專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光脈沖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的固體激光器、氣體激光器相比,光纖激光器具有光束質(zhì)量高、體積小、重量輕、散熱效果好、功率轉(zhuǎn)換效率高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是ー種新型的優(yōu)質(zhì)激光器。在很多應(yīng)用中，例如國(guó)防軍事中的定位、測(cè)距、跟蹤制導(dǎo)、深空激光通信和模擬打靶等應(yīng)用中，需要高峰值功率的脈沖光纖輸出，所需脈沖的峰值功率達(dá)到MW級(jí)甚至更高。由于光纖的直徑很小，因此當(dāng)脈沖的峰值功率高到一定程度的時(shí)候，會(huì)在光纖中發(fā)生非線性現(xiàn)象，不僅會(huì)減低信號(hào)的能量，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損傷。為了防止系統(tǒng)損傷，在對(duì)納秒級(jí)以下的脈沖進(jìn)行放大時(shí)，現(xiàn)在主要采用FCPA技術(shù)，其原理是用光柵展寬器將亞皮秒級(jí)短脈沖展寬為納秒級(jí)的啁啾脈沖，注入光纖放大器進(jìn)行能量放大，再將放大后的納秒級(jí)啁啾脈沖注入光柵壓縮器進(jìn)行脈沖壓縮，最后輸出皮秒或者亞皮秒級(jí)短脈沖，從而獲得大能量高峰值功率超短脈沖激光。然而，對(duì)于納秒級(jí)以上非啁啾的脈沖放大，不能采取上面的方式進(jìn)行脈沖展寬和壓縮，是本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法通過(guò)脈沖展寬和壓縮方式對(duì)納秒級(jí)以上非啁啾的脈沖進(jìn)行放大的問(wèn)題。( ニ )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)，其包括分束單元、走離與合波單元、放大單元、旋轉(zhuǎn)單元和反射單元；所述分束単元，用于將輸入脈沖和所述輸入脈沖經(jīng)反射后的逆向脈沖相分離；所述走離與合波単元，連接所述分束単元，用于將所述輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖，以及將所述子輸入脈沖經(jīng)反射后的子逆向脈沖回偏合波為所述逆向脈沖；所述放大単元，連接所述走離與合波単元，用于放大所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖；所述旋轉(zhuǎn)単元，連接所述放大単元，用于旋轉(zhuǎn)所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖的偏振態(tài)；所述反射単元，連接所述旋轉(zhuǎn)単元，用于反射所述子輸入脈沖得到所述子逆向脈沖。優(yōu)選地，所述分束單元采用PBS。優(yōu)選地，所述走離與合波單元采用多根首尾相接的高雙折射光纖。優(yōu)選地，所述走離與合波単元中，相鄰兩根所述高雙折射光纖的偏振坐標(biāo)之間呈預(yù)定角度。優(yōu)選地，所述預(yù)定角度為45°。優(yōu)選地，所述高雙折射光纖的長(zhǎng)度和折射率滿(mǎn)足以下公式LX I ΔηΙ/c > t0 ；其中，L表示單根所述高雙折射光纖的長(zhǎng)度；Δη表示所述高雙折射光纖在兩個(gè)偏振方向上的折射率之差；c表示光速；、表 示所述輸入脈沖的寬度。優(yōu)選地，所述放大單元采用大模場(chǎng)面積光纖。優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)單元采用法拉第旋轉(zhuǎn)器，并且所述法拉第旋轉(zhuǎn)器將所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖的偏振態(tài)分別旋轉(zhuǎn)45°。本發(fā)明還提供一種高能量時(shí)分脈沖放大方法，其包括步驟A :分束單元接收輸入脈沖，并將所述輸入脈沖發(fā)送至走離與合波單元；B:所述走離與合波單元將所述輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖后發(fā)送至放大單元；C :所述放大單元對(duì)所述子輸入脈沖進(jìn)行放大處理，并將放大后的所述子輸入脈沖發(fā)送至旋轉(zhuǎn)單元；D :所述旋轉(zhuǎn)単元旋轉(zhuǎn)所述子輸入脈沖的偏振態(tài)，并將旋轉(zhuǎn)后的所述子輸入脈沖發(fā)送至反射單元；E :所述反射単元反射所述子輸入脈沖得到子逆向脈沖，并將所述子逆向脈沖發(fā)送至所述旋轉(zhuǎn)單元；F :所述旋轉(zhuǎn)單元旋轉(zhuǎn)所述子逆向脈沖的偏振態(tài)，并將旋轉(zhuǎn)后的所述子逆向脈沖發(fā)送至所述放大単元；G :所述放大単元放大所述子逆向脈沖，并將放大后的所述子逆向脈沖發(fā)送至所述走離與合波單元；H:所述走離與合波単元將所述子逆向脈沖回偏合波為逆向脈沖后發(fā)送至所述分束単元；I :所述分束単元反射輸出所述逆向脈沖。