專利名稱：一種全光纖啁啾脈沖網(wǎng)絡(luò)相干放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是高功率超短激光脈沖的放大、載波包絡(luò)相位控制和激光相干合成技術(shù)。
背景技術(shù)：
高功率飛秒激光頻率梳技術(shù)(簡稱高功率光梳)是研究基礎(chǔ)物理學(xué)的一個重要手段，在推進人們對于時間，頻率，長度等基本物理量的測量精度方面有著至關(guān)重要的作用。同時，作為一項基礎(chǔ)技術(shù)，高功率光梳對于諸多高新科技的發(fā)展具有重大的意義，例如，光梳光譜高分辨特性可以很好的應(yīng)用于精密光譜、光鐘、頻率合成與測量；其相位精確穩(wěn)定特性可以用于大分子成像、量子相干控制、精密成像、精確定時定位，等等；它的聞功率，聞能量特性可以用于紫外光梳的產(chǎn)生和激發(fā)高次諧波產(chǎn)生阿秒超短脈沖，等等。 這種高功率光梳技術(shù)主要基于對激光脈沖的重復(fù)頻率的鎖定(f；的鎖定)技術(shù)，對激光脈沖的載波包絡(luò)相位(CEP，即激光的零頻&)的精密控制技術(shù)，以及激光脈沖的功率放大技術(shù)。近十年以來，光梳技術(shù)(即對激光脈沖的重復(fù)頻率和CEP的同時鎖定)已取得了巨大的進展。2004年，在光纖激光器上實現(xiàn)線寬約為IOmHz的摻鉺光纖光梳。2005年，報道了相位長期穩(wěn)定的摻鐿光纖光梳。在高功率光梳方面，目前通行的方案是I.用雙包層鐿光纖作為光梳振蕩器的增益介質(zhì)，直接輸出高功率脈沖。2008年，科羅拉多大學(xué)的JILA實驗室利用這種方法獲得了 IOW的近紅外光梳。但是，這種方法在獲得更高功率(近百瓦)的光梳方面存在嚴重的不足。振蕩器內(nèi)激光脈沖功率過高，會導(dǎo)致激光脈沖在多次振蕩之后，發(fā)生畸變和分裂，從而限制人們對激光重復(fù)頻率和CEP的控制精度。2.采用光纖放大技術(shù)或者啁啾脈沖放大技術(shù)，對光梳振蕩器輸出的種子光直接放大，從而獲得功率光梳。2010年，美國MRA公司通過這種方法得到了 80W的近紅外光梳。這種方法可以避免高能脈沖在激光腔內(nèi)的分裂，但是CEP會受到光功率放大器的附加噪聲的影響。這些噪聲包括熱效應(yīng)導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性差，以及高階非線性導(dǎo)致的色散作用使脈沖寬度嚴重展寬，等等。所以現(xiàn)行的獲得高功率光梳的方案主要受到激光放大過程對光梳載波包絡(luò)相位控制精度的負面影響，以及對激光脈沖的時間寬度的限制。綜上所述，雖然高能激光光梳的產(chǎn)生方案很多，但是都存在或多或少的技術(shù)不足和缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種全光纖激光脈沖相干網(wǎng)絡(luò)放大的方法。該方法利用激光脈沖相干合成技術(shù)，將各自放大后的激光脈沖相干合成一個高能脈沖。同時，該方法還通過零頻預(yù)補償技術(shù)對放大脈沖的載波包絡(luò)相位進行實時監(jiān)控和調(diào)整，以消除放大系統(tǒng)引入的零頻噪聲。這種方法不僅解決了單一脈沖功率放大的困難，如放大后脈沖的分裂和變形，而且有效地抑制了放大過程中的高階色散和放大器引入的零頻噪聲。本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成一種全光纖啁啾脈沖網(wǎng)絡(luò)相干放大方法，該方法包括如下步驟一、利用低噪聲光纖放大器對種子光進行預(yù)放大；一、將預(yù)放大后的激光脈沖通過光纖分束器分成N路，所述的N為大于I的整數(shù)；二、每路光各自分別經(jīng)過一個零頻預(yù)補償式的級聯(lián)放大系統(tǒng)和脈沖寬度壓縮系統(tǒng)；三、多路光由光纖合束器相干合成一路高功率激光。
