一种中心频率稳定功率放大的激光脉冲产生装置的制作方法

本发明涉及光学装置领域，尤其涉及一种使用光学谐振腔增强的光脉冲产生方法。

背景技术：

在光与物质相互作用的实验中，如受激拉曼散射，四波混频等，通常要求激光有着稳定的中心频率，以实现激光与原子能级共振或稳定的失谐。同时为增加相互作用强度，尤其是对非线性光学过程而言，要求激光有尽可能高的功率密度。

脉冲激光器使用锁模和调Q的方式来将能量汇集到较短的脉冲中以实现较高的能量汇聚。过短的脉冲宽度会使得频率展宽太大，从而导致能量利用率不高。而且脉冲激光的脉冲宽度不易调节，难以满足许多应用中需要不同带宽的激光脉冲序列。另外与连续光激光器相比，脉冲激光器没有有效的稳定中心频率的办法，难以满足某些应用的需求。

与脉冲激光器相比，连续波激光可以通过外加参考腔的方式来稳定中心频率，所以大多要求中心频率稳定的应用都使用连续波激光斩波来得到所需的脉冲，但使用连续光就面临着功率不足的问题。如参考文献《Phys.Rev.A.93.032327(2016)》提到，在稀土掺杂晶体中实现原子频率梳的自旋波存储的实验中，为了实现宽带宽存储需要宽带、高能量脉冲，使用目前的连续光斩波方法，实现2MHz存储带宽使用了约600mW的激光功率。其存储带宽被有限的激光功率所限制，若要实现更高的存储带宽，则需要更高的脉冲峰值功率。

一种由连续激光产生脉冲激光的方式称作腔倒空，如专利CN103594916A和US3577097，其方式是将激光器的增益介质置于腔内，在腔共振时，增益介质接受泵浦产生共振激光，在腔不共振时光束射出腔外。由于增益介质在频率上有较宽的增益范围，这种腔倒空方式会在腔内产生多个纵模，出射光也为多个频率光的叠加。同时由于腔长的相对不稳定，导致激光的频率也难以稳定，从而不能用于对频率稳定性要求高的应用。

因此本发明提供了一种可以将中心频率稳定的连续光转换成脉冲光，同时增加峰值功率的方法，该方法输出中心频率稳定的光脉冲，峰值功率得到放大，并且脉冲宽度及重复频率可调。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种中心频率稳定功率放大的激光脉冲产生装置，用于解决现有激光脉冲产生装置中心频率不稳定，脉冲峰值功率低，脉冲宽度不可调的问题。

(二)技术方案

基于上述问题，本发明提出一种中心频率稳定功率放大的激光脉冲产生装置。该装置包括：连续波激光器、频率稳定装置、光学谐振腔和光学斩波装置。其中：

连续波激光器用于产生连续波激光；

频率稳定装置用于稳定激光器的中心频率；

光学谐振腔用于对稳定了中心频率的连续波激光实现共振和功率放大；

光学斩波装置位于光学谐振腔内，用于将连续波激光斩波产生脉冲光。上述频率稳定装置可以将连续波激光器的中心频率稳定在其参考腔的线宽以内。

上述光学谐振腔光功率的放大倍数通过改变腔镜镀膜的反射率来调节。

上述光学谐振腔可以为F-P腔、双凹腔等驻波腔、蝶形腔或其他环形行波腔。

上述光学谐振腔使用实时反馈锁腔的方法实现共振，锁腔方法为PDH、边带锁腔方法或其他锁腔方法。

上述光学斩波装置可接收电脉冲信号控制以实现开启或关闭。

上述光学斩波装置可以是声光调制器或普克尔盒加上偏振分束器。

(三)有益效果

本发明提出的一种中心频率稳定功率放大的激光脉冲产生装置，可以在中心频率稳定的连续光基础上，实现脉冲峰值功率的放大，并且脉冲宽度和重复频率均可调。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的实验光路图；

图2为通过图1所示光学装置和单次通过声光调制器的峰值功率对比图；

图3为图1所示光学装置中输出的脉冲波形图；

图4为图1所示光学装置中未加光学谐振腔时输出的脉冲波形图；

图5为图1所示光学装置中重复频率对峰值功率平均值和平均功率计算值的影响曲线图；

图6为图1所示光学装置中重复频率对峰值功率最大值和平均功率实测值的影响曲线图；

图7为图1所示光学装置中声光调制器衍射效率调低情况下不同脉宽时输出的脉冲波形图。

【附图标记说明】

1-连续激光器； 2-激光器控制箱；

3-锁腔模块； 4-部分反射镜；

5-第一电光调制器； 6-第二电光调制器；

7-参考腔； 8-第一光电探测器；

9-第二光电探测器； 10-第一平面腔镜；

11-第二平面腔镜； 12-压电陶瓷；

13-第一平凹腔镜； 14-第二平凹腔镜；

15-光学斩波装置； 16-全反射镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明中连续波激光器用于产生连续波激光，包括连续激光器和激光器控制箱，其中连续激光器的波长无限制，可为紫外光、可见光或红外光。

