激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统及方法与流程

本申请涉及激光技术领域，尤其是涉及一种激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统及激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法。

背景技术：

随着激光技术的发展，脉冲激光应用越来越广，脉冲能量、功率越来越高，脉宽也越来越窄，从纳秒开始发展到皮秒、飞秒，进入超快领域。为了得到高能量和高功率，脉冲激光的产生方式也从单级振荡方式，开始使用再生放大、行波放大等方式，这样可以在获得高能量和高功率时，仍保持脉宽和重复频率不变。

行波放大因其简洁高效的放大方式，重复频率和脉冲类型多样，灵活方便可调，例如burst脉冲串模式、位置同步输出(pso)脉冲模式等，非常受下游激光加工的欢迎。但由于种子信号光较弱(光纤或者固体振荡源、半导体电调制激光脉冲)，占空比较低，而激光放大对高能量高功率的追求，又需要有尽可能高的增益，当增益到一定程度时，非常容易产生ase(放大自发辐射)、寄生振荡等非信号放大光，在不应有光输出时产生连续光，在时域上表现出连续光基底，导致放大激光脉冲能量下降、对比度降低，光束质量恶化等影响，对激光加工的使用产生非常不利的影响。因此，在激光放大器中，这种高增益和低连续光成分往往存在矛盾，难以兼得。

为了抑制行波放大中产生的连续成分，目前虽然有多种方式，如采用激光晶体面切小斜角、增加级数，以及多级间增加小孔光阑、隔离器和滤波器拦截等，虽然有一定的效果，但都无法大幅减少连续成分。另外一种可大幅度减少连续成分的方法是大幅度降低放大器的增益，虽然实现了降低连续成分，但对放大的能量和功率又有极大的影响。因此，以上这些方法无法在大幅减少连续成分的同时，仍然保持放大器的高增益。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统及激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法，以在一定程度上解决现有技术中激光高脉冲能量放大中存在的较多连续成分，影响放大脉冲能量、脉冲对比度，影响激光加工效果的技术问题。

本申请提供了一种激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，包括：

种子源，用于发出脉冲信号光；

至少一个放大器，所述放大器的输入端与所述种子源的出光端口连接；

信号处理装置，与其中一个所述放大器的输出端连接。

在上述技术方案中，进一步地，所述信号处理装置被设定有开门状态和关门状态；

所述脉冲信号光经过所述信号处理装置时，所述信号处理装置处于开门状态；

所述脉冲信号光离开所述信号处理装置时，所述信号处理装置处于关门状态。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述信号处理装置包含信号同步器和调制器，所述调制器包含驱动器和q开关头，所述信号同步器能够检测信号光脉冲用于触发所述驱动器并输出调制脉冲信号，所述调制脉冲信号作用于所述驱动器，所述驱动器产生射频信号或者高压信号作用于所述q开关头，以形成周期性开关门效果。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述q开关头为声光型或电光型，形式上是光纤型，或者是空间型。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述调制器的调制时序与所述脉冲信号光的时序相同，且所述调制器的调制信号占空比大于等于所述脉冲信号光的占空比；

所述调制器的频率与所述脉冲信号光的频率相同。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述驱动器为声光驱动器或电光驱动器。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述信号处理装置为可饱和吸收体光开关，在有光脉冲时漂白开门通过，无脉冲只有基底连续成分时吸收关门拦截。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述放大器为光纤型放大器或固体增益介质类放大器。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述放大器的放大级数为n级，其中n为正整数。

本申请还提供了一种激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法，包括上述任一技术方案所述的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，并执行以下步骤：

