一种光纤激光放大系统及其动态振幅和光谱调制方法技术方案

一种光纤激光放大系统及其动态振幅和光谱调制方法，涉及光纤激光器领域。本发明专利技术包括：激光泵浦、展宽器、脉冲整形器、放大器和压缩器；激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，将其投射到放大器中，通过放大器对重新塑造后的激光脉冲进行功率放大，将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光。本发明专利技术通过声光色散整形器任意调制光谱形状和相位，以可控幅度控制产生不同的色散级。通过展宽器实现脉冲展宽、放大器实现激光功率放大，使得高质量、紧凑、可靠的光纤激光器系统得以实现。

An optical fiber laser amplification system and its dynamic amplitude and spectral modulation method

An optical fiber laser amplification system and its dynamic amplitude and spectral modulation method relate to the field of optical fiber lasers. The invention comprises a laser pump, a stretcher, a pulse shaper, an amplifier and a compressor; a laser pump produces a pump light, a pump light enters a stretcher, a stretcher stretches the pump light to produce a laser pulse with a stretching pulse width, a laser pulse is projected into a pulse shaper, and a pulse shaper passes through a dynamic vibration. Amplitude and spectrum modulation reshapes the laser pulse, projects it into the amplifier, amplifies the power of the reshaped laser pulse, and projects it into the compressor to compress the laser pulse width to output the laser with the original pulse width. The method can modulate the shape and phase of the spectrum arbitrarily by an acoustooptic dispersion shaper, and can control the amplitude to produce different dispersion levels. Laser power amplification is realized by pulse broadener and amplifier. High quality, compact and reliable fiber laser system is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤激光放大系统及其动态振幅和光谱调制方法
本专利技术涉及光纤激光器
，具体涉及一种光纤激光放大系统及其动态振幅和光谱调制方法。
技术介绍
尽管目前的光纤激光器技术在实现输出功率不断增加的紧凑型激光器方面取得了重大进展，但利用普通手段仍然面临着技术上的局限性和困难。具体而言，在光纤激光系统中可以采用啁啾脉冲放大技术实现功率的增加。对于短脉冲高功率激光放大器，三阶色散限制了激光器的扩展性，限制了啁啾脉冲放大技术的发展。传统的固体激光器利用光栅透镜组合和压缩器进行脉冲拉伸和压缩，没有解决这些限制。理想情况下，在这样的固体激光器中，所有的色散顺序都可以得到补偿，但是材料的色散会扭曲和破坏这种理想的情况。但在固体激光器中，材料的色散并不是一个严重的问题，因为材料的色散通常被认为是不重要的。然而，对于光纤激光系统来说，由于光纤激光系统中试图用光纤展宽器代替光栅透镜组合以显著提高系统的可靠性，那情况就不同了。然而，三阶色散限制了使用压缩器时的去啁啾能力，即使这种组合压缩器也有正三阶色散。压气机由于既能伸展光纤，又能实现二阶色散。这种三阶色散问题使得研制出一种脉宽小于200fs的高能光纤激光系统更加困难。实际上，对于能量较高的激光系统，处理三阶色散的技术难度更大。高功率的激光系统需要更高的拉伸比，从而导致产生更高的三阶色散。因此，对于高功率激光系统，将脉冲重新压缩到原来的脉宽就更加困难了，这个困难通常被称为压缩性问题。