優(yōu)選地，所述步驟D中，所述旋轉(zhuǎn)單元將所述子輸入脈沖的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45° ;所述步驟F中，所述旋轉(zhuǎn)単元將所述子逆向脈沖的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°。(三)有益效果本發(fā)明的高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)及方法，通過(guò)采用由多根高雙折射光纖級(jí)聯(lián)而成的走離與合波単元，將輸入脈沖分割為多個(gè)子輸入脈沖，再將子輸入脈沖放大、合并，最終輸出ー個(gè)巨脈沖，解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法通過(guò)脈沖展寬和壓縮方式對(duì)納秒級(jí)以上非啁啾的脈沖進(jìn)行放大的問(wèn)題，擴(kuò)大了脈沖放大的對(duì)象范圍；同時(shí)，對(duì)于脈沖的展寬量和壓縮量，可以通過(guò)改變所述雙折射光纖的雙折射率和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，十分靈活。


圖I是本發(fā)明的高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)的工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是所述走離與合波單元的結(jié)構(gòu)示意圖4是所述高雙折射光纖的截面示意圖；圖5是相鄰兩根所述高雙折射光纖連接處的截面示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例所述高能量時(shí)分脈沖放大方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。圖I是本發(fā)明的高能量時(shí)分脈沖放大系 統(tǒng)的工作原理示意圖，如圖I所示，輸入脈沖經(jīng)過(guò)脈沖分割被分割為多個(gè)形狀相似、幅度較小的子輸入脈沖，子輸入脈沖經(jīng)過(guò)脈沖放大處理得到放大后的子輸入脈沖，放大后的子輸入脈沖經(jīng)過(guò)脈沖合成得到一個(gè)用于輸出的巨脈沖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，所述系統(tǒng)包括分束單元100、走離與合波單元200、放大單元300、旋轉(zhuǎn)單元400和反射單元 500。所述分束單元100,采用 PBS (polarization beam splitter,偏振分束器)。PBS的特性是對(duì)經(jīng)過(guò)其的脈沖正向透射，反向反射，本實(shí)施例利用所述PBS的該特性，將輸入脈沖和所述輸入脈沖經(jīng)反射后的逆向脈沖相分離。本實(shí)施例中，所述輸入脈沖的波長(zhǎng)為1064納米。所述走離與合波単元200，連接所述分束単元100，用于將所述輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖(即對(duì)所述輸入脈沖進(jìn)行展寬處理)，以及將所述子輸入脈沖經(jīng)反射后的子逆向脈沖回偏合波為所述逆向脈沖(即對(duì)所述子逆向脈沖進(jìn)行壓縮處理)。圖3是所述走離與合波單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，所述走離與合波單元200由多根高雙折射光纖201通過(guò)首尾相焊接而成；并且，為了獲得較高的峰值功率，所述高雙折射光纖201優(yōu)選使用空心的高雙折射的光子晶體光纖。圖4是所述高雙折射光纖的截面示意圖，如圖4所示，所述高雙折射光纖201中設(shè)置有兩個(gè)應(yīng)力棒2011，設(shè)所述截面上所述兩個(gè)應(yīng)カ棒2011連線方向?yàn)閄方向，Y方向垂直于所述X方向，貝1J所述高雙折射光纖201在Y方向上的折射率ηγ大于其在X方向上的折射率ηχ，這樣脈沖經(jīng)過(guò)所述高雙折射光纖201以后就會(huì)在X方向和Y方向上分成2個(gè)偏振脈沖。X方向和Y方向是所述高雙折射光纖201的兩個(gè)偏振方向，并且構(gòu)成所述高雙折射光纖201的偏振坐標(biāo)。圖5是相鄰兩根所述高雙折射光纖連接處的截面示意圖，如圖5所示,虛線所示應(yīng)カ棒2011位于第η-I根所述高雙折射光纖201上，實(shí)線所示應(yīng)カ棒2011位于第η根所述高雙折射光纖201上，可以看到，相鄰兩根所述高雙折射光纖201的偏振坐標(biāo)之間呈預(yù)定角度a，這樣脈沖每經(jīng)過(guò)ー根所述高雙折射光纖201就會(huì)被分成2個(gè)脈沖，因此經(jīng)過(guò)由η根所述高雙折射光纖201級(jí)聯(lián)而成的所述走離與合波単元200后，所述輸入脈沖被偏振走離為2η個(gè)子輸入脈沖。為了保證分割得到的子輸入脈沖幅度相等，所述預(yù)定角度a為45°。