本发明中频率稳定装置用于稳定激光器的中心频率，包括电光调制器、参考腔和光电探测器。其中，电光调制器用于产生激光边带，该边带用于产生误差信号；参考腔用于标定激光频率，激光的频率由参考腔腔长决定，参考腔的腔长足够稳定，可以保证激光频率的稳定；光电探测器用于将光信号转换为电信号并反馈给连续波激光器的激光器控制箱，激光器控制箱根据反馈来调整激光器内腔，以使得激光频率稳定的与参考腔共振，从而使激光中心频率得到稳定。

本发明中光学谐振腔用于实现激光共振，使腔内光功率得到放大，通过改变腔镜镀膜的反射率可控制腔内光功率的放大倍数。光学谐振腔可为F-P腔、双凹腔等驻波腔，也可以为蝶形腔或环形腔等行波腔。光学谐振腔使用PDH、边带锁腔方法或其他锁腔方法实现共振。典型的PDH锁腔方法包括电光调制器、光电探测器、压电陶瓷和锁腔控制器，其中，电光调制器用于接收锁腔控制器的信号，在原激光基础上产生调制边带；光电探测器用于将光信号反馈给控制器；压电陶瓷用于改变腔长，通常光学腔的一个反射镜粘在压电陶瓷上，压电陶瓷接收到不同的电压信号后厚度相应改变，从而改变腔镜的位置以实现腔长的改变；锁腔控制器用于控制谐振腔实现稳定共振，锁腔控制器产生信号传递给电光调制器从而产生激光调制带边，并解调来自光电探测器的信号得到误差信号，再通过误差信号得到应施加在压电陶瓷上的电压，从而使腔长保持不变，实现稳定的共振。

本发明中光学斩波装置用于将连续光斩波产生脉冲光，位于光学谐振腔内合适位置，以提高能量转移效率和开关速度。光学斩波装置可以为声光调制器或普克尔盒加偏振分束器。光学斩波装置由电脉冲信号控制开启和关闭。在斩波器关闭时，有着很高的透过率，激光入射到光学谐振腔内形成共振，光学谐振腔内光功率得到放大，放大倍数由光学谐振腔的性质决定；此时施加电脉冲以开启光学斩波装置，光束中大部分能量与原光束在空间中分离，即发生折射或反射，则腔内大部分能量会被折射出腔外，此折射出的光脉冲为输出光脉冲，其光脉冲峰值功率大于输入光的功率；当完成一次输出后，光学斩波装置关闭，腔内能量在重新积累达到最大值后，便可以进行下一次的输出。

由上述可知，通过控制光学斩波装置的开启和关闭，可以在开关速度允许的情况下产生任意宽度的脉冲光，所输出脉冲光的脉冲宽度在一定范围内可调。脉冲宽度的下限主要取决于斩波装置的开关速度，而上限主要取决于光学谐振腔的长度和光学斩波装置的能量转移效率，光学斩波装置开关速度越快，脉冲可以越窄；加长光学谐振腔或降低光学斩波装置的能量转移效率则可使脉冲变宽。另，脉冲光的重复频率主要限制因素为控制光学斩波装置的开关脉冲占空比和光学谐振腔内的能量积累时间。由于光学斩波装置在开启时无法锁腔，只有在占空比较低时光学谐振腔才能实现稳定的共振。所以，在脉冲宽度固定的情况下，重复频率越高，开关脉冲占空比越大，光学谐振腔的稳定性则越差。同时，为使输出能量不至于过低，开关脉冲周期应不低于能量积累时间。

实施例

图1为本发明一实施例提供的光路装置图，该装置包括连续波激光器、频率稳定装置、蝶形谐振腔和声光调制器15。其中：

连续波激光器包括波长为606nm的连续激光器1，和激光器控制箱2。该激光器可以接受外部信号来锁定激光器内腔。

频率稳定装置包括第一电光调制器5、参考腔7和第一光电探测器8。所述第一电光调制器5为15MHz的谐振型电光调制器，所述参考腔7为线宽为10KHz的超稳腔，所述第一光电探测器8为150MHz的光电探测器。

蝶形谐振腔包括：第二电光调制器6、第一平面腔镜10、第二平面腔镜11、第一平凹腔镜13、第二平凹腔镜14，全反射棱镜16、光电探测器9、压电陶瓷12及锁腔模块3。第一平凹腔镜13和第二平凹腔镜14朝向蝶形谐振腔的腔内面为凹面，曲率半径为10cm。通过在镜面对606nm激光镀膜，第一平面腔镜10的入射面反射率小于0.25％，出射面(面向腔内的一面)反射率为99±0.2％；第二平面腔镜11、第一平凹腔镜13、第二平凹腔镜14朝向腔内面的反射率大于99.95％。腔镜10、11、13、14构成蝶形谐振腔腔，第一平凹腔镜13与第二平凹腔镜14的间距为11cm，总腔长84cm，激光束腰位置位于第一平凹腔镜13与第二平凹腔镜14的中心。电光调制器6为15MHz的谐振型电光调制器，光电探测器9为150MHz硅探测器，用于收集第二平凹腔镜14的透射光。压电陶瓷12粘在第二平面腔镜11上，且压电陶瓷的位置被固定，当压电陶瓷接收到不同的电压信号时，其厚度会变化，同时改变第二平面腔镜11的位置，从而改变腔长。

