降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，包括：一線偏振脈沖激光源，用于發(fā)出線偏振的脈沖激光；一高速光偏振轉(zhuǎn)換器件，其位于線偏振脈沖激光源輸出的光路上，用于選出不同周期的偏振旋轉(zhuǎn)激光脈沖序列；一激光脈沖延時光路，其位于高速光偏振轉(zhuǎn)換器件輸出的光路上，主要用于調(diào)節(jié)被選出脈沖的光程，通過調(diào)節(jié)延時光路的光程，匹配基礎(chǔ)脈沖的到達時間，以實現(xiàn)兩個激光脈沖的能量疊加。本發(fā)明是在保證激光總體功率不變化的前提下，無需引入另外的激光器，僅通過降低脈沖重復(fù)頻率，脈沖疊加，就可以實現(xiàn)脈沖能量的增倍，增加激光功率的利用效率。
【專利說明】降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及脈沖激光【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種新降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]脈沖激光器中，激光脈沖的重復(fù)頻率,在同等功率條件下,脈沖的重復(fù)頻率和脈沖能量成反比，脈沖重復(fù)頻率和脈沖能量直接影響激光同物質(zhì)的作用速度，因此激光脈沖重復(fù)頻率和脈沖能量兩個參數(shù)的調(diào)節(jié)在精細加工領(lǐng)域的打標、切割、劃線，在遠程激光探測，遠程物理目標打擊，以及激光誘導核聚變等領(lǐng)域具有重要的意義。目前，激光器脈沖重復(fù)頻率調(diào)節(jié)主要是腔內(nèi)調(diào)節(jié)，腔內(nèi)調(diào)節(jié)分為兩種方式，一種是主動調(diào)節(jié):可以調(diào)節(jié)激光器中的光調(diào)制器件如電光、聲光或者泵浦電源的電脈沖重復(fù)頻率實現(xiàn)對光脈沖重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)，另外一種是被動調(diào)節(jié)方式，例如被動調(diào)Q或者被動鎖模激光器中可以通過調(diào)節(jié)諧振腔長度或者可飽和吸收體的特性調(diào)節(jié)激光脈沖的重復(fù)頻率。但是在一些場合，由于激光器自身的腔長、泵浦方式、增益介質(zhì)儲能、調(diào)制器件以及其他非線性光因素的影響，激光器輸出的脈沖能量受到局限。
[0003]以被動鎖模激光器為例，激光器諧振腔的長度決定了光脈沖的重復(fù)頻率，由于諧振腔的長度通常在1.5m-2m，脈沖重復(fù)頻率為75MHZ-100MHZ，脈沖能量通常僅為nj量級。因此，要想獲得能量的進一步增加，必須要在振蕩腔外采取措施，以獲得更高的脈沖能量。
[0004]另外，以脈沖激光的光纖放大為例，脈沖激光的光纖放大過程，尤其是高能量的線偏振激光光纖放大，高峰值功率和線偏振光會大大降低非線性效應(yīng)的閾值，而這些非線性效應(yīng)如自相位調(diào)制效應(yīng)、受激布里淵散射以及受激拉曼散射均會帶來脈沖激光的光譜展寬、脈沖畸變等脈沖惡化的現(xiàn)象。因此，在脈沖放大過程中需要保持相對較高的脈沖重復(fù)頻率以降低脈沖峰值功率和脈沖能量，高峰值功率的光纖放大成為目前光纖放大激光技術(shù)的瓶頸。
[0005]清華大學楊昌喜教授采用分離脈沖光放大技術(shù)(申請公布號:201110242848.1)，就是采用雙折射晶體先將入射脈沖進行分離，得到低峰值功率的脈沖串，然后將該脈沖串注入到光纖放大器中進行放大，最后將放大后的脈沖串進行復(fù)合，從而得到高峰值功率的脈沖輸出。這種方法主要適用于光纖放大器中，用于降低光纖中非線性效應(yīng)的影響，獲得高放大倍率的脈沖能量輸出。而針對不經(jīng)過光纖放大線偏振激光脈沖，這種方法無法實現(xiàn)重復(fù)頻率的降低和脈沖能量的加倍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其是在保證激光總體功率不變化的前提下，無需引入另外的激光器，僅通過降低脈沖重復(fù)頻率，脈沖疊加，就可以實現(xiàn)脈沖能量的增倍，增加激光功率的利用效率。
[0007]本發(fā)明提供一種降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，包括:
[0008]—線偏振脈沖激光源,用于發(fā)出線偏振的脈沖激光；
[0009]—高速光偏振轉(zhuǎn)換器件,其位于線偏振脈沖激光源輸出的光路上，用于選出不同周期的偏振旋轉(zhuǎn)激光脈沖序列；
[0010]一激光脈沖延時光路，其位于高速光偏振轉(zhuǎn)換器件輸出的光路上，主要用于調(diào)節(jié)被選出脈沖的光程，通過調(diào)節(jié)延時光路的光程，匹配基礎(chǔ)脈沖的到達時間，以實現(xiàn)兩個激光脈沖的能量疊加。
