一种高对比度拍瓦激光装置及其控制方法与流程

本发明涉及激光领域，具体涉及一种高对比度拍瓦激光装置及其控制方法。

背景技术：

1、随着激光技术的发展，追求更高峰值功率激光一直是激光发展目标之一。

2、为了获得高峰值功率激光，啁啾脉冲放大是目前采用的主流技术。钛宝石晶体由于具有超宽的增益带宽，可以获得几十fs脉宽，并获得上百j能量，因此钛宝石晶体是目前台面拍瓦激光最主要的增益介质。

3、随着激光脉冲峰值功率的提升，对激光对比度的要求也有新的要求。对于pw(1015w)激光，激光对比度通常要求在1012以上。为了获得这样的对比度，光学参量啁啾放大(opcpa)是目前采用的主流技术之一，经过opcpa放大可以提升激光对比度。

4、现有高对比度opcpa激光器的结构如图1所示。振荡器输出宽带激光，宽带激光可以是振荡器直接输出，也可以利用非线性效应展宽获得。宽带激光分为两部分，中心波长为λ1的宽带激光和中心波长为λ2的两束窄带激光，其中中心波长为λ1的第一窄带激光作为参量放大器种子，经参量放大器对宽带激光进行放大，获得高对比度种子源；中心波长为λ2的第二窄带激光输入到放大器，获得高能量激光，根据需要可对该激光进行倍频，经过延时器作为参量放大器泵浦。

5、然而对于opcpa，其利用参量转换的瞬时效应，对种子和泵浦的时间同步要求非常高。例如泵浦激光为ns激光，需要种子和泵浦的时间同步在ns量级；泵浦激光为ps激光，需要种子和泵浦的时间同步在ps量级；泵浦激光为fs激光，需要种子和泵浦的时间同步在fs量级。

6、由于空气扰动，机械振动等原因，振荡器输出的种子脉冲之间的时间间隔δt并不固定，存在抖动。对于ps及fs激光泵浦的opcpa，这意味着泵浦和种子如果不是来自于同一个脉冲，则泵浦和种子在参量放大器中会有时间抖动。为了解决该问题，目前opcpa基本采用被动同步方法，即泵浦和种子均来源于同一发脉冲，如图2所示，振荡器输出的种子脉冲的标号依次为1、2、3、4…，在参量放大器晶体中作用的泵浦脉冲和种子脉冲均是第2个脉冲。

7、然而对于，当opcpa前端输出更高的能量更有利于后续放大获得高对比度激光。然而为了获得更高opcpa输出，需要opcpa的泵浦激光具有更高的能量，这一方面要利用稳定且高增益的再生技术并结合多通技术，这势必要是泵浦脉冲光程增加，此时利用被动同步方法，即泵浦和种子均来源于同一发脉冲，此时对种子光的延时提出了极高的要求。为了解决这一同步问题，最便利的是泵浦和种子来自不同的脉冲，然而，此时将引入激光不同脉冲的抖动问题。

技术实现思路

1、为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高对比度拍瓦激光装置及其控制方法。

2、本发明的一个目的在于提出一种高对比度拍瓦激光装置。

3、本发明的高对比度拍瓦激光装置包括：种子源、放大展宽器、放大器和压缩器；其中，

4、种子源包括振荡器、再生放大器、第一展宽器、第二展宽器、第一同步器、第二同步器、第一光电探测器、第二光电探测器、参考源、延时器和参量放大器；其中，振荡器输出飞秒激光，中心波长λ1；振荡器输出的飞秒激光分为两束，分别为第一束激光和第二束激光，第一束激光与第二束激光的分束功率比大于1:1；其中，第一束激光的输出特性与振荡器的输出特性相同，中心波长λ1，第一束激光进入第一展宽器进行展宽获得皮秒脉冲，作为种子脉冲；第二束激光通过滤光片获得中心波长为λ2的激光，第二束激光经过第二展宽器展宽到皮秒后作为再生放大器的种子，进入再生放大器放大后作为参量放大器的泵浦脉冲，经过延时器输入至参量放大器；第一束激光经过第一展宽器展宽后脉宽为τ1，第二束激光经过第二展宽器展宽后脉宽为τ2，τ1≤τ2≤2τ1；参量放大器的泵浦脉冲大于种子脉冲有利于参量放大器获得高的转换效率；