作為上述技術(shù)方案的改良，本發(fā)明的進一步技術(shù)方案如下在上述步驟四中，使用網(wǎng)絡(luò)式相干合束方法，該方法通過脈沖相干的方式，將激光脈沖的光場強度E進行疊加，峰值功率P與場強E的平方成正比，最后輸出脈沖的峰值功率被放大了 N2倍，比一般的峰值功率疊加增加了 N倍，用以提高激光脈沖的功率。在上述步驟三中采用了一種基于聲光頻移器(AOFS)的零頻預(yù)補償方法，對放大器中的零頻噪聲進行精確控制，它的實現(xiàn)步驟是A、聲光相位調(diào)制器的調(diào)制頻率為4，取它的I級衍射光作為輸出光，則輸出光的頻率為f_fn，其中f為未經(jīng)調(diào)制的入射光頻率；B、在放大過程中激光脈沖獲得了一個附加相位噪聲頻率& (零頻)，則放大后激光的頻率變?yōu)閒-fn+fo，C、將&信號通過自參考光路提取出來，并反饋給聲光相位調(diào)制器，作為其調(diào)制頻率(即，fn = fo)，便可預(yù)先抵消放大系統(tǒng)引入的零頻噪聲，最后得到載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的激光輸出。本發(fā)明的工作過程是利用低噪聲光纖放大器對種子光進行預(yù)防大；再將預(yù)放大后的激光脈沖通過光纖分束器分成N路，每路光各自分別經(jīng)過一個零頻預(yù)補償式的級聯(lián)放大系統(tǒng)和脈沖寬度壓縮系統(tǒng)；最后，N路光由光纖合束器相干合成一路高功率激光。所述零頻預(yù)補償放大技術(shù)是指通過聲光相位調(diào)制器對入射激光的頻率進行調(diào)制。聲光相位調(diào)制器的調(diào)制頻率為fn，并取它的I級衍射光作為輸出光，則輸出光的頻率為f-fn，其中f為未經(jīng)調(diào)制的入射光頻率。調(diào)制后的激光經(jīng)過級聯(lián)光纖放大系統(tǒng)后被放大到高功率狀態(tài)。在放大過程中脈沖由于受到放大器中熱效應(yīng)和色散效應(yīng)的影響，放大后的激光將會獲得一個附加相位噪聲頻率fo(零頻)，此時放大后激光的頻率變?yōu)閒-fn+fo?，F(xiàn)將fo信號通過自參考光路提取出來，并反饋給聲光相位調(diào)制器，作為其調(diào)制頻率(即，fn=fo)，便可預(yù)先抵消放大系統(tǒng)引入的零頻噪聲，最后得到載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的激光輸出。所述相干合束技術(shù)，是指多束(兩束及兩束以上)脈沖激光通過相干的方式進行光場強度的疊加，最后輸出一個穩(wěn)定的高功率脈沖。一般的脈沖的疊加，是光強度的疊加。因為在其它條件不變的情況下，光脈沖的峰值功率正比于光強度I，所以強度的疊加可以理解為峰值功率的疊加。假設(shè)其中每一束光的峰值功率為P，N束光直接合束后，脈沖峰值功率變?yōu)镹XP ;而通過相干的方式合束后，脈沖的電場強度A發(fā)生疊加?？紤]N束光的相位相同的情況，則可以的到電場強度為NXA的合束光。此時，脈沖的光場強度為(NXA)2=N2XI，相應(yīng)的峰值功率為N2XP。所以相干合成的方法有利于提高激光脈沖的功率，同時保證脈沖內(nèi)各頻率成分的相位穩(wěn)定。
本發(fā)明的有益效果在于利用相干放大網(wǎng)絡(luò)克服了光脈沖直接放大所面臨的熱效應(yīng)、脈沖變形、噪聲等問題，另外預(yù)補償技術(shù)也使載波包絡(luò)相位鎖定比以往的先放大，再用f-to-2f系統(tǒng)測量載波相位，用鎖相電路反饋控制激光器的方法更穩(wěn)、精度更高，輸出的功率也可更高。


附圖I為本發(fā)明的流程圖；附圖2為零頻預(yù)補償式放大技術(shù)的流程圖；附圖3為全光纖啁啾脈沖相干放大網(wǎng)絡(luò)的裝置示意圖；附圖4為兩路脈沖光束相干疊加的原理具體實施方式
以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細說明如附圖1-3所示，圖中符號分別表示如下L是光纖光梳，A是預(yù)放大器，BI是I :6分束器，C是全光纖聲光頻移器(AOFS)，Dl, D2是光纖隔離器，EU E2是大模場雙包層光纖(LMA-DCF)，F(xiàn)1、F2是光纖式波分復(fù)用器(WDM)，G1、G2是半導(dǎo)體激光器泵源，H是由光柵對組成的脈沖壓縮器，J是I :99光纖稱合輸出器，132是6:1稱合器，I代表自參考系統(tǒng)。