因此，在光纤激光器的设计和制造中，仍然需要提供一种新的、改进的结构和方法，能够利用动态振幅和光谱调制的优势来补偿色散和形成激光脉冲，以解决上述技术问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种光纤激光放大系统及其动态振幅和光谱调制方法。本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下：本专利技术的一种光纤激光放大系统，包括：激光泵浦、展宽器、脉冲整形器、放大器和压缩器；所述激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到放大器中，通过放大器对重新塑造后的激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光；或者；所述激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到放大器中，通过放大器对激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光。进一步的，所述激光泵浦采用光纤锁模振荡器，所述展宽器采用光纤拉伸器，所述放大器采用多级放大器链。进一步的，所述脉冲整形器采用声光色散整形器，能够任意调整光谱的形状和相位，以可控幅度控制，产生不同的色散级，包括产生一个负三阶色散，用于补偿由激光脉冲拉伸和功率放大过程产生的正三阶色散。进一步的，所述声光色散整形器采用有源可控制色散元件或者采用有源可编程色散元件。进一步的，所述声光色散整形器采用二氧化碲晶体、磷化镓、磷化铟、铌酸锂或熔融石英。一种光纤激光放大系统的动态振幅和光谱调制方法，包括以下步骤：步骤一、构建光纤激光放大系统；步骤二、激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸，产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到声光色散整形器中；步骤三、声光色散整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，在声光色散整形器工作范围内加入调制因子S(ω)，将调制因子S(ω)与直接从声光色散整形器中获取的输入光谱相乘得到输出光谱，以使声光色散整形器能够任意调节光谱形状和相位，实现光谱调制；调制因子S(ω)的公式如式(1)所示：S(ω)＝A(ω)eiφ(ω)(1)上式中，A(ω)为光谱的幅度序列，φ(ω)为相位函数，i’为相位函数系数，ω为实时相位值，Δω为相位差，Δω1为目标相位差，ω0为初始相位，ω1为目标相位值，h为幅度系数，a1为一阶相位系数，a2为二阶相位系数，a3为三阶相位系数，a4为四阶相位系数；步骤四、声光色散整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到放大器中，通过放大器对重新塑造后的激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光。进一步的，步骤三中，由式(1)、式(2)和式(3)定义的光谱调制提供了两种滤波的特征：首先，通过由高斯孔叠加的超高斯包络的卷积来控制光谱振幅，以特定频率产生骤减的倒尖式脉冲强度下降，用于纠正高增益放大器中的增益收缩效应，通过修改脉冲强度谱使得脉冲强度在最大增益点处最小；其次，相位控制到4阶，表示声光色散整形器能够产生任意的二阶、三阶和四阶色散。进一步的，步骤三中，所述声光色散整形器基于共线声光相互作用，声波通过由临时射频信号激发的换能器在声光双折射材料中发射；声波以沿着声光双折射材料Z轴的速度传播，因此通过产生光学衍射光脉冲在空间上再现射频信号的时间形状；在声光色散整形器中，声波随光学衍射光脉冲移动，所遵循的原则如下：在相位匹配的情况下，快速光学模式和慢速光学模式能够通过声光相互作用从而有效耦合，如果只有一个空间频率局部出现在声光栅中，则只有一个光学频率能在位置Z处被衍射；光学衍射光脉冲最初处于声光双折射材料的快速模式；由于它是一种具有宽带宽的短脉冲入射激光，每个光学频率分量在声光栅中遇到相位匹配的空间频率之前行进一定距离；在这个位置，部分入射激光以慢速模式被衍射；以慢速模式离开声光色散整形器的脉冲将由在各个位置衍射的所有光学频率分量组成；由于两种光学模式的速度不同，每个光学频率将会看到不同的时间延迟，该时间延迟构成群速度色散，群速度色散的导数通常被称为第三阶色散，即三阶色散，因此，三阶色散能够通过调整声波的时间相关频率来控制，同理，可创建和修改四阶色散和其他高阶色散，通过调整声波强度来控制光学衍射光脉冲的振幅。进一步的，步骤四中，所述压缩器利用快速重新编程时间方法实现脉冲宽度压缩，快速重新编程时间采用模拟退火算法进行计算；对纯相位调制的声光色散整形器，其利用模拟退火算法求解最佳频域相位函数Φ(λ)的流程如下：采样后离散的频域位相函数Φ(λ)用序列Φ表示，程序开始设置循环次数N＝1000，循环的序数i＝0，循环的序数j＝0，评价函数C(0)＝∞，初始相位序列Φ0为脉冲整形前的相位序列Φin，若为变换极限脉冲，则初始脉冲相位序列Φ0为固定常数，设为零，每次循环时产生的随机相位改变量δΦ用式(4)表示：δΦ＝α(1-i/N)r(4)式中，i为循环的序数，N为循环次数，r为[-π/2，π/2]范围内的随机相位序列，α为可调整的常数参数，适当调整常数参数α和循环次数N的大小可以改变模拟退火算法收敛的速度；判断循环次数N是否达到设置要求的次数即1000次，当循环次数N达到1000次时，使采样后离散的频域位相函数Φ(λ)即序列Φ等于脉冲整形前的相位序列Φin，并将Φ＝Φin应用到声光色散整形器；当循环次数N未达到1000次时，循环序数加1，然后利用式(4)计算随机相位改变量δΦ。