專利名稱：啁啾展寬激光脈沖光譜整形裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及啁啾激光脈沖，特別是一種啁啾展寬激光脈沖光譜整形 裝置及其方法。
背景技術(shù)：
啁啾脈沖放大技術(shù)常用于產(chǎn)生太瓦甚至拍瓦超短超強(qiáng)激光脈沖實(shí)驗(yàn) 裝置中，種子激光脈沖在展寬器中進(jìn)行時(shí)間展寬，再進(jìn)行多級(jí)放大。由 于展寬后的種子激光脈沖的功率密度過(guò)低，放大階段通常分為高增益預(yù) 放大和功率放大兩個(gè)階段。在高增益預(yù)放大階段，由于激光介質(zhì)的增益 窄化效應(yīng)通常導(dǎo)致放大的激光脈沖光譜窄化，使得最終放大后的激光脈 沖無(wú)法壓縮回原來(lái)的脈寬。應(yīng)用光譜預(yù)整形技術(shù)，可以降低光譜窄化效 應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脈寬更窄、峰值功率密度更大的激光脈沖輸出。為了克服 超短激光脈沖放大過(guò)程中的增益窄化效應(yīng)，人們提出了幾種光譜整形的 方法，諸如在光路中加載窄帶干涉濾光片與石英雙折射濾光片，采用反 射式變柵距光柵實(shí)現(xiàn)激光光譜整形的方法，這些方法在一定程度上滿足 了實(shí)驗(yàn)的需要，但是也存在一些問(wèn)題，諸如整形后的光譜存在一些尖峰，' 改變光譜形狀比較繁瑣，對(duì)光路調(diào)節(jié)精度要求比較高，穩(wěn)定性不好，器 件加工比較困難等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種啁啾展 寬激光脈沖光譜整形裝置及其方法。該整形裝置和方法不需復(fù)雜的光路 和機(jī)械裝置，改變光譜形狀非常方便，操作靈活，.效率高，容易嵌入到 啁啾脈沖多級(jí)放大系統(tǒng)中去。
本發(fā)明是基本原理如下
種子激光脈沖經(jīng)過(guò)光柵展寬，耦合到單模光纖中，經(jīng)過(guò)加載有門(mén)電 脈沖的集成波導(dǎo)調(diào)制器選取激光單脈沖，再經(jīng)過(guò)加載有整形電脈沖的集 成波導(dǎo)調(diào)制器進(jìn)行時(shí)間整形，從而實(shí)現(xiàn)光譜整形。
設(shè)種子激光脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度為
麵 (1)
經(jīng)過(guò)展寬器展寬后<formula>formula see original document page 3</formula>(2)
式中<formula>formula see original document page 3</formula>分別為群延時(shí)、群速色散系數(shù)。
在集成波導(dǎo)調(diào)制器中進(jìn)行時(shí)間整形
《)=6^)00S[A^)] (3)
S(O為整形后激光脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間分布函數(shù)。式中
一)=|{[ )《《/2]化} (4)
式中^,&/2分別為電光調(diào)制晶體的半波電壓和四分之一電壓，W0為 整形電脈沖電壓，^是直流偏置電壓。
對(duì)(3)式進(jìn)行傅立葉變換可得到電場(chǎng)強(qiáng)度在頻域內(nèi)的分布
00
e(<z>) = j"f(0exp(-/M)力 (5)
—GO
所以整形后的激光脈沖的光譜形狀為
/(w) cc —(<y)|2 (6)
