專利名稱：提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光放大技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
在光纖激光放大器中，為了獲得單脈沖高能量輸出，通常要求光纖激光放大器能夠高效地提取脈沖能量?，F(xiàn)有的光纖激光放大技術(shù)中，使重頻遠(yuǎn)高于光纖增益介質(zhì)上能級壽命倒數(shù)的高重頻脈沖放大時，其能量提取效率可以達(dá)到70%以上。而使重頻低于或接近于光纖增益介質(zhì)上能級壽命倒數(shù)的低重頻脈沖放大時，其能量提取效率通常只能達(dá)到30%左右。這是由于直接將低重頻激光脈沖進(jìn)行光纖放大時，脈沖間隙會產(chǎn)生嚴(yán)重的放大自發(fā)輻射，從而使輸出脈沖的對比度變差，降低了光纖激光放大器的儲能和單脈沖能量的放大能力，因而降低了光纖激光放大器的能量提取效率。隨著高能量的低重頻激光脈沖應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，如何提高低重頻激光脈沖光纖放大的效率成為一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)及其方法，其能夠有效地抑制低重頻脈沖光纖放大時的放大自發(fā)輻射噪聲，提高輸出脈沖的對比度，從而能夠有效地提高低重頻激光脈沖光纖放大效率。( 二 )技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)， 包括高重頻激光脈沖種子源、光纖輸入裝置、光纖放大裝置、光纖分束裝置和光纖延時傳輸裝置；所述高重頻激光脈沖種子源產(chǎn)生重復(fù)頻率遠(yuǎn)高于光纖放大器增益介質(zhì)的上能級壽命倒數(shù)的光脈沖并輸出到所述光纖輸入裝置；所述光纖輸入裝置將高重頻激光脈沖輸入到所述光纖放大裝置中，所述光纖放大裝置使高重頻激光脈沖高效率放大后輸出到所述光纖分束裝置；所述光纖分束裝置包括時序控制開關(guān)和分束光纖，所述時序控制開關(guān)用于按時間順序?qū)⑤斎氲募す饷}沖依次循環(huán)分配到η路所述分束光纖中，使輸入的高重頻脈沖在每一根分束光纖中的頻率降為原來的1/η ；所述光纖延時傳輸裝置包括安裝于每一根分束光纖中的η個所述延時器，用于調(diào)節(jié)激光脈沖的延時。其中，所述系統(tǒng)還包括低重頻脈沖輸出裝置，低重頻脈沖輸出裝置包括準(zhǔn)直透鏡或者合束裝置，所述合束裝置包括輻照靶、低重頻脈沖輸出合束器和振幅調(diào)制器。其中，所述高重頻激光脈沖種子源包括固體激光器、半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。
其中，高重頻激光脈沖種子源包括重頻倍增裝置，重頻倍增裝置包括光纖分束裝置、分束支路延遲器和光纖合束器，用于當(dāng)輸出光脈沖的重復(fù)頻率不滿足遠(yuǎn)高于光纖放大器增益介質(zhì)的上能級壽命倒數(shù)的條件時，提高輸出光脈沖的重復(fù)頻率；其中，分束支路的分束延遲時間為等差數(shù)列，延遲時間公差等于高重頻的脈沖間隔周期；分束光纖數(shù)等于輸出的高重復(fù)頻率與輸入的低重復(fù)頻率比值。其中，所述光纖輸入裝置包括高重頻激光脈沖種子源的光纖耦合系統(tǒng)、模場適配器以及傳輸光纖。其中，所述光纖放大裝置包括增益光纖、泵浦激光器和泵浦信號耦合器。一種利用前述系統(tǒng)提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法，包括以下步驟Si，產(chǎn)生高重頻激光脈沖序列并通過光纖輸入裝置輸入；S2，通過光纖放大裝置使高重頻激光脈沖放大產(chǎn)生單脈沖能量增長的脈沖序列；S3，利用時序控制開關(guān)，將輸入的高重頻激光脈沖序列按時間順序依次循環(huán)分配到η路分束光纖中，使輸入的高重頻激光脈沖在每一根分束光纖中的頻率降為原來的1/η， 產(chǎn)生低重頻激光脈沖序列；S4，利用光纖延時傳輸裝置調(diào)節(jié)每路分束光纖中激光脈沖序列的延時，使所述低重頻激光脈沖序列輸出。其中，所述的步驟S4中，使所述低重頻激光脈沖序列輸出包括使低重頻激光脈沖序列以直接光纖輸出、空間光準(zhǔn)直輸出或者組合輸出方式輸出。