專利名稱：激光脈沖同步觸發(fā)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種激光脈沖同步觸發(fā)裝置，主要適用于多路激光脈沖系統(tǒng)中高穩(wěn)定性 的信號觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)多路激光的脈沖信號之間以及激光信號與電信號之間的穩(wěn)定的相對時(shí)間 控制。其優(yōu)點(diǎn)是脈沖間相對時(shí)間穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，光纖化，激光脈沖間相對時(shí) 間抖動(dòng)小于6ps(均方根)。
背景技術(shù)：
在超短超強(qiáng)激光系統(tǒng)中，精確穩(wěn)定的多路激光脈沖時(shí)間控制是一個(gè)重要技術(shù)，它 對整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性有重要影響。如在長短脈沖聯(lián)合驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，對探針光脈沖 與主激光脈沖間的相對時(shí)間控制；在光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)中，對超短信號光與泵 浦光的同步時(shí)間控制等均對脈沖之間的時(shí)間控制提出了很高的要求。在時(shí)間控制方面，多路激光脈沖之間的相對時(shí)間穩(wěn)定性，即多路激光脈沖間的嚴(yán) 格同步是實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。納秒精度激光同步觸發(fā)系統(tǒng)中，利用信號同步器的輸出電脈沖作為 多路延時(shí)器的電觸發(fā)信號(參見在先技術(shù)[1]發(fā)明專利多路激光脈沖同步觸發(fā)裝置，申請 號200610025355. 1)。因?yàn)樾盘柾狡鬏敵龅碾娒}沖上升沿慢且幅度有限，觸發(fā)過程中觸發(fā) 點(diǎn)會(huì)有納秒量級的時(shí)間抖動(dòng)。這種時(shí)間抖動(dòng)使得多路激光脈沖信號間的相對時(shí)延穩(wěn)定性限 制在納秒量級，不能滿足更高精度的觸發(fā)。在激光脈沖同步觸發(fā)系統(tǒng)中，電脈沖發(fā)生器或者多路延時(shí)器的觸發(fā)信號必須具有 足夠的幅度、寬度及快速的上升沿，才可以減小及避免觸發(fā)點(diǎn)相對于光源脈沖的相對時(shí)間 抖動(dòng)，獲得高精度、高穩(wěn)定性的同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)各路激光信號之間的相對時(shí)間穩(wěn)定。目前使 用的皮秒量級激光脈沖同步高精度觸發(fā)裝置中，多采用固體激光放大器對光信號進(jìn)行放 大，然后利用硅光電導(dǎo)開關(guān)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生滿足上述要求的觸發(fā)電信號(參見在先技術(shù) [2]，中國激光，2008，35 (1)，31-34)。此方法成本高，結(jié)構(gòu)龐大，調(diào)節(jié)復(fù)雜，且光信號的幅度 變化會(huì)直接導(dǎo)致電觸發(fā)信號幅度變化，進(jìn)而影響多路激光脈沖間的相對時(shí)間。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有同步裝置的不足，提供一種激光脈沖同步觸發(fā)裝 置，將兩個(gè)激光系統(tǒng)的輸出光之間相對時(shí)間穩(wěn)定性提高到皮秒量級；實(shí)現(xiàn)全光纖化，結(jié)構(gòu)緊 湊，成本低，降低光信號幅度變化對同步精度的影響。