启动激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统；

设定信号同步器的光电参数，如重复频率(与信号光相同)、脉宽(开门时长)等；

分光抽样探测光脉冲信号；

调节信号同步器的延迟时间和脉宽，加载信号到调制器使开关门时间与信号光脉冲同步，既使脉冲完全通过，又能及时关门；

测量分析比对最终放大输出的激光脉冲能量、脉冲稳定性和光束质量。

进一步地，所述分光抽样探测光脉冲的首个信号为触发脉冲，所述触发脉冲用作所述信号处理装置的触发信号；

所述信号发生器产生一定脉宽的调制信号，频率与信号光相同，经过一定的延时，加载到调制器上产生周期性开关门效果，与信号光脉冲时间同步。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统包括：种子源、放大器以及信号处理装置，其中种子源用于发出脉冲信号光，脉冲信号光能够经放大器放大，同时保持脉宽和频率不变，放大器设置有输入端以及输出端，本实施例中放大器的数量为至少一个，具体地，种子源可以为现有技术常见的激光器，当放大器的数量为一个时，种子源的出光端口面对放大器输入端，或者种子源的出光端口与放大器的输入端进行连接，使得种子源发出的脉冲信号光能够进入放大器，放大器对种子源发出的脉冲信号光进行放大，放大器的输出端与信号处理装置连接，信号处理装置对经放大器输出的信号光进行处理；当放大器的数量为多个时，其中一个放大器与种子源的出光端口对接，其余放大器顺次排布，使得多个放大器对种子源发出的脉冲信号光依次进行放大，信号处理装置设置于其中两个放大器之间，或者设置于最末端放大器的输出端。

此外，需要说明的是，信号处理装置的数量同样为至少一个，根据需要对信号光的连续成分的去除程度适当增减信号处理装置的数量，但信号处理装置的设置位置应位于两放大器之间或最末端的放大器的输出端，使得每一个信号处理装置能够处理位于该信号处理装置的前一位的放大器输出的信号光。

可见，本申请提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，通过设置信号处理装置，在种子信号光放大的同时，拦截了大部分的ase，且能够避免多级放大系统形成的寄生振荡，避免继续放大或者与信号光一起输出，这样既不影响放大器的高增益，也降低了ase和寄生振荡的传输和放大，最终大幅减少激光脉冲中的连续成分，提高了脉冲能量、对比度和光束质量。

本申请提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法，包括上述所述的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，并执行以下步骤：启动激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统；

设定信号同步器的光电参数，如重复频率(与信号光相同)、脉宽(开门时长)等；

分光抽样探测光脉冲信号；

调节信号同步器的延迟时间和脉宽，加载信号到调制器使开关门时间与信号光脉冲同步，既使脉冲完全通过，又能及时关门；

测量分析比对最终放大输出的激光脉冲能量、脉冲稳定性和光束质量。

通过使用本激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统并执行工艺上操作步骤，能够拦截大部分在经放大过程中产生的ase和寄生振荡，同时不影响放大器的增益效果，大幅度减少信号光的连续成分，提高放大后激光脉冲能量、对比度和光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统的又一结构示意图；

图3为本申请实施例提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统的部分结构示意图；

图4为本申请实施例提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统的另一部分结构示意图。

附图标记：

1-种子源，2-放大器，3-信号处理装置，4-信号同步器，5-调制器，6-驱动器，7-q开关头。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。

基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面参照图1至图4描述根据本申请一些实施例所述的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统及激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法。

实施例一

参见图1至图4所示，本申请的实施例提供了一种激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，包括：种子源1，用于发出脉冲信号光；

至少一个放大器2，放大器2的输入端与种子源1的出光端口连接；

信号处理装置3，与其中一个放大器2的输出端连接。

本申请提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统包括：种子源1、放大器2以及信号处理装置3，其中种子源1用于发出脉冲信号光，脉冲信号光能够经放大器2放大，同时保持脉宽和频率不变，放大器2设置有输入端以及输出端，本实施例中放大器2的数量为至少一个，具体地，种子源1可以为现有技术常见的激光器，可以但不限于为光纤激光器、固体脉冲激光器、或者是半导体电调制脉冲激光器，脉宽是fs、ps、ns或者μs，重复频率从1hz到几百mhz，功率是nw、μw或者mw级的种子弱信号光。当放大器2的数量为一个时，种子源1的出光端口面对放大器2输入端，或者种子源1的出光端口与放大器2的输入端进行连接，使得种子源1发出的脉冲信号光能够进入放大器2，使得放大器2对种子源1发出的脉冲信号光进行放大，放大器2的输出端与信号处理装置3连接，信号转化装置对经放大器2输出的信号光进行处理；当放大器2的数量为多个时，其中一个放大器2与种子源1的出光端口对接，其余放大器2顺次排布，使得多个放大器2对种子源1发出的脉冲信号光依次进行放大，信号处理装置3设置于其中两个放大器2之间，或者设置于最末端放大器2的输出端。

信号处理装置3包含信号同步器4和调制器5，信号同步器4可检测信号光脉冲用于触发，可以输出调制脉冲信号，脉冲信号可以设置延迟时间、脉宽和重复频率，调制脉冲信号作用于调制器5，调制器5包含驱动器6和q开关头7，驱动器6产生调制的射频信号或者高压信号作用q开关头7，形成周期性的调制效果，达到开关门的目的。