[0011]本發(fā)明的有益效果是，其是利用高速脈沖選擇器件，快速將選擇脈沖進行偏振旋轉(zhuǎn)，被選擇脈沖通過光路延時疊加到原有脈沖序列中，實現(xiàn)光脈沖在時間上的重疊，從而可以降低脈沖的重復(fù)頻率，得到增倍的脈沖能量。還可以根據(jù)不同的需求自主的選擇脈沖進行疊加，實現(xiàn)不同脈沖重復(fù)頻率和脈沖能量間隔變換的脈沖序列。這種方法可以在原有功率不變的前提下，提高激光脈沖能量，有效提高激光的利用效率。該方法將會在高能量激光脈沖的需求場合具有重要應(yīng)用，如:遠程激光探測，遠程物理目標打擊，以及激光誘導核聚變等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:
[0013]圖1是依照本發(fā)明實施例的一種普遍適用于線偏振激光的降低脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的方法示意圖；
[0014]圖2是依照本發(fā)明實施例的脈沖能量增倍的示意圖；
[0015]圖3脈沖能量間隔增倍的示意圖；
[0016]圖4脈沖串的重復(fù)頻率降低示意圖。

【具體實施方式】
[0017]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，包括:
[0018]一線偏振脈沖激光源11，用于發(fā)出線偏振的脈沖激光，所述的線偏振的脈沖激光源11，是連續(xù)波斬波激光源、調(diào)Q激光源或鎖模脈沖激光源，輸出激光脈沖范圍覆蓋毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒，所述脈沖激光源11的輸出光偏振態(tài)為線偏振光，且脈沖重復(fù)頻率是單一固定的，兩個相鄰脈沖時間間隔t也是固定的；
[0019]線偏振脈沖激光源11為重復(fù)頻率為10MHz的皮秒脈沖激光器，輸出功率為50W，波長為1064nm，兩個脈沖的間隔為10ns，脈沖能量為5 μ J，脈沖寬度為50ps，偏振態(tài)為水平偏振。該線偏振激光源發(fā)出的激光入射至高速偏振轉(zhuǎn)換器件12。
[0020]—高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12,其位于線偏振脈沖激光源11輸出的光路上,用于選出不同周期的偏振旋轉(zhuǎn)激光脈沖序列，所述高速電光脈沖選擇器件12為高速光偏振轉(zhuǎn)換器件，其是根據(jù)需要完成一個或者幾個激光脈沖的偏振旋轉(zhuǎn)90度，該高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12,是電光普克爾盒、聲光偏振轉(zhuǎn)換器或磁致旋光偏振轉(zhuǎn)換器,所述高速激光偏振轉(zhuǎn)換器件12工作于兩種狀態(tài)，一種是無旋光狀態(tài)，激光通過沒有偏振旋轉(zhuǎn)；另外一種是對光90度偏振旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，所述無旋光狀態(tài)的工作時間大于激光脈沖間隔寬度，該激光脈沖可以完整通過；90度偏振旋光狀態(tài)的工作時間大于激光的脈沖間隔寬度,90度旋轉(zhuǎn)的偏振光可以完整的通過，該高速激光偏振轉(zhuǎn)換器件12實現(xiàn)的兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間小于兩個脈沖間隔時間，確保在兩個脈沖間隙完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，不影響單個脈沖偏振態(tài)的完整性；
[0021]高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12，為高速電光脈沖旋轉(zhuǎn)器，采用高壓驅(qū)動BBO晶體做成的普克爾盒，BBO晶體通光孔徑10mm，晶體鍍1064nm波長激光增透膜。要實現(xiàn)90度偏振轉(zhuǎn)換，需要在普克爾盒上加半波(λ /2)電壓4kV?8kV，加壓時間小于10ns，保證在兩個脈沖間隔內(nèi)完成加壓的過程。加壓時間的可調(diào)范圍為1ns-1 μ S，加壓時間的重復(fù)頻率為50MHz。線偏振脈沖激光源11出射的10MHz水平偏振光入射至高速偏振轉(zhuǎn)換器件12，在兩個脈沖間隔內(nèi)，高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12快速加至SkV半波(λ/2)電壓，加壓時間內(nèi)小于10ns，經(jīng)過高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12的脈沖快速完成偏振狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，由水平偏振態(tài)變至垂直偏振態(tài)，然后高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12在小于1ns的時間內(nèi)完成退壓過程，下一個激光脈沖經(jīng)過高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12無偏振旋轉(zhuǎn)，保持水平狀態(tài)。