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特電在于它是由短脈沖激光系統(tǒng)、IXN分束器、光 脈沖堆積器、高速光電管、快速比較器、電脈沖發(fā)生器、脈沖整形板、第一可調(diào)延遲器、長脈 沖激光器、第二可調(diào)延遲器和振幅調(diào)制器構(gòu)成，其連接關(guān)系是所述的短脈沖激光系統(tǒng)輸出的短脈沖激光由所述的IXN分束器分成N束，其中N 為2以上的正整數(shù)，分出的一束光通過所述的第一可調(diào)延遲器輸出；分出的另一束光經(jīng)所 述的光脈沖堆積器后輸出一個(gè)上升沿不變的寬光脈沖，所述的高速光電管將所述的光脈沖堆積器輸出的寬光脈沖轉(zhuǎn)化為具有相同形狀的電信號脈沖，該電信號脈沖經(jīng)所述的快速比 較器輸入所述的電脈沖發(fā)生器，該電脈沖發(fā)生器輸出的電脈沖經(jīng)所述的脈沖整形板后輸入 所述的振幅調(diào)制器的射頻輸入端；同時(shí)，所述的長脈沖激光器輸出的長脈沖激光經(jīng)過第二 可調(diào)延遲器輸入所述的振幅調(diào)制器，該振幅調(diào)制器在所述的射頻輸入端的電脈沖作用下， 輸出整形光脈沖，該整形光脈沖與經(jīng)所述的第一可調(diào)延遲器輸出的光脈沖之間具有可調(diào)的 穩(wěn)定的時(shí)間關(guān)系。所述的短脈沖激光系統(tǒng)是皮秒鎖模激光器，或者是飛秒鎖模激光器，或者是鎖模 激光器與選單、放大等模塊的組合激光系統(tǒng)。所述的光脈沖堆積器的構(gòu)成是通過具有等時(shí)延的延時(shí)光纖對將一系列2X2端 口 50:50光纖耦合器串聯(lián)而成，最終經(jīng)多次分束合束輸出的寬脈沖上升沿與輸入短脈沖的 上升沿相同，而脈沖寬度等于多次各分束脈沖的寬度拼接之和。所述的光脈沖堆積器的構(gòu)成是使用IXN分束器與NXl合束器組合實(shí)現(xiàn)的脈沖 堆積結(jié)構(gòu)，或者是使用ι χ 2分束器多次分束堆積結(jié)構(gòu)，或使用2 X 1合束器多次合束堆積結(jié) 構(gòu)。在所述的快速比較器和電脈沖發(fā)生器之間設(shè)有電放大器。所述的長脈沖激光器是輸出納秒脈沖寬度或者微秒脈沖寬度激光脈沖的激光器 或者激光系統(tǒng)。所述的IXN分束器將短脈沖激光系統(tǒng)的輸出光分出一束，通入光脈沖堆積器，光 脈沖堆積器用來將短脈沖堆積得到上升沿不變的寬脈沖。由于分束光拼接、干涉效應(yīng)和分 束比的差別等原因，光脈沖堆積所得的寬脈沖頂部會(huì)帶有很大的起伏。所述的高速光電管 將光脈沖堆積器的輸出光脈沖轉(zhuǎn)化為相同波形的電脈沖，通入快速比較器。所述的快速比較器，設(shè)置快速比較器的參考電平低于高速光電管輸出的電信號的 頂部起伏的最低點(diǎn)，以消除所述的電脈沖信號頂部的起伏。當(dāng)高速光電管輸出的電信號的 幅度高于所述的快速比較器的參考電平時(shí)，快速比較器輸出具有快速上升沿的高電平信 號；當(dāng)快速比較器輸出快速上升沿的高電平信號后，不會(huì)因?yàn)楦咚俟怆姽茌敵龅碾娦盘柕?幅度頂部的起伏而變?yōu)檩敵龅碗娖叫盘?，在輸入電信號脈沖寬度內(nèi)，快速比較器的輸出均 為平坦的高電平信號。僅當(dāng)高速光電管輸出的電信號的幅度低于參考電平時(shí)，所述的快速 比較器才輸出低電平信號。所以，快速比較器消除了入射電信號的頂部起伏，得到與高速光 電管輸出的電信號的寬度相近、具有快速上升沿的頂部平坦的電脈沖信號。當(dāng)快速比較器的輸出電脈沖信號對所述的電脈沖發(fā)生器的幅度不足時(shí)，使用電放 大器對快速比較器的輸出電脈沖信號進(jìn)行放大。電放大器的輸出作為電脈沖發(fā)生器的電觸發(fā)信號輸入電脈沖發(fā)生器的觸發(fā)輸入 端。電脈沖發(fā)生器的輸出方波脈沖經(jīng)過脈沖整形板后被整形為整形電脈沖，該整形電脈沖 通入振幅調(diào)制器的射頻輸入端。同時(shí)，長脈沖激光器的輸出光經(jīng)過第二可調(diào)延遲器通入振 幅調(diào)制器的光信號輸入端。調(diào)節(jié)第二可調(diào)延遲器的時(shí)間延遲，使得整形電脈沖通入振幅調(diào) 制器時(shí)，長脈沖激光器輸出的光脈沖也正好通過振幅調(diào)制器。