一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统、方法与流程

1.本发明属于激光控制技术领域，尤其涉及超快激光技术领域，具体涉及一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统、方法。


背景技术：

2.高能紫外脉冲激光器是当前实现工业精密加工的重要工具。近年来随着激光脉冲能量的不断提升，加工效率也随之提高，然而高能量的脉冲在与物质相互作用时会形成等离子体，严重干扰了后续脉冲再次作用于目标物质，减少激光能量耦合到待加工物质上，形成激光等离子体不稳定性。当前高能固态激光系统中通常采用时域相位调制的方式增加光脉冲序列的平滑性，然而单纯的相位调制产生的带宽远低于缓解激光等离子体效应所需的带宽，因此结合光谱调制技术，在时域和光谱上对脉冲串进行有效调制，降低激光等离子体效应，提高加工效率和质量成为业内亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.为提高能激光脉冲稳定性和带宽的问题，在本发明的第一方面提供了一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统，包括：脉冲光源、声光调制器、同步控制电路、倍频模块、波形整形器、光参量放大模块、延时模块以及和频模块，所述脉冲光源分别与声光调制器和同步控制电路连接，用于产生基频脉冲和同步控制电路所需的时钟信号；所述同步控制电路分别与声光调制器和波形整形器连接，用于向声光调制器和波形整形器提供不同的时序控制信号；所述声光调制器分别与倍频模块和波形整形器连接，用于在同步控制电路发出的时序控制信号驱动下，分别为波形整形器和倍频模块提供基频脉冲串以及调整基频脉冲串的包络；所述波形整形器与光参量放大模块连接，用于将所述基频脉冲串整形为信号光脉冲串；所述倍频模块，用于将所述基频脉冲串进行倍频；所述光参量放大模块分别与延时模块和频模块连接，用于根据信号光脉冲串和倍频后的基频脉冲串产生闲频光脉冲串；所述延时模块，用于对倍频后的基频脉冲串进行延时；所述和频模块，用于将闲频光脉冲串和延时后的基频脉冲串进行和频，产生紫外脉冲串。
4.在本发明的一些实施例中，所述同步控制电路还用于接收和转换脉冲光源产生的时序信号，并根据所述时序信号输出同步电信号。
5.在本发明的一些实施例中，所述倍频模块包括基频脉冲放大器和用于倍频的非线性晶体。
6.在本发明的一些实施例中，所述非线性晶体包括bbo、lbo或周期激化铌酸锂晶体。
7.在本发明的一些实施例中，所述光参量放大器基于不同波长的信号光和泵浦光，发生光学非线性晶体的二阶非线性效应，产生闲频光。
8.在本发明的一些实施例中，所述和频模块，基于光学非线性晶体的二阶非线性效应，其输出脉冲光的频率为所有输入光频率之和。
9.在上述的实施例中，在声光调制器与倍频模块之间还包括激放大器。
10.本发明的第二方面，提供了一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生方法，包括脉冲光源、声光调制器、同步控制电路、倍频模块、波形整形器、光参量放大模块、延时模块以及和频模块，具体步骤包括：基于脉冲光源产生基频脉冲和同步控制电路所需的时钟信号；基于同步控制电路向声光调制器和波形整形器提供不同的时序控制信号；在同步控制电路发出的时序控制信号驱动下，分别为波形整形器和倍频模块提供基频脉冲串以及调整基频脉冲串的包络；将所述基频脉冲串进行分光，其中一部分整形为信号光脉冲串，另一部分进行倍频；根据信号光脉冲和串倍频后的基频脉冲串产生闲频光脉冲串，并将串倍频后的基频脉冲串进行延时；将闲频光脉冲串和延时后的基频脉冲串进行和频，产生紫外脉冲串。
11.本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第二方面提供的时域和光谱形状可控的脉冲串产生方法。
12.本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明在第二方面提供的时域和光谱形状可控的脉冲串产生方法。
13.本发明的有益效果是：本发明实施例提供了时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统，首先分别对脉冲源产生的脉冲串进行时域调制和光谱调制，再利用光参量非线性过程对注入脉冲串的形状和光谱分别进行自由调节，本发明在保证紫外脉冲串产生效率的同时，提供了光谱形状和脉冲串包络形状的控制方法，实现对脉冲串光谱和包络形状的任意调节。
附图说明
14.图1为本发明的一些实施例中的时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统的基本结构示意图；图2a为本发明的一些实施例中的时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统的脉冲的时域调制过程示意图；图2b为本发明的一些实施例中的时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统的脉冲的光谱调制过程示意图；图3为本发明的一些实施例中的时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统的具体结构示意图；图4为本发明的一些实施例中的时域和光谱形状可控的脉冲串产生方法的流程示意图；图5为本发明的一些实施例中的电子设备的结构示意图。