此外，需要说明的是，信号处理装置3的数量同样为至少一个，根据需要对信号光的连续成分的去除程度适当增减信号处理装置3的数量，但信号处理装置3的设置位置应位于两放大器2之间或最末端的放大器2的输出端，使得每一个信号处理装置3能够处理位于该信号处理装置3的前一位的放大器2输出的信号光，本申请中，优选信号处理装置3的数量为一个，这样的设置目的在于根据连续成分抑制的程度要求，减少信号处理装置3对放大系统的功率损耗，降低系统的复杂性，并不代表实际使用的固有设定。

可见，本申请提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，通过设置信号处理装置3，在种子信号光放大的同时，拦截了大部分的ase，能够避免多级放大系统形成的寄生振荡，避免继续放大或者与信号光一起输出，这样既不影响放大器2的高增益，也降低了ase和寄生振荡的传输和放大功率，最终大幅减少激光脉冲中的连续成分，提高了脉冲能量和光束质量。

优选地，信号处理装置3中q开关头7声光型或电光型，形式上是光纤型，或者是空间型。

进一步地，驱动器6可以为声光驱动器或电光驱动器；当q开关头7为声光型时选用声光驱动器；当q开关头7为电光型时选用电光驱动器。

进一步地，信号处理装置3被设定有开门状态和关门状态；

脉冲信号光经过信号处理装置3时，信号处理装置3处于开门状态；

脉冲信号光离开信号处理装置3时间，信号处理装置3处于关门状态。

在该实施例中，信号处理装置3中调制器5可以为现有技术中的声光调制器，具体地说，调制器5的q开关头7为声光型q开关头；当经放大器2释放并输入声光调制器的信号光经过声光调制器时，声光调制器对信号光叠加变化的声场，信号光和声场相互作用，使得经声光调制器出射的信号光具有随时间变化的衍射光，使得信号光受到调制，调制频率与光脉冲频率相同，重要的是，当信号光有脉冲经过声光调制器时，声光调制器处于开门状态，脉冲放大光路不受影响；无脉冲时马上关门，衍射光路与脉冲放大光路空间上分离，ase被衍射调制，更无法与后级放大器2形成寄生振荡，在不影响放大器2放大增益效果的基础有效减少经过放大的信号光中的连续成分。

信号处理装置3中调制器5还可以为现有技术中的电光调制器，即q开关头7为电光型q开关头；利用电光调制器的电光晶体具备的电光效应影响电光晶体的折射率，使得信号光经过电光调制器时，由于加载的周期性变化高压引起电光晶体的光波特性变化，实现周期性的调制，所起的作用以及工作过程与上述相同，但经实际比对、分析，由于放大后的脉冲能量较大，电光晶体容易产生退偏效应，降低了偏振度，在脉冲信号光离开或者脉冲信号光未进入电光调制器，电光调制器本应处于关门状态时，易出现关门关不死，易漏出ase和寄生振荡的现象，也就是说电光调制器对信号光中的有效成分的去除效果稍差于声光调制器。

在本申请的一个实施例中，优选地，调制器5的调制时序与脉冲信号光的时序相同，且调制器5的占空比大于或等于脉冲信号光的占空比。

进一步地，调制器5的频率与脉冲信号光的频率相同。

在该实施例中，以声光调制器为例进行说明，通过对声光调制器设定相应的光电参数，如频率、开门、关门的时序等必要参数，确保声光调制器的频率与脉冲信号光的频率相同，使得声光调制器的声场能够与信号光叠加，同时，声光调制器的开门、关门的时序与脉冲信号光经过声光调制器的时序对应，也就是说，当首个脉冲信号光(首个脉冲信号)经过声光调制器时刚好能够触发声光调制器开门，此外，声光调制器的占空比稍大于脉冲信号光的占空比，使得声光调制器的调制范围能够覆盖所有脉冲信号光，确保对信号光的连续成分的去除效果。

在本申请的一个实施例中，优选地，信号处理装置3为可饱和吸收体光开关，在有较高光脉冲(较高光脉冲为脉冲高于种子源1发出的信号的信号脉冲)通过时，或者说，在有光脉冲时漂白开门通过，无脉冲只有基底连续成分时吸收关门拦截。

在该实施例中，信号处理装置3还可以为可饱和吸收体，上述声光调制器、电光调制器是以主动的方式对光信号进行调制，而可饱和吸收体则是以被动的方式对光信号进行调制，利用饱和吸收体具备的有脉冲时漂白通过，无脉冲时损耗拦截的特性，但经过实际分析比对，可饱和吸收体对光信号的连续成分的去除效果不如声光调制器的去除效果。