振幅調(diào)制器在整形電脈沖的 作用下，將長脈沖激光器輸出的光脈沖整形為與整形電脈沖相同波形的整形光脈沖。振幅調(diào)制器輸出的整形光脈沖與短脈沖激光系統(tǒng)的輸出光之間具有皮秒量級的 相對時(shí)間穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了整形脈沖激光系統(tǒng)和短脈沖激光系統(tǒng)兩個(gè)激光系統(tǒng)輸出光之間的穩(wěn)定同步。第一可調(diào)延遲器和電脈沖發(fā)生器可用于調(diào)節(jié)上述兩個(gè)激光系統(tǒng)輸出光之間的時(shí) 間延遲。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)輸出激光之間的穩(wěn)定同步，將兩個(gè)激光之間的相對時(shí)間抖動(dòng) 降低到了皮秒量級，且系統(tǒng)易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光系統(tǒng)輸出光之間的穩(wěn)定同步；2、本發(fā)明使用全光纖化的緊湊結(jié)構(gòu)獲得了具有百皮秒量級快速上升沿、納秒寬度 與足夠強(qiáng)度的電觸發(fā)信號，保證電脈沖發(fā)生器的觸發(fā)過程處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)；3、本發(fā)明使用快速比較器對電信號進(jìn)行整形，獲得了百皮秒量級的快速上升沿， 并且快速比較器輸出的高電平幅度與入射電脈沖的幅度無關(guān)，從而避免了光信號幅度起伏 對同步觸發(fā)過程的影響；4、本發(fā)明調(diào)節(jié)方便，工作穩(wěn)定，同步精度高。
圖1是本發(fā)明的激光脈沖同步觸發(fā)裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-短脈沖激光系統(tǒng)；2-1 XN分束器；3-光脈沖堆積器；4_高速光電管；5_快速比 較器；6-電放大器；7-電脈沖發(fā)生器；8-脈沖整形板；9-第一可調(diào)延遲器；10-長脈沖激光 器；11-第二可調(diào)延遲器；12-振幅調(diào)制器；13-整形脈沖激光系統(tǒng)圖2是本發(fā)明的光脈沖堆積器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中14 19-2X2端口 5050光纖耦合器；20 29-延時(shí)光纖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請先參閱圖1，圖1是本發(fā)明的激光脈沖同步觸發(fā)裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖 可見，本發(fā)明激光脈沖同步觸發(fā)裝置，是由短脈沖激光系統(tǒng)1、1XN分束器2、光脈沖堆積器 3、高速光電管4、快速比較器5、電放大器6、電脈沖發(fā)生器7、脈沖整形板8、第一可調(diào)延遲 器9、長脈沖激光器10、第二可調(diào)延遲器11和振幅調(diào)制器12構(gòu)成，其連接關(guān)系是所述的短 脈沖激光系統(tǒng)1輸出的短脈沖激光由所述的IXN分束器2分成N束，其中N為2以上的正 整數(shù)，分出的一束光通過所述的第一可調(diào)延遲器9輸出；分出的另一束光通入所述的光脈 沖堆積器3輸出一個(gè)上升沿不變的寬光脈沖，所述的高速光電管4將所述的光脈沖堆積器 3輸出的寬光脈沖轉(zhuǎn)化為具有相同形狀的電信號脈沖，該電信號脈沖經(jīng)所述的快速比較器 5、電放大器6、輸入所述的電脈沖發(fā)生器7，該電脈沖發(fā)生器7輸出的電脈沖經(jīng)所述的脈沖 整形板8后輸入所述的振幅調(diào)制器12的射頻輸入端；同時(shí)，所述的長脈沖激光器10輸出的 長脈沖激光經(jīng)過第二可調(diào)延遲器11通入所述的振幅調(diào)制器12，該振幅調(diào)制器12在所述的 射頻輸入端的電脈沖作用下，輸出整形光脈沖，該整形光脈沖與經(jīng)所述的第一可調(diào)延遲器9 輸出的光脈沖之間具有可調(diào)的穩(wěn)定的位相關(guān)系。