进一步的，步骤四中，利用评价函数判断脉冲整形标准，整形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤激光放大系统，其特征在于，包括：激光泵浦、展宽器、脉冲整形器、放大器和压缩器；所述激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到放大器中，通过放大器对重新塑造后的激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光；或者；所述激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到放大器中，通过放大器对激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光。

【技术特征摘要】
1.一种光纤激光放大系统，其特征在于，包括：激光泵浦、展宽器、脉冲整形器、放大器和压缩器；所述激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到放大器中，通过放大器对重新塑造后的激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光；或者；所述激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到放大器中，通过放大器对激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到脉冲整形器中，脉冲整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光。2.根据权利要求1所述的一种光纤激光放大系统，其特征在于，所述激光泵浦采用光纤锁模振荡器，所述展宽器采用光纤拉伸器，所述放大器采用多级放大器链。3.根据权利要求1所述的一种光纤激光放大系统，其特征在于，所述脉冲整形器采用声光色散整形器，能够任意调整光谱的形状和相位，以可控幅度控制，产生不同的色散级，包括产生一个负三阶色散，用于补偿由激光脉冲拉伸和功率放大过程产生的正三阶色散。4.根据权利要求1所述的一种光纤激光放大系统，其特征在于，所述声光色散整形器采用有源可控制色散元件或者采用有源可编程色散元件。5.根据权利要求1所述的一种光纤激光放大系统，其特征在于，所述声光色散整形器采用二氧化碲晶体、磷化镓、磷化铟、铌酸锂或熔融石英。6.权利要求1至5中任意一项所述的一种光纤激光放大系统的动态振幅和光谱调制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、构建光纤激光放大系统；步骤二、激光泵浦产生泵浦光，泵浦光射入展宽器，展宽器对泵浦光进行拉伸，产生具有拉伸脉冲宽度的激光脉冲，激光脉冲投射到声光色散整形器中；步骤三、声光色散整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，在声光色散整形器工作范围内加入调制因子S(ω)，将调制因子S(ω)与直接从声光色散整形器中获取的输入光谱相乘得到输出光谱，以使声光色散整形器能够任意调节光谱形状和相位，实现光谱调制；调制因子S(ω)的公式如式(1)所示：S(ω)＝A(ω)ei’φ(ω)(1)上式中，A(ω)为光谱的幅度序列，φ(ω)为相位函数，i’为相位函数系数，ω为实时相位值，Δω为相位差，Δω1为目标相位差，ω0为初始相位，ω1为目标相位值，h为幅度系数，a1为一阶相位系数，a2为二阶相位系数，a3为三阶相位系数，a4为四阶相位系数；步骤四、声光色散整形器通过动态振幅和光谱调制来重新塑造激光脉冲，然后将其投射到放大器中，通过放大器对重新塑造后的激光脉冲进行功率放大，然后将其投射到压缩器中压缩激光的脉宽以输出具有原始脉宽的激光。7.根据权利要求6所述的动态振幅和光谱调制方法，其特征在于，步骤三中，由式(1)、式(2)和式(3)定义的光谱调制提供了两种滤波的特征：首先，通过由高斯孔叠加的超高斯包络的卷积来控制光谱振幅，以特定频率产生骤减的倒尖式脉冲强度下降，用于纠正高增益放大器中的增益收缩效应，通过修改脉冲强度谱使得脉冲强度在最大增益点处最小；其次，相位控制到4阶，表示声光色散整形器能够产生任意的二阶、三阶和四阶色散。8.根据权利要求6所述的动态振幅和光谱调制方法，其特征在于，步骤三中，所述声光色散整形器基于共线声光相互作用，声波通过由...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙尚勇，张双翼，张萍，于杨，花明，
申请(专利权)人：吉林省永利激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22