其中，所述的組合輸出方式包括多路脈沖同步疊加高能量脈沖耦合輸出、多路脈沖輕微異步任意波形組合輸出和多路光纖耦合打靶輸出的方式。其中，所述的步驟Sl進(jìn)一步包括利用高重頻激光脈沖種子源產(chǎn)生高重頻激光脈沖序列和光纖耦合輸入的步驟。(三)有益效果本發(fā)明通過使高重頻激光脈沖序列高效率光纖放大，然后通過時序控制開關(guān)，將輸入的高重頻激光脈沖序列按時間順序分配到多路光纖中，使高重頻的激光脈沖序列轉(zhuǎn)換為低重頻激光脈沖序列，實(shí)現(xiàn)了低重頻脈沖序列高效光纖放大，有效地抑制了放大自發(fā)輻射噪聲，并且提高了能量提取效率，本發(fā)明還可以使所產(chǎn)生的低重頻激光脈沖序列靈活進(jìn)行各種直接多路輸出或者各種合束輸出，包括低重頻脈沖同步疊加、多路聚焦打靶、輕微異步任意波形生成等輸出方式的選擇，在高效放大的同時還可以使低重頻激光脈沖獲得各種應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中所述提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中所述重頻倍增裝置的示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所述低重頻脈沖組合輸出方式之一利用多路低重頻激光脈沖序列耦合打靶的示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所述低重頻脈沖組合輸出方式之二 利用多路同步低重頻激光脈沖序列疊加產(chǎn)生低重頻高能量脈沖序列的示意圖5為本發(fā)明的實(shí)施例中所述低重頻脈沖組合輸出方式之三利用多路輕微異步低重頻激光脈沖序列組合產(chǎn)生低重頻任意波形脈沖序列的示意圖；圖6為提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法流程圖。其中，1 高重頻激光脈沖種子源，2 光纖輸入裝置，3 光纖放大裝置，4 光纖分束裝置，4-1 時序控制開關(guān)，4-2 分束光纖，5 光纖延時傳輸裝置，5-1 延時器，6 低重頻脈沖輸出裝置，7 種子耦合輸入光纖，8 種子光纖分束器，9 種子光纖延遲器；10 種子光纖振幅調(diào)制器；11 種子光纖合束器；12 準(zhǔn)直透鏡，13 輻照靶，14 低重頻脈沖輸出合束器， 15 振幅調(diào)制器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明提供的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，包括高重頻激光脈沖種子源1、光纖輸入裝置2、光纖放大裝置3、光纖分束裝置4和光纖延時傳輸裝置5 ；所述高重頻激光脈沖種子源1產(chǎn)生重復(fù)頻率遠(yuǎn)高于光纖放大器增益介質(zhì)的上能級壽命倒數(shù)的光脈沖并輸出到所述光纖輸入裝置2 ；所述高重頻激光脈沖種子源1包括固體激光器、半導(dǎo)體激光器或光纖激光器；所述光纖輸入裝置2包括高重頻激光脈沖種子源1 的光纖耦合系統(tǒng)、模場適配器以及傳輸光纖；光纖輸入裝置2將高重頻激光脈沖輸入到所述光纖放大裝置3中，光纖放大裝置 3使高重頻激光脈沖放大后輸出到光纖分束裝置4 ；所述光纖放大裝置3包括增益光纖、泵浦激光器和泵浦信號耦合器；所述光纖分束裝置4包括時序控制開關(guān)4-1和分束光纖4-2，時序控制開關(guān)4_1用于按時間順序?qū)⑤斎氲募す饷}沖依次循環(huán)分配到η路分束光纖4-2中，使輸入的高重頻脈沖在每一根分束光纖4-2中的頻率降為原來的1/η ；所述光纖延時傳輸裝置5包括安裝于每一根分束光纖4-2中的η個延時器5_1，用于調(diào)節(jié)激光脈沖的延時。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括低重頻脈沖輸出裝置6，低重頻脈沖輸出裝置包括準(zhǔn)直透鏡12或者合束裝置，所述合束裝置包括輻照靶13、低重頻脈沖輸出合束器14和振幅調(diào)制器15。其中，高重頻激光脈沖種子源1包括重頻倍增裝置，重頻倍增裝置包括光纖分束裝置、分束支路延遲器和光纖合束器，用于當(dāng)輸出光脈沖的重復(fù)頻率不滿足遠(yuǎn)高于光纖放大器增益介質(zhì)的上能級壽命倒數(shù)的條件時，提高輸出光脈沖的重復(fù)頻率；其中，分束支路的分束延遲時間為等差數(shù)列，延遲時間公差等于高重頻的脈沖間隔周期；分束光纖數(shù)等于輸出的高重復(fù)頻率與輸入的低重復(fù)頻率比值。