本實(shí)施例所述的光脈沖堆積器3的構(gòu)成是通過具有等時(shí)延的延時(shí)光纖對將一系 列2 X 2端口 50 50光纖耦合器串聯(lián)而成，最終經(jīng)多次分束合束輸出的寬脈沖上升沿與輸入短脈沖的上升沿相同，而脈沖寬度等于多次各分束脈沖的寬度拼接之和。本實(shí)施例光脈沖堆積器的結(jié)構(gòu)請參見圖2，是通過延時(shí)光纖對20、25 ；21,26 ；22、 27 ；23,28 ；24、29將一系列2X2端口 50:50光纖耦合器14、15、16、17、18、19串聯(lián)構(gòu)成的。 光脈沖堆積器的第一級2 X 2端口 50 50光纖耦合器14對1 X N分束器2的一路輸出光進(jìn)行 第一次分束。第一級2X2端口 50:50光纖耦合器14的兩個(gè)輸出端口通過兩段不同長度的 延時(shí)光纖20、25與第二級2X2端口 50:50光纖耦合器15的兩個(gè)輸入端口相連。所述兩段 不同長度的延時(shí)光纖20、25給兩路分束光提供不同的時(shí)間延遲，使兩分束光在第二級2X2 端口 50 50光纖耦合器15的輸入端合束時(shí)具有一定時(shí)間差，從而在第二級2 X 2端口 50 50 光纖耦合器15的輸出端得到兩路分束光拼接起來的寬脈沖。對第二級2X2端口 50:50光 纖耦合器15的兩個(gè)輸出端再次進(jìn)行上述的延時(shí)和合束操作，輸出的脈沖寬度進(jìn)一步增加。 最終經(jīng)多次分束合束輸出的寬脈沖上升沿與輸入短脈沖的上升沿相同，而脈沖寬度等于多 次各分束脈沖的寬度拼接之和。本實(shí)施例中，所述的短脈沖激光系統(tǒng)1輸出為飛秒鎖模激光經(jīng)展寬、選單、放大得 到的脈寬為140ps、重復(fù)頻率為IHz的光脈沖信號。該光脈沖信號經(jīng)過1X2分束器2分束， 分出的一束光通入光脈沖堆積器3。如圖2所示，光脈沖堆積器3使用6個(gè)2 X 2端口 50 50 光纖耦合器14-19，設(shè)置延時(shí)光纖20-29的長度，使相鄰脈沖的間隔約為170ps，拼接堆積得 到脈寬5. 5ns，上升沿小于IOOps的堆積光脈沖信號，堆積光脈沖信號頂部波形起伏很大， 這是由光脈沖堆積過程中的干涉效應(yīng)及2X2端口 50:50光纖耦合器14-19的分束比有偏 差引起的。所述的高速光電管4將堆積光脈沖波形轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電波形，輸入快速比較器 5。恰當(dāng)設(shè)置快速比較器5的參考電平，并由電放大器6放大其輸出信號，得到幅值7V，上升 沿165ps、脈寬5. 5ns的電信號，作為電脈沖發(fā)生器7的觸發(fā)電信號。電脈沖發(fā)生器7輸出 的方波電脈沖經(jīng)過脈沖整形板8后得到整形電脈沖，該整形電脈沖通入振幅調(diào)制器12的射 頻輸入端。所述的長脈沖激光器10輸出200ns脈寬的激光脈沖經(jīng)過第二可調(diào)延遲器11的 適當(dāng)延遲輸入振幅調(diào)制器12，振幅調(diào)制器12將此200ns的脈沖整形為與整形電脈沖相同波 形的納秒整形光脈沖。實(shí)現(xiàn)了短脈沖激光系統(tǒng)與納秒整形激光系統(tǒng)的輸出光之間的相對時(shí) 間穩(wěn)定控制。使用光電探測器與示波器測量上述系統(tǒng)的同步效果，測量表明，本發(fā)明短脈沖 激光系統(tǒng)1的輸出光與振幅調(diào)制器12輸出的納秒整形光脈沖之間的相對時(shí)間抖動(dòng)小于 6ps (均方根)。
權(quán)利要求