同吋，需要說(shuō)明地是，為了能夠?qū)⑺鲚斎朊}沖在X和Y兩個(gè)偏振方向分開(kāi)，所述高雙折射光纖201的長(zhǎng)度和折射率滿(mǎn)足以下公式At = LX Δ η I /c > t0 ；其中，L表示單根所述高雙折射光纖201的長(zhǎng)度；Λη表示所述高雙折射光纖在X和Y兩個(gè)偏振方向上的折射率之差；C表示光速Jtl表示所述輸入脈沖的寬度。根據(jù)上述公式，可以看到，通過(guò)增大L或者Λη的數(shù)值，可以增大At的數(shù)值，從而可以增加對(duì)所述輸入脈沖的展寬量，相應(yīng)地也就増加了對(duì)所述子逆向脈沖的壓縮量；反之，則可以減小對(duì)所述輸入脈沖的展寬量和對(duì)所述子逆向脈沖的壓縮量。也就是說(shuō)，可以通過(guò)改變所述高雙折射光纖201的雙折射率或者長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述輸入脈沖的展寬量和對(duì)所述子逆向脈沖的壓縮量的調(diào)節(jié)。所述放大単元300，連接所述走離與合波単元200，用于放大所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖。所述放大単元300采用對(duì) 偏振不敏感的大模場(chǎng)面積光纖，本實(shí)施例中所述大模場(chǎng)面積光纖的內(nèi)徑為200微米，外徑為600微米。所述旋轉(zhuǎn)単元400，連接所述放大単元300，用于旋轉(zhuǎn)所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖的偏振態(tài)。所述旋轉(zhuǎn)単元400采用法拉第旋轉(zhuǎn)器，并且所述法拉第旋轉(zhuǎn)器將所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖的偏振態(tài)分別旋轉(zhuǎn)45°。這樣，所述走離與合波単元200輸出的子輸入脈沖與再次回到所述走離與合波単元200的子逆向脈沖相比，兩者的偏振態(tài)相差90°，因此所述子逆向脈沖能夠被所述走離與合波単元200回偏合波為ー個(gè)成整體的所述逆向脈沖。所述反射単元500，采用反射鏡，連接所述旋轉(zhuǎn)単元400，用于反射所述子輸入脈沖得到所述子逆向脈沖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例所述高能量時(shí)分脈沖放大方法流程圖，如圖6所示，所述方法包括步驟A :分束單元接收輸入脈沖，并將所述輸入脈沖發(fā)送至走離與合波單元；B:所述走離與合波單元將所述輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖后發(fā)送至放大單元；C :所述放大單元對(duì)所述子輸入脈沖進(jìn)行放大處理，并將放大后的所述子輸入脈沖發(fā)送至旋轉(zhuǎn)單元；D :所述旋轉(zhuǎn)單元將所述子輸入脈沖的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，并將旋轉(zhuǎn)后的所述子輸入脈沖發(fā)送至反射単元；E :所述反射単元反射所述子輸入脈沖得到子逆向脈沖，并將所述子逆向脈沖發(fā)送至所述旋轉(zhuǎn)單元；F :所述旋轉(zhuǎn)単元將所述子逆向脈沖的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，并將旋轉(zhuǎn)后的所述子逆向脈沖發(fā)送至所述放大単元；G :所述放大単元放大所述子逆向脈沖，并將放大后的所述子逆向脈沖發(fā)送至所述走離與合波單元；H:所述走離與合波単元將所述子逆向脈沖回偏合波為逆向脈沖后發(fā)送至所述分束単元；I :所述分束單元反射輸出所述逆向脈沖。本發(fā)明實(shí)施例所述的高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)及方法，通過(guò)采用由多根高雙折射光纖級(jí)聯(lián)而成的走離與合波単元，將輸入脈沖分割為多個(gè)子輸入脈沖，再將子輸入脈沖放大、合井，最終輸出ー個(gè)巨脈沖，解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法通過(guò)脈沖展寬和壓縮方式對(duì)納秒級(jí)以上非啁啾的脈沖進(jìn)行放大的問(wèn)題，擴(kuò)大了脈沖放大的對(duì)象范圍；同時(shí)，對(duì)于脈沖的展寬量和壓縮量，可以通過(guò)改變所述雙折射光纖的雙折射率和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，十分靈活。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)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(zhuān)利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)，其特征在于，包括分束単元、走離與合波単元、放大單元、旋轉(zhuǎn)單元和反射單元； 所述分束単元，用于將輸入脈沖和所述輸入脈沖經(jīng)反射后的逆向脈沖相分離； 所述走離與合波単元，連接所述分束単元，用于將所述輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖，以及將所述子輸入脈沖經(jīng)反射后的子逆向脈沖回偏合波為所述逆向脈沖； 所述放大単元，連接所述走離與合波単元，用于放大所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖； 所述旋轉(zhuǎn)単元，連接所述放大単元，用于旋轉(zhuǎn)所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖的偏振態(tài)； 所述反射単元，連接所述旋轉(zhuǎn)単元，用于反射所述子輸入脈沖得到所述子逆向脈沖。