15.附图标记101、脉冲光源；102、声光调制器；103、同步控制电路；104、倍频模块；105、波形整形器；106、光参量放大模块107、延时模块；108和频模块。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
17.在本发明的第一方面，提供了一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统，包括：脉冲光源、声光调制器、同步控制电路、倍频模块、波形整形器、光参量放大模块、延时模块以及和频模块，所述脉冲光源分别与声光调制器和同步控制电路连接，用于产生基频脉冲和同步控制电路所需的时钟信号；所述同步控制电路分别与声光调制器和波形整形器连接，用于向声光调制器和波形整形器提供不同的时序控制信号；所述声光调制器分别与倍频模块和波形整形器连接，用于在同步控制电路发出的时序控制信号驱动下，分别为波形整形器和倍频模块提供基频脉冲串以及调整基频脉冲串的包络；所述波形整形器与光参量放大模块连接，用于将所述基频脉冲串整形为信号光脉冲串；所述倍频模块，用于将所述基频脉冲串进行倍频；所述光参量放大模块分别与延时模块和和频模块连接，用于根据信号光脉冲串和倍频后的基频脉冲串产生闲频光脉冲串；所述延时模块，用于对倍频后的基频脉冲串进行延时；所述和频模块，用于将闲频光脉冲串和延时后的基频脉冲串进行和频，产生紫外脉冲串。
18.可以理解，根据非线性参量放大理论，非线性效应有明显的阈值特性，并且泵浦光的时域分布将影响产生闲频光的时域强度分布，而信号光的光谱形状将会影响闲频光的光谱形状；利用这一特性，可以通过调节脉冲时域和光谱形状，并在时序上控制非线性效应产生的过程，达到调节脉冲时域和光谱形状的目的。脉冲光源可以产生稳定的光脉冲序列，可以是锁模光纤激光器，调制半导体激光器或固体激光器。
19.参考图1，在一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统的具体实施例中，其包括：脉冲光源101、声光调制器102、同步控制电路103、倍频模块104、波形整形器105、光参量放大模块106、延时模块107、及和频模块108。脉冲光源101别与所述声光调制器102和同步控制电路103连接，用于产生基频脉冲和控制电路时钟信号；同步控制电路103与声光调制器102和波形整形器104连接，用于提供不同支路的时序控制信号；声光调制器102包括了电学控制端、光学输入端和光学输出端，其中电路控制接口与所述同步控制电路连接103，光学输入端和脉冲光源101连接，光学输出端口分成两部分，一部分与倍频模块104，另一部分和波形整形器105连接；其中倍频模块104用于产生基频脉冲串及调整脉冲串包络；波形整形器105与光参量放大模块106连接，用于提供经过光谱整形后的信号光；倍频模块104与光参量放大模块106连接，用于提供光参量放大需要的泵浦光；光参量放大器106利用倍频模块104输出的倍频激光作为泵浦光，利用波形整形器105输出的基频光作为信号光，用于产生可见光波段的闲频光；光参量放大器106输出光按照波长分别与延时模块107和和频模块108连接，倍频光经过所述延时模块后进入所述和频模块108，闲频光直接进入和频模块108与倍频光和频，产生紫外脉冲串。
20.可以理解，本发明中时域和光谱调制方法是一种时域和光谱形状可控的紫外脉冲串产生系统的核心步骤之一，其主要功能是利用对脉冲串包络不同位置分别进行时域调制和光谱调制，从而实现对紫外脉冲串的调制。因此在以下的实施例中对脉冲时域和光谱的调制过程进行详细描述，以更清楚地表达本发明的思想。
21.如图2所示，图2a和图2b分为是脉冲时域和光谱的调制过程：图2a示出了时域调制过程中的波形变化，包括：声光调制器输出的脉冲串201、倍频模块输出脉冲串202、波形整形器输出脉冲串203、光参量放大模块输出的残余倍频脉冲串204、光参量放大模块输出的闲频光脉冲串205和最终输出的紫外脉冲串206；具体时域调制过程为：声光调制器输出的
脉冲串201分为两部分，分别进入倍频模块和波形整形模块，通过同步控制电路信号控制，波形整形模块输出的脉冲串203与倍频模块输出脉冲串202存在延时；在进入光参量放大模块后，只有重合的部分发生参量放大，产生闲频光205；通过延时模块控制闲频光脉冲串205和残余倍频脉冲串204之间的延时，只有时域重合的部分发生和频效应，产生紫外脉冲串206；通过控制脉冲串之间的延时和脉冲串的形状，即可实现对紫外脉冲串时域形状的控制。
22.图2b示出了光谱调制过程中的波形变化，其包括：声光调制器输出的脉冲串光谱207、倍频模块输出脉冲串光谱208、波形整形器输出脉冲串光谱209、光参量放大模块输出的残余倍频脉冲串光谱210、光参量放大模块输出的闲频光脉冲串光谱211和最终输出的紫外脉冲串光谱212；具体光谱调制过程为：声光调制器输出的脉冲串207分为两部分，分别进入倍频模块和波形整形模块，通过同步控制电路信号控制，波形整形模块输出的脉冲串光谱209经过光谱调制；在进入光参量放大模块后，产生闲频光光谱211，闲频光的光谱形状由波形整形器的调制光谱决定；闲频光光谱211和残余倍频脉冲串210之间的光谱决定了和频后产生的紫外脉冲串光谱212；通过控制波形整形器的调制波形，即可实现对紫外脉冲串时域形状的控制。