在本申请的一个实施例中，优选地，放大器2为光纤型放大器2或固体增益介质放大器2。

优选地，放大器2的放大级数为n级，其中n为正整数。

在该实施例中，本申请的放大器2具体为多级行波放大器2，放大器2的放大级数可由放大器2的数量而定，优选地，放大级数n为四级左右，当然，并不仅限于此，放大器2具体可以但不限于为光纤型放大器2或固体增益介质放大器2，能够将微弱的信号光放大到瓦级乃至百瓦级以上的强光，同时保持脉宽和频率不变。

实施例二

本申请的实施例二还提供一种激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法，包括上述实施例一所述的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统，因而，具有该激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统的全部有益技术效果，相同的技术特征及有益效果不再赘述。

具体地，本实施例提供的激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制方法具体执行以下步骤：

启动激光脉冲行波放大过程中连续成分抑制系统；

设定信号同步器的光电参数，如重复频率(与信号光相同)、脉宽(开门时长)等；

分光抽样探测光脉冲信号；

调节信号同步器的延迟时间和脉宽，加载信号到调制器使开关门时间与信号光脉冲同步，既使脉冲完全通过，又能及时关门；

测量分析比对最终放大输出的激光脉冲能量、光束质量和脉冲稳定性。

优选地，探测到的首个脉冲信号为触发脉冲，触发脉冲用作信号处理器的同步起始信号；

信号同步器设定合适的脉宽(开门时长)，合适的延迟时间，与信号光脉冲时间同步。

具体地，包括启动种子源、启动放大器、启动信号处理装置，设定信号同步器相应的光电参数，如声光调制器的频率、脉宽等，探测信号光脉冲，当光脉冲信号进入信号同步器后，调节合适的延迟时间和脉冲调制参数加载到调制器上，使得后面每个光脉冲经过调制器时，正好处于开门状态，没有光脉冲时处于关门状态，确保调制器开关门时间与光脉冲通过时间一致。信号处理装置对经过的脉冲信号光进行调制，调制频率与信号光相同。

因ase和寄生振荡产生的连续光功率无法直接测量，示波器显示的脉冲对比度不明显，无法直接准确测量数值。因此采用在无信号光时测量连续功率，因为此时放大系统完全只有ase和寄生振荡产生的连续光，功率反应了放大系统自身产生连续成分的强弱。通过对比加入信号处理装置前后的功率，可以间接反应出连续成分的去除效果。虽然有信号光时，会降低连续成分产生的强度，但不影响对信号处理装置抑制连续成分效果的评估。另一种方法是信号光经放大后测量晶体的倍频效率，在同样的功率、重复频率、脉宽条件下，含有连续成分的程度会影响脉冲的能量和峰值功率，而光束质量、倍频聚焦参数相同时，脉冲能量和峰值的差别会直接影响倍频效率，通过对比加入信号处理装置前后的倍频效率，可以间接衡量连续光成分的抑制效果。具体以下述实例进行分析说明：

1mw、200khz、10ps的1064nm种子信号光，经过四级固体行波放大后功率达到130w，频率脉宽没有变化，光束质量因子m²<1.6。

关闭信号光时，整个四级放大结构可输出60.2w连续激光。加载信号光后，将放大后的1064nm激光准直，光斑直径1.5mm，经过ⅰ类lbo晶体(15mm长)后倍频绿光39.3w，倍频效率30.2％，效率不高，明显红外部分存在大量连续成分；

在一、二级放大之间插入80mhz声光调制器，设置脉宽10ns，延时4.86μs，重复频率与信号光相同，利用声光衍射效应实现开关门，同步激光脉冲，开关门时间与种子脉冲一致。加载信号光后，放大功率也因连续光成分减少而稍有降低，经过四级放大到121.0w，光束质量因子m²<1.5，光束质量得到改善。在关闭信号光时，四级放大结构输出9.1w连续光，明显得到减少。放大后同样经过准直，光斑直径仍是1.5mm，经过相同的倍频晶体，得到倍频绿光79.8w，倍频效率65.9％，效率大幅提高；

从放大器在无信号光进入时，连续光输出大幅减少，以及信号光脉冲放大后经过晶体倍频时，倍频效率得到大幅提高来看，放大脉冲中连续成分已大幅度减少。由此可见，这种放大可以有效较少放大器由于ase和寄生振荡等因素产生的连续成分，且仍保持放大器的高增益，可以有效提高脉冲能量和脉冲对比度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。