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分束單元采用PBS。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述走離與合波單元采用多根首尾相接的高雙折射光纖。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述走離與合波単元中，相鄰兩根所述高雙折射光纖的偏振坐標(biāo)之間呈預(yù)定角度。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定角度為45°。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高雙折射光纖的長(zhǎng)度和折射率滿(mǎn)足以下公式 LX|An|/c>t0； 其中，L表示單根所述高雙折射光纖的長(zhǎng)度；△ η表示所述高雙折射光纖在兩個(gè)偏振方向上的折射率之差；c表示光速；、表示所述輸入脈沖的寬度。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大單元采用大模場(chǎng)面積光纖。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)單元采用法拉第旋轉(zhuǎn)器，并且所述法拉第旋轉(zhuǎn)器將所述子輸入脈沖和所述子逆向脈沖的偏振態(tài)分別旋轉(zhuǎn)45°。
9.一種高能量時(shí)分脈沖放大方法，其特征在于，包括步驟 A :分束単元接收輸入脈沖，并將所述輸入脈沖發(fā)送至走離與合波単元； B:所述走離與合波單元將所述輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖后發(fā)送至放大單元; C :所述放大單元對(duì)所述子輸入脈沖進(jìn)行放大處理，并將放大后的所述子輸入脈沖發(fā)送至旋轉(zhuǎn)單元； D :所述旋轉(zhuǎn)単元旋轉(zhuǎn)所述子輸入脈沖的偏振態(tài)，并將旋轉(zhuǎn)后的所述子輸入脈沖發(fā)送至反射單元； E :所述反射単元反射所述子輸入脈沖得到子逆向脈沖，并將所述子逆向脈沖發(fā)送至所述旋轉(zhuǎn)單元； F :所述旋轉(zhuǎn)單元旋轉(zhuǎn)所述子逆向脈沖的偏振態(tài)，并將旋轉(zhuǎn)后的所述子逆向脈沖發(fā)送至所述放大單元； G :所述放大単元放大所述子逆向脈沖，并將放大后的所述子逆向脈沖發(fā)送至所述走離與合波單元； H:所述走離與合波単元將所述子逆向脈沖回偏合波為逆向脈沖后發(fā)送至所述分束單元; I:所述分束単元反射輸出所述逆向脈沖。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟D中，所述旋轉(zhuǎn)單元將所述子輸入脈沖的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45° ;所述步驟F中，所述旋轉(zhuǎn)単元將所述子逆向脈沖的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45。。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高能量時(shí)分脈沖放大系統(tǒng)及方法，涉及激光脈沖領(lǐng)域。所述系統(tǒng)包括分束單元、走離與合波單元、放大單元、旋轉(zhuǎn)單元和反射單元；分束單元，用于將輸入脈沖和逆向脈沖相分離；走離與合波單元，連接分束單元，用于將輸入脈沖偏振走離為多個(gè)子輸入脈沖，以及將子逆向脈沖回偏合波為逆向脈沖；放大單元，連接走離與合波單元，用于放大子輸入脈沖和子逆向脈沖；旋轉(zhuǎn)單元，連接放大單元，用于旋轉(zhuǎn)子輸入脈沖和子逆向脈沖的偏振態(tài)；反射單元，連接旋轉(zhuǎn)單元，用于反射子輸入脈沖得到子逆向脈沖。所述系統(tǒng)及方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法通過(guò)脈沖展寬與壓縮方式對(duì)納秒級(jí)以上非啁啾的脈沖進(jìn)行放大的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G02F1/39GK102692782SQ20121016824
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者鞏馬理, 張海濤, 柳強(qiáng), 鄭超, 閆平, 黃磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)