激光脈沖序列15經(jīng)過高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12，高速電光脈沖旋轉(zhuǎn)器的重復(fù)頻率為50MHz，分別在151和153等奇數(shù)脈沖通過時，加半波電壓8kV，這些脈沖在通過脈沖旋轉(zhuǎn)器之后變?yōu)榇怪逼?。整個脈沖序列重復(fù)頻率依然為100MHz，但是存在兩種偏振態(tài):151、153等奇數(shù)脈沖為垂直偏振，152、154等偶數(shù)脈沖為水平偏振。兩種偏振共存的激光脈沖進入激光脈沖延時光路13。
[0022]一激光脈沖延時光路13，其位于高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12輸出的光路上，主要用于調(diào)節(jié)被選出脈沖的光程，通過調(diào)節(jié)延時光路的光程，匹配基礎(chǔ)脈沖的到達時間，以實現(xiàn)兩個激光脈沖的能量疊加。
[0023]其中激光脈沖延時光路13包括:
[0024]一第一起偏器131，該第一起偏器131呈45度夾角接收高速光偏振轉(zhuǎn)換器件12發(fā)出的光，在無旋光狀態(tài)時將激光透射；在90度偏振旋光狀態(tài)時，將激光反射；
[0025]一第二起偏器134，該第二起偏器134呈45度夾角接收第一起偏器131透射的無旋光狀態(tài)時激光；
[0026]一第一 45度高反鏡132，該第一 45度高反鏡132呈45度夾角位于第一起偏器131反射的90度偏振旋光狀態(tài)的激光；
[0027]一第二 45度高反鏡133，該第二 45度高反鏡133呈45度夾角位于第一 45度高反鏡132反射的光路上，并將光再一次反射，該第二 45度高反鏡133反射的光入射到第二起偏器134上，該第二起偏器134將第二 45度高反鏡133反射的激光再次反射，形成輸出激光。
[0028]所述的該第一起偏器131和第二起偏器134是薄膜偏振片或格蘭棱鏡。
[0029]其中激光脈沖延時光路13中的第一起偏器131垂直反射脈沖經(jīng)過光程142、143和144，所需的時間與水平透射偏振光經(jīng)過光程141所需時間差恰好為相鄰兩個脈沖的時間間隔t，或是t的整數(shù)倍。
[0030]激光脈沖延時光路13，主要是由起偏器131、134和兩個45度高反鏡132、133組成，132、133可以同步平移以改變光程。起偏器131和134是針對波長1064nm的格蘭棱鏡，偏振消光比大于10000: 1，對水平偏振光透射，垂直偏振光反射。132、133為1064nm波長45度放置的高反鏡，垂直反射脈沖所經(jīng)過的光程142為1.5m、143為2m，144為1.5m。水平透射偏振光的光程為141為2m，垂直反射脈沖經(jīng)過142、143和144所需的時間與水平透射偏振光經(jīng)過141所需時間差t為10ns，恰好等于兩個脈沖的時間間隔。
[0031]兩種偏振態(tài)共存的脈沖序列15經(jīng)過格蘭棱鏡131后分為兩列，垂直偏振的脈沖151、153等奇數(shù)脈沖被反射進入延時光路，脈沖重復(fù)頻率降低一半變?yōu)?0MHz ;水平偏振的激光脈沖152、154透射進入延時光路，脈沖重復(fù)頻率變?yōu)?0MHz。被反射脈沖序列經(jīng)過光程142、143、144的總光程為5m，透射脈沖經(jīng)過延時光路141的光程為2m，兩列脈沖在延時光路中的光程差為3m，時間差為10ns，恰好等于初始脈沖序列中兩個脈沖的時間間隔。因此，當兩列脈沖到達格蘭棱鏡134時，奇數(shù)脈沖在時間上同偶數(shù)脈沖重合，即實現(xiàn)奇數(shù)脈沖和偶數(shù)脈沖的疊加，即形成脈沖能量增倍，重復(fù)頻率減半變?yōu)?0MHz的脈沖序列。
[0032]如圖2所示，是上述過程脈沖重復(fù)頻率降低和脈沖能量增倍的過程。
[0033]經(jīng)過該裝置前，脈沖序列I重復(fù)頻率為100MHz,脈沖間隔為1ns,經(jīng)過該裝置后，變?yōu)槊}沖序列2，脈沖重復(fù)頻率降低一半，成為50MHz，脈沖能量變?yōu)樵瓉淼?倍，成為10 μ J0
[0034]上述脈沖重復(fù)頻率降低，可以根據(jù)不同的需求自主的選擇脈沖進行疊加，實現(xiàn)不同脈沖重復(fù)頻率和脈沖能量間隔變換的脈沖序列。如圖3所示，脈沖序列1，經(jīng)過上述裝置可以每三個脈沖選出一個脈沖反射進入延時光路中，延時光路的延時時間為脈沖間隔t，t為10ns，疊加到脈沖序列中，使得重復(fù)頻率變?yōu)樵瓉淼娜种?，形成脈沖序列2。