23.参考图3，为了提高倍频后的光脉冲，在一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生系统的一个实施例中，其包括：作为脉冲光源的光纤激光器301，其输出分别接入声光调制器302和同步控制电路303；同步控制电路303产生脉冲串控制信号驱动声光调制器302输出脉冲串；脉冲串通过光纤分束器304分为两束，分别进入nd：yag放大器305和波形整形器307；经过放大后的脉冲串在lbo晶体倍频模块306中倍频，输出倍频泵浦脉冲串，而波形整形器307则在同步控制电路303的控制下输出光谱调制后的脉冲串；随后光谱调制脉冲串和倍频脉冲串耦合进入bbo晶体光参量放大模块308种进行光参量放大，输出的残余泵浦光和闲频光由双色镜309分束，其中残余泵浦光进入延时模块310调节和闲频光之间的延时，并通过另一面双色镜311再次重合；重新合束后的脉冲串进入kdp晶体和频模块和频，产生时域和光谱形状调制的紫外脉冲串。
24.实施例2参考图4，本发明的第二方面，提供了一种时域和光谱形状可控的脉冲串产生方法，包括脉冲光源、声光调制器、同步控制电路、倍频模块、波形整形器、光参量放大模块、延时模块以及和频模块，具体步骤包括：s100.基于脉冲光源产生基频脉冲和同步控制电路所需的时钟信号；s200.基于同步控制电路向声光调制器和波形整形器提供不同的时序控制信号；在同步控制电路发出的时序控制信号驱动下，分别为波形整形器和倍频模块提供基频脉冲串以及调整基频脉冲串的包络；s300.将所述基频脉冲串进行分光，其中一部分整形为信号光脉冲串，另一部分进行倍频；s400.根据信号光脉冲和串倍频后的基频脉冲串产生闲频光脉冲串，并将串倍频后的基频脉冲串进行延时；s500.将闲频光脉冲串和延时后的基频脉冲串进行和频，产生紫外脉冲串。
25.实施例3参考图5，本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第一方面的方法。
26.电子设备500可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)501，其可以根据存储在只读存储器(rom)502中的程序或者从存储装置508加载到随机访问存储器(ram)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 503中，还存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理装置501、rom 502以及ram 503通过总线504彼此相连。输入/输出(i/o)接口505也连接至总线504。
27.通常以下装置可以连接至i/o接口505：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置506；包括例如液晶显示器(lcd)、扬声器、振动器等的输出装置507；包括例如硬盘等的存储装置508；以及通信装置509。通信装置509可以允许电子设备500与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图5示出了具有各种装置的电子设备500，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图5中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。
28.特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置509从网络上被下载和安装，或者从存储装置508被安装，或者从rom 502被安装。在该计算机程序被处理装置501执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、rf(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
29.上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++、python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一
个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
30.附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。需要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
31.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。