5、振荡器包括第一腔镜、第一增益介质和输出镜；其中，振荡器的第一腔镜通过第一压电陶瓷安装在镜架上，通过改变施加在第一压电陶瓷上的电压改变第一压电陶瓷的伸缩量，从而改变振荡器腔长l1，振荡器腔长为第一腔镜至输出镜之间的距离；振荡器输出激光的一部分传输至第一光电探测器，第一光电探测器接收振荡器重复频率，获得振荡器重复频率电信号并输送至第一同步器，参考源发出的参考信号也输出至第一同步器；第一同步器的作用是将输入的重复频率锁定到参考源上；第一同步器输出反馈信号至连接第一腔镜的第一压电陶瓷上，控制第一压电陶瓷的伸缩量从而控制振荡器腔长l1，由此实现振荡器重复频率的改变，通过第一同步器实现振荡器重复频率锁定；

6、再生放大器包括第二腔镜、第三腔镜、第二增益介质、格兰棱镜和普克尔盒；其中，第二腔镜通过第二压电陶瓷安装在镜架上，通过改变施加在第二压电陶瓷上的电压改变第二压电陶瓷的伸缩量，从而改变再生放大器腔长l2，再生放大器腔长为第二腔镜至第三腔镜之间的距离；再生放大器输出激光的一部分输入至第二光电探测器，第二光电探测器接收再生放大器重复频率，获得再生放大器重复频率电信号并输出至第二同步器，同时第一光电探测器获得的振荡器重复频率电信号同步传输至第二同步器；第二同步器先将第一光电探测器接收的振荡器重复频率分频到与第二光电探测器相同的重复频率，进一步第二同步器将第二光电探测器接收的再生放大器重复频率锁定到第一光电探测器接收的振荡器重复频率分频后的频率上；

7、再生放大器输出激光经过延时器后作用到参量放大器，此时延时器提供的时间延迟为振荡器输出激光脉冲周期；再生放大器输出的泵浦脉冲与振荡器输出的种子脉冲共同作用在参量放大器晶体上，此时泵浦脉冲与种子脉冲能够不是来自于同一个脉冲；延时器包括第一至第四镜片、电动平移台和步进电机，再生放大器输出的泵浦脉冲经过第一镜片垂直反射进入第二镜片，第二镜片对入射光垂直反射进入第三镜片，第三镜片对入射光垂直反射到第四镜片，经第一镜片反射出射的光与第三镜片反射出射的光反向平行，第四镜片对入射光垂直反射；其中第二镜片和第三镜片安装在电动平移台上，电动平移台连接至步进电机，通过步进电机驱动电动平移台移动；

8、第二同步器根据第二光电探测器接收的再生放大器重复频率与第一光电探测器接收的振荡器重复频率分频后的频率之差提供电压信号，反馈至再生放大器，同时，第二同步器根据反馈至再生放大器的电压信号大小，输出信号至延时器的步进电机，控制步进电机调节电动平移台移动，从而改变延时器提供的延迟时间；第二压电陶瓷上施加电压为v，0＜v＜v0，v0为第二压电陶瓷上能够施加的最大电压，当第二压电陶瓷施加电压为v0时，此时压电陶瓷伸长l0，l0为施加最大电压时第二压电陶瓷的伸长；泵浦脉冲在再生放大器中经过n次放大，n为≥2的自然数；当第二压电陶瓷上的电压小于最小延迟电压v1时，v1＝c1×v0，c1为第一系数，0＜c1＜0.3，此时移动步进电机，步进电机移动量为n×l0/4，步进电机移动的方向为增加延迟时间，即第二镜片和第三镜片远离第一镜片和第四镜片的方向；当第二压电陶瓷上的电压大于最大延迟电压v2时，v2＝c2×v0，c2为第二系数，0.7＜c2＜1，此时移动步进电机，步进电机移动量为n×l0/4，步进电机移动的方向为减小延迟时间，即第二镜片和第三镜片靠近第一镜片和第四镜片的方向，从而实现再生放大器重复频率能够长时间锁定到振荡器重复频率分频后的频率上。