[0035]上述脈沖重復(fù)頻率的降低，可以是圖2圖3表述的單個脈沖的選擇疊加，也可以是一串脈沖的選擇疊加，形成整個脈沖串的重復(fù)頻率變化。如圖4所示。周期為t的脈沖序列，t為10ns，3個脈沖為一組，3個脈沖經(jīng)過偏振旋轉(zhuǎn)器被反射后進入延時光路，經(jīng)過延時光路光程的時間為3t，30ns，3個脈沖經(jīng)過該系統(tǒng)疊加到光路中，形成周期為3t的激光脈沖串，每組脈沖串的個數(shù)為3個。
[0036]同時，本發(fā)明不僅僅局限于上述的降低重復(fù)頻率的過程，也可以是其他脈沖重復(fù)頻率的減小和脈沖能量疊加。
[0037]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，包括: 一線偏振脈沖激光源，用于發(fā)出線偏振的脈沖激光； 一高速光偏振轉(zhuǎn)換器件，其位于線偏振脈沖激光源輸出的光路上，用于選出不同周期的偏振旋轉(zhuǎn)激光脈沖序列； 一激光脈沖延時光路，其位于高速光偏振轉(zhuǎn)換器件輸出的光路上，主要用于調(diào)節(jié)被選出脈沖的光程，通過調(diào)節(jié)延時光路的光程，匹配基礎(chǔ)脈沖的到達時間，以實現(xiàn)兩個激光脈沖的能量疊加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中所述的線偏振的脈沖激光源，是連續(xù)波斬波激光源、調(diào)Q激光源或鎖模脈沖激光源，輸出激光脈沖范圍覆蓋毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒，所述脈沖激光源的輸出光偏振態(tài)為線偏振光，且脈沖重復(fù)頻率是單一固定的，兩個相鄰脈沖時間間隔t也是固定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中所述高速電光脈沖選擇器件為高速光偏振轉(zhuǎn)換器件，其根據(jù)需要完成一個或者幾個激光脈沖的偏振旋轉(zhuǎn)90度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中高速光偏振轉(zhuǎn)換器件，是電光普克爾盒、聲光偏振轉(zhuǎn)換器或磁致旋光偏振轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中高速激光偏振轉(zhuǎn)換器件工作于兩種狀態(tài)，一種是無旋光狀態(tài)，激光通過沒有偏振旋轉(zhuǎn)；另外一種是對光90度偏振旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中無旋光狀態(tài)的工作時間大于激光脈沖間隔寬度，該激光脈沖可以完整通過；90度偏振旋光狀態(tài)的工作時間大于激光的脈沖間隔寬度，90度旋轉(zhuǎn)的偏振光可以完整的通過。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中高速激光偏振轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)的兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間小于兩個脈沖間隔時間，確保在兩個脈沖間隙完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，不影響單個脈沖偏振態(tài)的完整性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中激光脈沖延時光路包括: 一第一起偏器，該第一起偏器呈45度夾角接收高速光偏振轉(zhuǎn)換器件發(fā)出的光,在無旋光狀態(tài)時將激光透射；在90度偏振旋光狀態(tài)時，將激光反射； 一第二起偏器，該第二起偏器呈45度夾角接收第一起偏器透射的無旋光狀態(tài)時激光； 一第一 45度高反鏡,該第一 45度高反鏡呈45度夾角位于第一起偏器反射的90度偏振旋光狀態(tài)的激光； 一第二 45度高反鏡，該第二 45度高反鏡呈45度夾角位于第一 45度高反鏡反射的光路上，并將光再一次反射，該第二 45度高反鏡反射的光入射到第二起偏器上，該第二起偏器將第二 45度高反鏡反射的激光再次反射,形成輸出激光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中第一起偏器和第二起偏器是薄膜偏振片或格蘭棱鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的降低線偏振激光脈沖重復(fù)頻率提高脈沖能量的結(jié)構(gòu)，其中激光脈沖延時光路中的第一起偏器垂直反射脈沖經(jīng)過光程，所需的時間與水平透射偏振光經(jīng)過光程所需時間差恰好為相鄰兩個脈沖的時間間隔t，或是t的整數(shù)倍。
【文檔編號】H01S3/10GK104184031SQ201410418648
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】于海娟, 林學春, 張玲, 鄒淑珍, 陳寒, 孫偉, 齊瑤瑤, 何超見, 王磊 申請人:中國科學院半導體研究所