作为光学斩波装置的声光调制器15位于蝶形谐振腔内的束腰位置。

在本实施例中，从连续激光器1出射的光，经过部分反射镜4后，少部分的光被反射后经过第一电光调制器5，进入参考腔7，则第一光电探测器8接收透过参考腔7的光信号，并反馈给激光器控制箱2。激光器控制箱2接收反馈信号，调整连续波激光器1的内腔，使得输出激光能够稳定的与参考腔7共振，从而实现激光器中心频率稳定在10KHz范围内。经过部分反射镜4后的折射光则经过电光调制器进入蝶形谐振腔实现光功率的放大，锁腔模块3产生15MHz信号给第二电光调制器6，并将第二光电探测器9传来的信号解调得到误差信号，再用此误差信号来控制压电陶瓷的电压，来使蝶形谐振腔稳定的与激光共振。声光调制器15接收电脉冲信号控制开关，声光调制器15关闭时，蝶形谐振腔腔内激光形成共振；在开启时，蝶形谐振腔腔内的能量约75％的光被折射，并被全反射棱镜16反射后收集。

图2为通过图1所示光学装置和单次通过声光调制器的峰值功率对比图。其中给声光调制器15施加的开光脉冲的重复频率为100Hz，根据不同的脉冲宽度绘制图上的点。从图中可以看到，声光调制器具有一定的开关速度，大约在15ns之后声光调制器才达到最高的折射效率。在本实例中，由本装置得到的脉冲光与不使用本装置的脉冲光相比，其脉冲峰值功率提升了18倍。

图3为图1所示光学装置中输出的脉冲波形图，由150MHz的硅探测器得到。在前12ns内，随着脉宽增加，输出光脉冲变强，12ns以后变化不明显。图中还可以看到，输出光脉冲波形随开关脉冲宽度的变化并不明显，这是因为本实例中使用的声光调制器15的开关速度不够快，在其完全打开时腔内能量已耗尽。理想的光学斩波器件应有快速的开关速度，其输出光脉冲更像是矩形脉冲，其得到的峰值功率也会有更高的放大倍数。另外，波形末尾处出现震荡，这是由于第二光电探测器9的响应特性造成的，实际的光脉冲不会有此震荡。

图4为图1所示光学装置中未加光学谐振腔时输出的脉冲波形图，可以看到其产生的折射光脉冲并不是理想的矩形脉冲，而是存在一个有限的开关速度。有限的开光速度使得在声光调制器完全打开之前腔内能量已经损耗掉，这也是限制放大倍数的因素之一。

图5为图1所示光学装置中重复频率对峰值功率平均值和平均功率计算值的影响曲线图，在脉冲宽度为4ns的情况下测得。由于在声光调制器15处于开启状态时无法有效锁腔，只有在开关脉冲占空比较短时才能锁住，因此在脉冲宽度不变的情况下，重复频率越高，则脉冲占空比也越高，从而使锁腔变得不稳定，进而使得平均峰值功率降低。因此如图所示，重复频率越高，受到锁腔的影响峰值功率越小。峰值功率乘以重复频率，可以反映出输出脉冲光的平均功率。图中的峰值功率为16个数据的平均值。

图6为图1所示光学装置中重复频率对峰值功率最大值和平均功率实测值的影响曲线图。由于锁腔效果的变差会概率性的影响输出脉冲，因此在锁腔效果不是特别差的情况下，峰值功率的最大值并不会受到锁腔影响。图中重复频率小于1MHz时，峰值功率基本不变，而平均功率随重复频率线性增长，可认为这段范围内锁腔不会变差；重复频率在1-2MHz时虽然峰值功率最大值没有降低，但平均功率的斜率减小，说明锁腔效果已经变差；重复频率再增加时，峰值功率整体变差，即重复频率低于1MHz时不会影响输出光功率，重复频率高于1MHz时会使输出光功率降低，则重复频率在1MHz以内可调。

图7为图1所示光学装置中声光调制器衍射效率调低情况下不同脉宽时输出的脉冲波形图。可以看到，脉冲在30ns之后基本呈现指数衰减。若设η为声光调制器衍射效率，L为总腔长，则可得腔内光功率P随时间t的变化关系：

$P=P_0\·\exp (-\frac{\mathrm{\ηt}}{L/c})$

使用30ns之后的数据拟合，得到声光调制器15的衍射效率约为9％。

从图中可以看到，输出光的脉冲宽度在10ns-60ns内保持着较好的波形，即可以实现10ns-60ns的脉宽可调。本实施例中为实现脉冲可调，虽然降低了声光调制器衍射效率，使峰值功率降低，但这时的峰值功率仍大于不加谐振腔的情况，即同样有增强效果。若希望不降低增强倍数同时使脉冲宽度可调，则应适当增加腔内的光程，便可在高放大倍数的情况下实现脉宽可调。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。