如圖6所示，本發(fā)明提供的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法，包括以下步驟Si，產(chǎn)生高重頻激光脈沖序列并通過光纖輸入裝置2輸入；本步驟中，利用高重頻激光脈沖種子源1產(chǎn)生高重頻激光脈沖序列，利用光纖耦合輸入并通過光纖輸入裝置將產(chǎn)生的高重頻激光脈沖序列光纖放大器3中。S2，通過光纖放大裝置3使高重頻激光脈沖放大產(chǎn)生單脈沖能量增長的脈沖序列；目前，高重頻激光脈沖光纖放大技術(shù)可以有效抑制放大自發(fā)輻射噪聲，從而獲得較高的單脈沖能量提取效率，如摻鐿光纖放大器重頻在20kHz以上時，通過放大器參數(shù)優(yōu)化，單脈沖能量提取效率通常可以達(dá)到70%以上，可以獲得70%以上的能量提取效率，與 IOkHz以下的低重頻脈沖光纖直接放大相比，提取效率可以提高50%左右，用高重頻脈沖作為種子進(jìn)行光纖放大，是有效抑制放大自發(fā)輻射噪聲，提高放大器效率的有效途徑。S3，利用時序控制開關(guān)4-1，將輸入的高重頻激光脈沖序列按時間順序依次循環(huán)分配到η路分束光纖4-2中，使輸入的高重頻激光脈沖在每一根分束光纖4-2中的頻率降為原來的1/η，產(chǎn)生低重頻激光脈沖序列；本步驟中，將被高效放大的高重頻脈沖轉(zhuǎn)換為低重頻脈沖序列，既保持了單脈沖能量放大效果的高效性，又獲得了低重頻輸出。S4，利用光纖延時傳輸裝置調(diào)節(jié)每路分束光纖4-2中激光脈沖序列的延時，使所述低重頻激光脈沖序列輸出。本步驟中，利用在每路分束光纖4-2中加入的延時器5-1，根據(jù)激光脈沖的輸出需要選擇合適的延時，例如需要η根光纖的脈沖同步輸出，則相鄰兩根光纖的延時增加Τ。本步驟中，使所述低重頻激光脈沖序列輸出包括使低重頻激光脈沖序列以直接光纖輸出、空間光準(zhǔn)直輸出或者組合輸出方式輸出，所述的組合輸出方式包括多路脈沖同步疊加高能量脈沖耦合輸出、多路脈沖輕微異步任意波形組合輸出和多路光纖耦合打靶輸出的方式。如圖3所示，調(diào)節(jié)延時器5-1使脈沖同步，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡將多路光纖引向輻射靶體例如球形靶，使多路激光均勻輻照在靶體表面；如圖4所示，調(diào)節(jié)延時器5-1使脈沖同步，利用低重頻脈沖輸出合束器將多路光纖輸出的脈沖序列合為一路，可直接應(yīng)用于需要極高單脈沖能量的領(lǐng)域，也可以耦合進(jìn)高損傷閾值和高非線性閾值的無源光纖中繼續(xù)傳輸后再加以利用；如圖5所示，通過延時器5-1調(diào)節(jié)脈沖延時，并調(diào)節(jié)輸出光纖的振幅調(diào)制器，使各路脈沖序列時間上輕微錯開且幅度不同，再利用低重頻脈沖輸出合束器將η根光纖輸出脈沖序列合為所需形狀的脈沖序列。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，其特征在于，包括高重頻激光脈沖種子源(1)、光纖輸入裝置(2)、光纖放大裝置(3)、光纖分束裝置(4)和光纖延時傳輸裝置(5)；所述高重頻激光脈沖種子源(1)產(chǎn)生重復(fù)頻率遠(yuǎn)高于光纖放大器增益介質(zhì)的上能級壽命倒數(shù)的光脈沖并輸出到所述光纖輸入裝置(2)；所述光纖輸入裝置(2)將高重頻激光脈沖輸入到所述光纖放大裝置(3)中，所述光纖放大裝置(3)使高重頻激光脈沖放大后輸出到所述光纖分束裝置(4)；所述光纖分束裝置(4)包括時序控制開關(guān)(4-1)和分束光纖(4-2)，所述時序控制開關(guān)(4-1)用于按時間順序?qū)⑤斎氲募す饷}沖依次循環(huán)分配到η路所述分束光纖(4-2)中， 使輸入的高重頻脈沖在每一根分束光纖(4-2)中的頻率降為原來的1/η ；所述光纖延時傳輸裝置(5)包括安裝于每一根分束光纖(4-2)中的η個所述延時器 (5-1)，用于調(diào)節(jié)激光脈沖的延時。
2.如權(quán)利要求1所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，其特征在于，還包括低重頻脈沖輸出裝置(6)，所述低重頻脈沖輸出裝置包括準(zhǔn)直透鏡(12)或者合束裝置， 所述合束裝置包括輻照靶(13)、低重頻脈沖輸出合束器(14)和振幅調(diào)制器(15)。