一種激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特征在于它是由短脈沖激光系統(tǒng)(1)、1×N分束器(2)、光脈沖堆積器(3)、高速光電管(4)、快速比較器(5)、電脈沖發(fā)生器(7)、脈沖整形板(8)、第一可調(diào)延遲器(9)、長脈沖激光器(10)、第二可調(diào)延遲器(11)和振幅調(diào)制器(12)構(gòu)成，其連接關(guān)系是所述的短脈沖激光系統(tǒng)(1)輸出的短脈沖激光由所述的1×N分束器(2)分成N束，其中N為2以上的正整數(shù)，分出的一束光通過所述的第一可調(diào)延遲器(9)輸出；分出的另一束光通入所述的光脈沖堆積器(3)輸出一個(gè)上升沿不變的寬光脈沖，所述的高速光電管(4)將所述的光脈沖堆積器(3)輸出的寬光脈沖轉(zhuǎn)化為具有相同形狀的電信號脈沖，該電信號脈沖經(jīng)所述的快速比較器(5)輸入所述的電脈沖發(fā)生器(7)，該電脈沖發(fā)生器(7)輸出的電脈沖經(jīng)所述的脈沖整形板(8)后通入振幅調(diào)制器(12)的射頻輸入端；同時(shí)，所述的長脈沖激光器(10)輸出的長脈沖激光經(jīng)過第二可調(diào)延遲器(11)通入所述的振幅調(diào)制器(12)，該振幅調(diào)制器(12)在所述的射頻輸入端的電脈沖作用下，輸出整形光脈沖，該整形光脈沖與經(jīng)所述的第一可調(diào)延遲器(9)輸出的光脈沖之間具有可調(diào)的穩(wěn)定的位相關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特征在于所述的短脈沖激光系統(tǒng) (1)是皮秒鎖模激光器，或者是飛秒鎖模激光器，或者是鎖模激光器與選單、放大等模塊的 組合激光系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特征在于所述的光脈沖堆積器(3)的構(gòu)成是通過具有等時(shí)延的延時(shí)光纖對將一系列2X 2端口 50 50光纖耦合器串聯(lián)而 成，最終經(jīng)多次分束合束輸出的寬脈沖上升沿與輸入短脈沖的上升沿相同，而脈沖寬度等 于多次各分束脈沖的寬度拼接之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特征在于所述的光脈沖堆積器 (3)的構(gòu)成是使用IXN分束器與NXl合束器組合實(shí)現(xiàn)的脈沖堆積結(jié)構(gòu)，或者是使用1X2 分束器多次分束堆積結(jié)構(gòu)，或使用2X1合束器多次合束堆積結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特征是在所述的快速比較器(5) 和電脈沖發(fā)生器(7)之間設(shè)有電放大器(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖同步觸發(fā)裝置，其特征在于所述的長脈沖激光器 (10)是輸出納秒脈沖寬度或者微秒脈沖寬度激光脈沖的激光器或者激光系統(tǒng)。
全文摘要
一種激光脈沖同步觸發(fā)裝置，由短脈沖激光系統(tǒng)、1×N分束器、光脈沖堆積器、高速光電管、快速比較器、電脈沖發(fā)生器、脈沖整形板、第一可調(diào)延遲器、長脈沖激光器、第二可調(diào)延遲器和振幅調(diào)制器構(gòu)成，主要適用于多路激光脈沖系統(tǒng)中高穩(wěn)定性的信號觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)多路激光脈沖信號之間穩(wěn)定的相對時(shí)間控制。本發(fā)明將兩個(gè)激光系統(tǒng)的輸出光之間相對時(shí)間穩(wěn)定性提高到皮秒量級，本發(fā)明裝置具有全光纖化、結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，易擴(kuò)展的特點(diǎn)。
文檔編號H01S3/094GK101908712SQ20101023488
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者于國浩, 張攀政, 張鵬, 李國揚(yáng), 林尊琪, 汪小超, 范薇, 黃大杰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所