辐射噪声，提高放大器效率的有效途径。S3，利用时序控制开关4-1，将输入的高重频激光脉冲序列按时间顺序依次循环分配到η路分束光纤4-2中，使输入的高重频激光脉冲在每一根分束光纤4-2中的频率降为原来的1/η，产生低重频激光脉冲序列；本步骤中，将被高效放大的高重频脉冲转换为低重频脉冲序列，既保持了单脉冲能量放大效果的高效性，又获得了低重频输出。S4，利用光纤延时传输装置调节每路分束光纤4-2中激光脉冲序列的延时，使所述低重频激光脉冲序列输出。本步骤中，利用在每路分束光纤4-2中加入的延时器5-1，根据激光脉冲的输出需要选择合适的延时，例如需要η根光纤的脉冲同步输出，则相邻两根光纤的延时增加Τ。本步骤中，使所述低重频激光脉冲序列输出包括使低重频激光脉冲序列以直接光纤输出、空间光准直输出或者组合输出方式输出，所述的组合输出方式包括多路脉冲同步叠加高能量脉冲耦合输出、多路脉冲轻微异步任意波形组合输出和多路光纤耦合打靶输出的方式。如图3所示，调节延时器5-1使脉冲同步，经准直透镜将多路光纤引向辐射靶体例如球形靶，使多路激光均勻辐照在靶体表面；如图4所示，调节延时器5-1使脉冲同步，利用低重频脉冲输出合束器将多路光纤输出的脉冲序列合为一路，可直接应用于需要极高单脉冲能量的领域，也可以耦合进高损伤阈值和高非线性阈值的无源光纤中继续传输后再加以利用；如图5所示，通过延时器5-1调节脉冲延时，并调节输出光纤的振幅调制器，使各路脉冲序列时间上轻微错开且幅度不同，再利用低重频脉冲输出合束器将η根光纤输出脉冲序列合为所需形状的脉冲序列。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
1.一种提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，其特征在于，包括高重频激光脉冲种子源(1)、光纤输入装置(2)、光纤放大装置(3)、光纤分束装置(4)和光纤延时传输装置(5)；所述高重频激光脉冲种子源(1)产生重复频率远高于光纤放大器增益介质的上能级寿命倒数的光脉冲并输出到所述光纤输入装置(2)；所述光纤输入装置(2)将高重频激光脉冲输入到所述光纤放大装置(3)中，所述光纤放大装置(3)使高重频激光脉冲放大后输出到所述光纤分束装置(4)；所述光纤分束装置(4)包括时序控制开关(4-1)和分束光纤(4-2)，所述时序控制开关(4-1)用于按时间顺序将输入的激光脉冲依次循环分配到η路所述分束光纤(4-2)中， 使输入的高重频脉冲在每一根分束光纤(4-2)中的频率降为原来的1/η ；所述光纤延时传输装置(5)包括安装于每一根分束光纤(4-2)中的η个所述延时器 (5-1)，用于调节激光脉冲的延时。
2.如权利要求1所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，其特征在于，还包括低重频脉冲输出装置(6)，所述低重频脉冲输出装置包括准直透镜(12)或者合束装置， 所述合束装置包括辐照靶(13)、低重频脉冲输出合束器(14)和振幅调制器(15)。
3.如权利要求2所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，其特征在于，所述高重频激光脉冲种子源(1)包括固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
4.如权利要求1所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，其特征在于，所述高重频激光脉冲种子源(1)包括重频倍增装置，重频倍增装置包括种子耦合输入光纤 (7)、种子光纤分束器(8)、种子光纤延迟器(9)、种子光纤振幅调制器(10)和种子光纤合束器(11)，用于当输出光脉冲的重复频率不满足远高于光纤放大器增益介质的上能级寿命倒数的条件时，提高输出光脉冲的重复频率。
5.如权利要求1所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，其特征在于，所述光纤输入装置(2)包括高重频激光脉冲种子源(1)的光纤耦合系统、模场适配器以及传输光纤。
6.如权利要求1所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统，其特征在于，所述光纤放大装置(3)包括增益光纤、泵浦激光器和泵浦信号耦合器。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的系统提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法，其特征在于，包括以下步骤Si，产生高重频激光脉冲序列并通过光纤输入装置(2)输入；S2，通过光纤放大装置(3)使高重频激光脉冲放大产生单脉冲能量增长的脉冲序列；S3，利用时序控制开关(4-1)，将输入的高重频激光脉冲序列按时间顺序依次循环分配到η路分束光纤(4-2)中，使输入的高重频激光脉冲在每一根分束光纤(4-2)中的频率降为原来的1/η，产生低重频激光脉冲序列；S4，利用光纤延时传输装置调节每路分束光纤(4-2)中激光脉冲序列的延时，使所述低重频激光脉冲序列输出。
8.如权利要求7所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法，其特征在于，所述的步骤S4中，使所述低重频激光脉冲序列输出包括使低重频激光脉冲序列以直接光纤输出、空间光准直输出或者组合输出方式输出。
9.如权利要求8所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法，其特征在于，所述的组合输出方式包括多路脉冲同步叠加高能量脉冲耦合输出、多路脉冲轻微异步任意波形组合输出和多路光纤耦合打靶输出的方式。
10.如权利要求7所述的提高低重频激光脉冲光纤放大效率的方法，其特征在于，所述的步骤Sl进一步包括利用高重频激光脉冲种子源(1)产生高重频激光脉冲序列和光纤耦合的输入步骤。
全文摘要
本发明公开了一种提高低重频激光脉冲光纤放大效率的系统及其方法，涉及光纤激光放大技术领域，所述系统包括高重频激光脉冲种子源、光纤输入装置、光纤放大装置、光纤分束装置和光纤延时传输装置；所述高重频激光脉冲种子源，为固体激光器、半导体激光器或光纤激光器；所述光纤输入装置，包括高重频激光脉冲种子源的光纤耦合系统、模场适配器以及传输光纤；所述光纤放大装置包括增益光纤、泵浦激光器和泵浦信号耦合器；所述光纤分束装置包括时序控制开关和分束光纤；所述光纤延时传输装置包括安装于每一根分束光纤中的n个延时器；本发明能够有效地抑制放大自发辐射，提高输出脉冲的对比度，从而使得低重频激光脉冲光纤放大的效率显著提高。
文档编号H01S3/10GK102263367SQ20111016267
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者巩马理, 张海涛, 柳强, 程文雍, 阎平, 黄志华, 黄磊 申请人:清华大学