9、振荡器输出的飞秒激光，半高全宽大于50nm，光谱1/e2处波长带宽大于200nm；振荡器输出的第一束激光的半高全宽大于50nm；振荡器输出的第二束激光通过滤光片获得半高全宽小于10nm的激光。再生放大器的种子经过再生放大器获得大于106增益，利用再生放大器获得高增益、高光束质量及高稳定性；再生放大器的种子在再生放大器中放大次数小于100次。

10、同步器的原理是输入两个电信号，其中一个是参考信号，另一个是被锁定的激光器腔长重复频率信息。比较两个电信号的重频差别，获得差别信号，反馈至第一压电陶瓷，改变压电陶瓷的伸缩量从而改变激光器腔长，进而调节输出重复频率，最终使激光输出频率与输入到同步器的参考源信号相同。参考源信号采用是标准的时钟信号，或者采用一个自由运行的激光器重复频率。对于前者，激光器腔长锁定到固定值。对于或者，被锁定的激光器腔长跟着作为参考源的激光器腔长变化。具体重复频率锁定方法可参考femtosecondoptical frequency comb:principle,operation,and applications，jun ye and stevent.cundiff第一版，第38页到第48页。

11、对于振荡器输出80mhz，脉冲周期为12.5ns的激光，延时器提供最大延迟时间为12.5ns。

12、激光器所在环境温度变化以及振动等因素，带来激光腔长的变化，激光腔长的变化分为短时间内的高频振动和长时间的腔长漂移；压电陶瓷具有快速响应的优点，同时具有量程小的缺点，对于长时间对激光腔长的锁定，激光腔长的长时间的腔长漂移将超出压电陶瓷量程，因此本发明引入了基于步进电机的电动平移台对再生腔腔长长时间的腔长漂移进行补偿。

13、本发明的另一个目的在于提出一种高对比度拍瓦激光装置的控制方法。

14、本发明的高对比度拍瓦激光装置的控制方法，包括以下步骤：

15、1)振荡器输出飞秒激光，中心波长λ1；振荡器输出的激光分为两束，分别为第一束激光和第二束激光；振荡器输出的第一束激光与第二束激光的分束功率比大于1:1；其中，第一束激光的输出特性与振荡器的输出特性相同，中心波长λ1，第一束激光进入第一展宽器进行展宽获得皮秒脉冲，作为种子脉冲；振荡器输出的第二束激光通过滤光片获得中心波长为λ2的激光，第二束激光经过第二展宽器展宽到皮秒后作为再生放大器的种子，进入再生放大器放大后作为参量放大器的泵浦脉冲，经过延时器输入至参量放大器；第一束激光经过第一展宽器展宽后脉宽为τ1，第二束激光经过第二展宽器展宽后脉宽为τ2，τ1≤τ2≤2τ1；参量放大器的泵浦脉冲大于种子脉冲有利于参量放大器获得高的转换效率；种子脉冲经过再生放大器获得大于106增益，利用再生放大器获得高增益、高光束质量及高稳定性；

16、2)将振荡器的第一腔镜通过第一压电陶瓷安装在镜架上，通过改变施加在第一压电陶瓷上的电压改变第一压电陶瓷的伸缩量，从而改变振荡器腔长l1，振荡器腔长为第一腔镜至输出镜之间的距离；振荡器输出激光的一部分传输至第一光电探测器，第一光电探测器接收振荡器重复频率，获得振荡器重复频率电信号并输送至第一同步器，参考源发出的参考信号也输出至第一同步器；第一同步器的作用是将输入的重复频率锁定到参考源上；第一同步器输出反馈信号至连接第一腔镜的第一压电陶瓷上，控制第一压电陶瓷的伸缩量从而控制振荡器腔长l1，由此实现激光重复频率的改变；通过第一同步器实现振荡器重复频率锁定；