3.如權(quán)利要求2所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，其特征在于，所述高重頻激光脈沖種子源(1)包括固體激光器、半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。
4.如權(quán)利要求1所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，其特征在于，所述高重頻激光脈沖種子源(1)包括重頻倍增裝置，重頻倍增裝置包括種子耦合輸入光纖 (7)、種子光纖分束器(8)、種子光纖延遲器(9)、種子光纖振幅調(diào)制器(10)和種子光纖合束器(11)，用于當(dāng)輸出光脈沖的重復(fù)頻率不滿足遠(yuǎn)高于光纖放大器增益介質(zhì)的上能級壽命倒數(shù)的條件時，提高輸出光脈沖的重復(fù)頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖輸入裝置(2)包括高重頻激光脈沖種子源(1)的光纖耦合系統(tǒng)、模場適配器以及傳輸光纖。
6.如權(quán)利要求1所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖放大裝置(3)包括增益光纖、泵浦激光器和泵浦信號耦合器。
7.一種利用權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法，其特征在于，包括以下步驟Si，產(chǎn)生高重頻激光脈沖序列并通過光纖輸入裝置(2)輸入；S2，通過光纖放大裝置(3)使高重頻激光脈沖放大產(chǎn)生單脈沖能量增長的脈沖序列；S3，利用時序控制開關(guān)(4-1)，將輸入的高重頻激光脈沖序列按時間順序依次循環(huán)分配到η路分束光纖(4-2)中，使輸入的高重頻激光脈沖在每一根分束光纖(4-2)中的頻率降為原來的1/η，產(chǎn)生低重頻激光脈沖序列；S4，利用光纖延時傳輸裝置調(diào)節(jié)每路分束光纖(4-2)中激光脈沖序列的延時，使所述低重頻激光脈沖序列輸出。
8.如權(quán)利要求7所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法，其特征在于，所述的步驟S4中，使所述低重頻激光脈沖序列輸出包括使低重頻激光脈沖序列以直接光纖輸出、空間光準(zhǔn)直輸出或者組合輸出方式輸出。
9.如權(quán)利要求8所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法，其特征在于，所述的組合輸出方式包括多路脈沖同步疊加高能量脈沖耦合輸出、多路脈沖輕微異步任意波形組合輸出和多路光纖耦合打靶輸出的方式。
10.如權(quán)利要求7所述的提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的方法，其特征在于，所述的步驟Sl進(jìn)一步包括利用高重頻激光脈沖種子源(1)產(chǎn)生高重頻激光脈沖序列和光纖耦合的輸入步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高低重頻激光脈沖光纖放大效率的系統(tǒng)及其方法，涉及光纖激光放大技術(shù)領(lǐng)域，所述系統(tǒng)包括高重頻激光脈沖種子源、光纖輸入裝置、光纖放大裝置、光纖分束裝置和光纖延時傳輸裝置；所述高重頻激光脈沖種子源，為固體激光器、半導(dǎo)體激光器或光纖激光器；所述光纖輸入裝置，包括高重頻激光脈沖種子源的光纖耦合系統(tǒng)、模場適配器以及傳輸光纖；所述光纖放大裝置包括增益光纖、泵浦激光器和泵浦信號耦合器；所述光纖分束裝置包括時序控制開關(guān)和分束光纖；所述光纖延時傳輸裝置包括安裝于每一根分束光纖中的n個延時器；本發(fā)明能夠有效地抑制放大自發(fā)輻射，提高輸出脈沖的對比度，從而使得低重頻激光脈沖光纖放大的效率顯著提高。
文檔編號H01S3/10GK102263367SQ20111016267
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者鞏馬理, 張海濤, 柳強(qiáng), 程文雍, 閻平, 黃志華, 黃磊 申請人:清華大學(xué)