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種啁啾展寬激光脈沖的光譜整形裝置，其特點(diǎn)在于該裝置由鎖 模激光器、光柵展寬器、透鏡、脈沖取樣器、光纖分束器、光纖放大器、 同歩光電轉(zhuǎn)換裝置、整形電脈沖發(fā)生器和集成波導(dǎo)電光調(diào)制器構(gòu)成，其 位置關(guān)系是鎖模激光器輸出的待整形的超短激光脈沖，經(jīng)光柵展寬器 展寬，再經(jīng)透鏡耦合到第一單模光纖的輸入端，該第一單模光纖的輸出 端接所述的脈沖取樣器的輸入端，該脈沖取樣器的輸出端通過(guò)第二單模 光纖接所述的光纖分束器，該光纖分束器的第一輸出端接所述的光纖放 大器的輸入端，該光纖放大器的輸出端經(jīng)第五單模光纖接所述的同歩光 電轉(zhuǎn)換裝置，該同步光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出端通過(guò)第一同軸電纜接所述的 整形電脈沖發(fā)生器輸入端，該整形電脈沖發(fā)生器的輸出端通過(guò)第二同軸 電纜接所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器第一輸入端；所述的光纖分束器第二 輸出端經(jīng)第三單模光纖接所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器的第二輸入端，待 整形的超短激光脈沖經(jīng)過(guò)整形電脈沖調(diào)制后由第四單模光纖輸出，光譜 得到了整形。
上述啁啾展寬激光脈沖光譜整形裝置進(jìn)行激光脈沖光譜整形的方 法，包括下列步驟
① 光柵展寬器對(duì)接近傅立葉變換限的超短種子激光脈沖進(jìn)行啁啾展 寬，使激光脈沖的頻率間隔和時(shí)間間隔成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；
② 脈沖取樣器對(duì)高重復(fù)頻率激光脈沖序列選取單單脈沖，使展寬后 的激光脈沖的重復(fù)頻率降低為1HZ;
③ 應(yīng)用光纖分束器進(jìn)行激光脈沖分束，通過(guò)同步光電轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生 同步的觸發(fā)電脈沖，推動(dòng)整形電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生整形電脈沖，使之與待'整形激光脈沖保持高度同步； .
④應(yīng)用整形電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的整形電脈沖輸入所述的^成波導(dǎo)電 光調(diào)制器，對(duì)由所述的光纖分束器第二輸出端經(jīng)第三單模光纖輸入所述 的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器的第二輸入端的待整形的超短激光脈沖進(jìn)行電脈 沖整形調(diào)制，由第四單模光纖輸出。
本發(fā)明的技術(shù)效果
1、 該光譜整形方案可以得到光滑無(wú)調(diào)制的整形光譜波形。
2、 該光譜整形方案無(wú)復(fù)雜的光路，激光脈沖主要在光纖中傳輸，調(diào) 節(jié)方便，穩(wěn)定性高。
3、 該光譜整形方案可以非常方便的改變光譜波形，只需改變整形電 脈沖波形。
4、 該光譜整形方案中激光脈沖經(jīng)過(guò)展寬、選取單脈沖，因此可以非 常容易的嵌入到啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)中去


圖1為本發(fā)明啁啾展寬激光脈沖光譜整形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為三個(gè)不同調(diào)制深度的整形電脈沖波形。'
圖3為對(duì)應(yīng)圖2中三個(gè)不同調(diào)制深度整形電脈沖調(diào)制后的激光脈沖 光譜形狀。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本 發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明啁啾展寬激光脈沖光譜整形裝置的結(jié) 構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明啁啾展寬激光脈沖的光譜整形裝置，由鎖 模激光器l、光柵展寬器2、透鏡3、脈沖取樣器5、光纖分束器6、光 纖放大器7、同步光電轉(zhuǎn)換裝置8、整形電脈沖發(fā)生器IO和集成波導(dǎo)電 光調(diào)制器11構(gòu)成，其位置關(guān)系是所述的鎖模激光器1輸出的超短激光 