17、3)将第二腔镜通过第二压电陶瓷安装在镜架上，通过改变施加在第二压电陶瓷上的电压改变第二压电陶瓷的伸缩量，从而改变再生放大器腔长l2，再生放大器腔长为第二腔镜至第三腔镜之间的距离；再生放大器输出激光的一部分输入至第二光电探测器，第二光电探测器接收再生放大器重复频率，获得再生放大器重复频率电信号并输出至第二同步器，同时第一光电探测器获得的振荡器重复频率电信号同步传输至第二同步器；第二同步器先将第一光电探测器接收的振荡器重复频率分频到与第二光电探测器相同的重复频率，进一步第二同步器将第二光电探测器接收的再生放大器重复频率锁定到第一光电探测器接收的振荡器重复频率分频后的频率上；

18、4)再生放大器输出激光经过延时器后作用到参量放大器，此时延时器提供的时间延迟为振荡器输出激光脉冲周期；再生放大器输出的泵浦脉冲与振荡器输出的种子脉冲共同作用在参量放大器晶体上，此时泵浦脉冲与种子脉冲能够不是来自于同一个脉冲；再生放大器输出的泵浦脉冲经过第一镜片垂直反射进入第二镜片，第二镜片对入射光垂直反射进入第三镜片，第三镜片对入射光垂直反射到第四镜片，经第一镜片反射出射的光与第三镜片反射出射的光反向平行，第四镜片对入射光垂直反射；将延时器的第二镜片和第三镜片安装在电动平移台上，将电动平移台连接至步进电机，通过步进电机驱动电动平移台移动；

19、5)第二同步器根据第二光电探测器接收的再生放大器重复频率与第一光电探测器接收的振荡器重复频率分频后的频率之差提供电压信号，反馈至再生放大器，同时，第二同步器根据反馈至再生放大器的电压信号大小，输出信号至延时器的步进电机，控制步进电机调节电动平移台移动，从而改变延时器提供的延迟时间；第二压电陶瓷上施加电压为v，0＜v＜v0，v0为第二压电陶瓷上能够施加的最大电压，当第二压电陶瓷施加电压为v0时，此时压电陶瓷伸长l0；泵浦脉冲在再生放大器中经过n次放大，n为≥2的自然数；当第二压电陶瓷上的电压小于最小延迟电压v1时，v1＝c1×v0，c1为第一系数，0＜c1＜0.3，此时移动步进电机，步进电机移动量为n×l0/4，步进电机移动的方向为增加延迟时间，即第二镜片和第三镜片远离第一镜片和第四镜片的方向；当第二压电陶瓷上的电压大于最大延迟电压v2时，v2＝c2×v0，c2为第二系数，0.7＜c2＜1，此时移动步进电机，步进电机移动量为n×l0/4，步进电机移动的方向为减小延迟时间，即第二镜片和第三镜片靠近第一镜片和第四镜片的方向，从而实现再生放大器重复频率能够长时间锁定到振荡器重复频率分频后的频率上。

20、本发明的优点：

21、本发明将振荡器的第一腔镜通过第一压电陶瓷安装在镜架，将第二腔镜通过第二压电陶瓷安装在镜架上，压电陶瓷具有快速响应的优点，同时具有量程小的缺点，对于长时间对激光腔长的锁定，激光腔长的长时间的腔长漂移将超出压电陶瓷量程；第二压电陶瓷能够高精度的同步参量放大器晶体中泵浦脉冲和种子脉冲的时间，步进电机能够解决泵浦脉冲和种子脉冲长时间漂移问题，当第二压电陶瓷的伸缩量将超过自身极限时，通过步进电机的移动，引入一个较大延时，使第二压电陶瓷上的电压回到中间值；采用基于步进电机的电动平移台对再生腔腔长长时间的腔长漂移进行补偿，实现再生放大器重复频率能够长时间锁定到振荡器重复频率分频后的信号频率上；由于振荡器输出激光与放大器输出的激光严格同步，因此无需振荡器输出的同一个脉冲进入后续opcpa中，这对整个系统的同步要求降低，利于系统集成。