本實施例所涉及的具體技術(shù)如下所述首先是級聯(lián)放大網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，先對預(yù)放大的飛秒量級的種子光進行分束，分為N束，每束光的功率為P ;每束光分別經(jīng)過一個級聯(lián)放大系統(tǒng)，該放大系統(tǒng)有多級高功率光纖放大器組成，放大后每束光的功率提高為P’ ；然后分別經(jīng)過衍射效率為η的脈沖壓縮器，使激光脈沖的寬度保持在fs量級；最后用一個合束器將N束光合成為一束光，功率為N ηΡ’。其次是零頻預(yù)補償技術(shù)，在每一束光進入各自的放大系統(tǒng)之前，都放置一個全光纖型聲光頻移器(A0FS)，每束光被分成I級和O級兩路，其中O級光被放棄，I級光被頻移_fn，并被送入放大系統(tǒng)進行功率放大；放大后的脈沖，由于受到放大器噪聲的影響，產(chǎn)生了載波包絡(luò)位相漂移& ;該漂移量通過自參考光路后被檢測出來，并被反饋給聲光相頻移器，這樣頻移器的調(diào)制頻率fn=fo，使得I級光的頻移量可以與放大器噪聲引入的零頻漂移量相抵消，從而實現(xiàn)放大脈沖載波包絡(luò)相位的穩(wěn)定。最后是脈沖網(wǎng)絡(luò)相干合成技術(shù)，將載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的多束激光通過合束器合成為一束高功率激光。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于合成前的各個脈沖之間的相對相位要達到一個較高的穩(wěn)定度，也就在需要載波包絡(luò)相位噪聲極小的光束之間才能實現(xiàn)相干合成，所以網(wǎng)絡(luò)相干合成技術(shù)的基礎(chǔ)在于預(yù)補償技術(shù)。該技術(shù)中的一個關(guān)鍵點是脈沖相干疊加。圖4中給出了脈沖相干疊加的理論模擬結(jié)果。以兩個脈沖寬度相同、相位相同、振幅相同的脈沖光為例(圖4左上)，此時N=2，A=1，I=1。當兩束光相干疊加后出現(xiàn)電場強度相長現(xiàn)象，見圖4右上，合成脈沖的電場強度為A’ =2。由于光強度是電場強度的平方關(guān)系，則合成脈沖的光強度為=A’ 2=4，見圖4右下。而非相干脈沖合束后，光強度簡單相加即I’’ =2X1=2，見圖4左下。因為脈沖峰值功率正比于光強度，所以可見相干脈沖合成后的峰值功率是非相干合成脈沖的2倍。具體實施如下
本實施例中，光纖光梳L輸出的激光經(jīng)過一段摻鐿單模光纖進行預(yù)放大A，再經(jīng)過分束器BI將光束分成6等份，分別進入光纖放大網(wǎng)絡(luò)的6個分支。每支光路的結(jié)構(gòu)相同，這里僅以其中一路為例進行具體描述。激光進入光纖放大網(wǎng)絡(luò)后，先受到聲光頻移器C的調(diào)制作用，產(chǎn)生I級光，其頻率為f_fn ;然后激光進入第一級放大器。該放大器由光纖隔離器D1，大模場雙包層光子晶體光纖El和高功率的半導(dǎo)體激光器Gl組成。其中光纖隔離器Dl的作用是防止激光碰到鏡面后，沿原路反射進入激光器，破壞激光器的鎖模狀態(tài)；大模場雙包層光子晶體光纖El的作用是充當激光器的增益介質(zhì)；高功率的半導(dǎo)體激光器Gl為整個第一級放大器的泵浦源，為放大器提供能量。接著，脈沖進入第二級放大器，其結(jié)構(gòu)與第一級放大器相同。經(jīng)過兩級放大器之后單路脈沖的平均功率提高為P’，激光頻率為f-4+fo。由于放大過程中，激光脈沖的寬度在光纖的色散作用下被展寬，所以放大后的脈沖需再經(jīng)過一個由光柵對組成的脈沖壓縮器，以保證其脈沖寬度在fs量級。之后被壓縮的激光經(jīng)過一個I :99的光纖耦合器H，其中小部分光(1%)被送入自參考系統(tǒng)I (f_2f系統(tǒng))產(chǎn)生拍頻信號(零頻噪聲fo)，該信號被反饋給聲光頻移器B，并作為其調(diào)制頻率，則fn被置為&，這樣 I級光的載波包絡(luò)相位噪聲將被有效地抑制；另外大部分激光(99%)經(jīng)過一個6 :1的合束器B2之后，與其它5路光相干合成為一路高功率激光。由此，整個方案提出的全光纖啁啾脈沖相干放大網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅可以實現(xiàn)高功率的飛秒激光脈沖輸出，同時還可以對高功率激光脈沖的載波包絡(luò)相位進行精確鎖定和控制。