脈沖，經(jīng)光柵展寬器2展寬，再經(jīng)透鏡3菊合到第一單模光纖41的輸入 端，該第一單模光纖41的輸出端接脈沖取樣器5的輸入端，該脈沖取樣 器5的輸出端通過(guò)第二單模光纖42接所述的光纖分束器6，該光纖分束 器6的第一輸出端接所述的光纖放大器7的輸入端，該光纖放大器7的 輸出端經(jīng)第五單模光纖45接所述的同步光電轉(zhuǎn)換裝置8，該同步光電轉(zhuǎn) 換裝置8的輸出端通過(guò)第一同軸電纜91接所述的整形電脈沖發(fā)生器10 輸入端，該整形電脈沖發(fā)生器10的輸出端通過(guò)第二同軸電纜92接所述 的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器11第一輸入端；所述的光纖分束器6第二輸出端 經(jīng)第三單模光纖43接所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器11的第二輸入端，待 整形的超短激光脈沖在這里經(jīng)過(guò)整形電脈沖調(diào)制后，由第四單模光纖44 輸出，光譜得到了整形。
所述的啁啾展寬激光脈沖光譜整形裝置進(jìn)行激光脈沖光譜整形的過(guò)程包括下列步驟
① 光柵展寬器2對(duì)由鎖模激光器1輸入的接近傅立葉變換限的超短 種子激光脈沖進(jìn)行啁啾展寬，使激光脈沖的頻率間隔和時(shí)間間隔成線性 對(duì)應(yīng)關(guān)系；
② 脈沖取樣器5對(duì)輸入的已啁啾展寬的高重復(fù)頻率激光脈沖序列選 取單脈沖，使展寬后的激光脈沖的重復(fù)頻率降低為1HZ;
③ 所述的光纖分束器6進(jìn)行激光脈沖分束，較弱的光束通過(guò)同歩光 電轉(zhuǎn)換裝置8產(chǎn)生同步的觸發(fā)電脈沖，推動(dòng)整形電脈沖發(fā)生器10產(chǎn)生整 形電脈沖，使之與待整形激光脈沖保持高度同步；
④ 應(yīng)用整形電脈沖發(fā)生器10產(chǎn)生的整形電脈沖輸入所述的集成波 導(dǎo)電光調(diào)制器11，對(duì)由所述的光纖分束器6第二輸出端經(jīng)第三單模光纖 43輸入所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器11的第二輸入端的待整形的超短激 光脈沖進(jìn)行電脈沖整形調(diào)制，由第四單模光纖44輸出。
' 為了便于理解本發(fā)明提出的光譜整形方案，用以下實(shí)施例對(duì)本方案 進(jìn)行描述，并數(shù)值計(jì)算了整形電脈沖波形和整形前后的光譜波形
① 鎖模激光器1輸出220fs的種子激光脈沖，光譜半極大全寬為 7.4腿。
② 經(jīng)過(guò)光柵展寬器2，種子激光脈沖被線性展寬到1.2ns。
③ 通過(guò)透鏡3耦合到單模光纖中。
④ 由取樣器5由集成波導(dǎo)調(diào)制器和1Hz方波脈沖發(fā)生器構(gòu)成，選取 單脈沖，激光脈沖頻率降為lHz。
⑤ 激光脈沖通過(guò)單模光纖導(dǎo)入到光纖分束器6，激光脈沖分為兩束， 較弱的一束經(jīng)過(guò)光纖放大器7進(jìn)行放大，.然后去同步光電轉(zhuǎn)換裝置8產(chǎn) 生同步觸發(fā)電脈沖，用該電脈沖去觸發(fā)整形電脈沖發(fā)生器IO產(chǎn)生整形電 脈沖。
⑥ 由光纖分束器6輸出的較強(qiáng)的一束激光脈沖，經(jīng)過(guò)第三單模光纖 43進(jìn)行延時(shí)，和整形電脈沖同時(shí)被導(dǎo)入到集成波導(dǎo)電光調(diào)制器ll，激光 脈沖經(jīng)過(guò)電光調(diào)制，時(shí)間上被整形，由于線性啁啾激光脈沖頻率間隔和 時(shí)間間隔的線性對(duì)應(yīng)，整形后的激光脈沖的光譜波形和時(shí)間波形同樣。
如圖2所示的整形電脈沖電壓波形隨時(shí)間分布。圖3是對(duì)應(yīng)的光譜 形狀，實(shí)線對(duì)應(yīng)激光脈沖未整形時(shí)的光譜。圖3中激光脈沖的光譜經(jīng)過(guò) 整形后，經(jīng)測(cè)試，不但波形由高斯?fàn)钭優(yōu)槠巾數(shù)某咚剐螤?，甚至中間 可呈現(xiàn)凹陷，而且光譜半極大全寬寬度比整形前加寬了 1 4nm。
權(quán)利要求
1、 一種啁啾展寬激光脈沖的光譜整形裝置，其特征在于該裝置由鎖模激光器(1)、光柵展寬器(2)、透鏡(3)、脈沖取樣器(5)、光纖 分束器(6)、光纖放大器(7)、同步光電轉(zhuǎn)換裝置(8)、整形電脈沖發(fā) 生器(10)和集成波導(dǎo)電光調(diào)制器(11)構(gòu)成，其位置關(guān)系是鎖模激 光器(1)輸出的超短激光脈沖，經(jīng)光柵展寬器(2)展寬，再經(jīng)透鏡(3) 耦合到第一單模光纖(41)的輸入端，該第一單模光纖(41)的輸出端 接脈沖取樣器(5)的輸入端，該脈沖取樣器(5)的輸出端通過(guò)第二單 模光纖(42)接所述的光纖分束器(6)，該光纖分束器(6)的第一輸出 端接所述的光纖放大器(7)的輸入端，該光纖放大器(7)的輸出端經(jīng) 第五單模光纖(45)接所述的同歩光電轉(zhuǎn)換裝置(8)，該同步光電轉(zhuǎn)換 裝置(8)的輸出端通過(guò)第一同軸電纜(91)接所述的整形電脈沖發(fā)生器 (10)輸入端，該整形電脈沖發(fā)生器(10)的輸出端通過(guò)第二同軸電纜 (92)接所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器(11)第一輸入端；所述的光纖分 束器(6)第二輸出端經(jīng)第三單模光纖(43)接所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制 器(11)的第二輸入端，待整形的超短激光脈沖經(jīng)過(guò)整形電脈沖調(diào)制后 由第四單模光纖(44)輸出，光譜得到了整形。
2、 權(quán)利要求1所述的啁啾展寬激光脈沖光譜整形裝置進(jìn)行激光脈沖 光譜整形的方法，其特征在于包括下列歩驟① 光柵展寬器(2)對(duì)鎖模激光器(1)輸入的接近傅立葉變換限的 超短種子激光脈沖進(jìn)行啁啾展寬，使激光脈沖的頻率間隔和時(shí)間間隔成 線性對(duì)應(yīng)關(guān)系； .② 脈沖取樣器(5)對(duì)啁啾展寬的高重復(fù)頻率激光脈沖序列選取單脈沖，使展寬后的激光脈沖的重復(fù)頻率降低為1HZ;③ 應(yīng)用光纖分束器(6)進(jìn)行激光脈沖分束，較弱的一束激光通過(guò)同 步光電轉(zhuǎn)換裝置(8)推動(dòng)整形電脈沖發(fā)生器(10)產(chǎn)生整形電脈沖，使之 與待整形激光脈沖保持高度同步；④ 應(yīng)用整形電脈沖發(fā)生器(10)產(chǎn)生的整形電脈沖輸入所述的集成 波導(dǎo)電光調(diào)制器(11)，對(duì)由所述的光纖分束器(6)第二輸出端經(jīng)第三 單模光纖(43)輸入所述的集成波導(dǎo)電光調(diào)制器(11)的第二輸入端的 待整形的超短激光脈沖進(jìn)行電脈沖整形調(diào)制，由第四單模光纖(44)輸 出。
全文摘要
一種啁啾展寬激光脈沖的光譜整形裝置及方法，該裝置由鎖模激光器、光柵展寬器、透鏡、脈沖取樣器、光纖分束器、光纖放大器、同步光電轉(zhuǎn)換裝置、整形電脈沖發(fā)生器和集成波導(dǎo)電光調(diào)制器構(gòu)成，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大前的啁啾展寬脈沖進(jìn)行光譜預(yù)整形，大大減小了啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的增益窄化效應(yīng)。該裝置不需復(fù)雜的光路和機(jī)械裝置，改變光譜形狀非常方便，操作靈活，效率高，容易嵌入到啁啾脈沖多級(jí)放大系統(tǒng)中去。
文檔編號(hào)H01S3/00GK101311810SQ20081004011
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2008年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者姜有恩, 李學(xué)春, 林尊琪, 雪 潘, 王江峰, 王艷海, 巖 鮑 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所