本系統(tǒng)的最大特點和優(yōu)點就在于利用全光纖啁啾脈沖相干放大網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了光脈沖直接放大所面臨的熱效應(yīng)、脈沖變形、噪聲等問題；利用網(wǎng)絡(luò)式放大，將脈沖分為多路，獨立放大，并采用預(yù)補償技術(shù)精確控制各路激光的載波包絡(luò)相位頻率(零頻)，以便使各分路激光最后能順利實現(xiàn)相干合成。該方法比以往的實現(xiàn)高功率光梳的方法更有利于減少放大器對飛秒激光脈沖在時-頻域造成的負面影響，并且其輸出的功率也高于直接放大的方式。需要特別說明的是如上所述是結(jié)合具體內(nèi)容提供的一種實施方式，并不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。凡與本發(fā)明結(jié)構(gòu)、裝置等近似、雷同，或是對于本發(fā)明構(gòu)思前提下做出若干技術(shù)推演或替換，都應(yīng)當視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種全光纖啁啾脈沖網(wǎng)絡(luò)相干放大方法，其特征在于該方法包括如下步驟 一、利用低噪聲光纖放大器對種子光進行預(yù)放大； 二、將預(yù)放大后的激光脈沖通過光纖分束器分成N路，所述的N為大于I的整數(shù)； 三、每路光各自分別經(jīng)過一個零頻預(yù)補償式的級聯(lián)放大系統(tǒng)和脈沖寬度壓縮系統(tǒng)； 四、多路光由光纖合束器相干合成一路高功率激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全光纖啁啾脈沖網(wǎng)絡(luò)相干放大方法，其特征在于在上述步驟四中，使用網(wǎng)絡(luò)式相干合束方法，該方法通過脈沖相干的方式，將激光脈沖的光場強度E進行疊加，功率P與場強E的平方成正比，最后輸出脈沖的峰值功率被放大了 N2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全光纖啁啾脈沖網(wǎng)絡(luò)相干放大方法，其特征在于在上述步驟三中采用了一種基于聲光頻移器(AOFS)的零頻預(yù)補償方法，對放大器中的零頻噪聲進行精確控制，它的實現(xiàn)步驟是 A、聲光相位調(diào)制器的調(diào)制頻率為fn，取它的I級衍射光作為輸出光，則輸出光的頻率為f_fn，其中f為未經(jīng)調(diào)制的入射光頻率； B、在放大過程中激光脈沖獲得了一個附加相位噪聲頻率&(零頻)，則放大后激光的頻率變?yōu)閒-fn+f0， C、將&信號通過自參考光路提取出來，并反饋給聲光相位調(diào)制器，作為其調(diào)制頻率(即，fn = fo)，便可預(yù)先抵消放大系統(tǒng)引入的零頻噪聲，最后得到載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的激光輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全光纖啁啾脈沖網(wǎng)絡(luò)相干放大方法，該方法利用低噪聲光纖放大器對種子光進行預(yù)防大；再將預(yù)放大后的激光脈沖通過光纖分束器分成多路，每路光各自分別經(jīng)過一個零頻預(yù)補償式的級聯(lián)放大系統(tǒng)和脈沖寬度壓縮系統(tǒng)；最后，多路光由光纖合束器相干合成一路高功率激光。本發(fā)明利用相干放大網(wǎng)絡(luò)克服了光脈沖直接放大所面臨的熱效應(yīng)、脈沖變形、噪聲等問題，另外預(yù)補償技術(shù)也使載波包絡(luò)相位鎖定比以往的先放大，再用f-to-2f系統(tǒng)測量載波相位，用鎖相電路反饋控制激光器的方法更穩(wěn)、精度更高，輸出的功率也可更高。
文檔編號H01S3/067GK102882108SQ201210345670
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者曾和平 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司