基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对功率放大后的各路激光进行外差合束。

A High Average Power Mode-Locked Laser Generation System Based on Cascade Frequency Shift

The invention provides a high average power mode-locked laser generation system and system based on cascaded frequency shift, including a continuous laser seed source, several cascaded carrier frequency shift and laser beam splitting units, several parallel high power continuous amplification units and heterodyne beam combining units; the first carrier frequency shift unit is arranged on the output light path of the continuous laser seed source, and each carrier frequency shift unit is single. With the same frequency shift, a laser beam splitter is set between each carrier frequency shift unit, from which a carrier frequency laser is separated; each high power continuous amplification unit is placed on the corresponding carrier frequency laser path, and the laser is amplified with high power; and the heterodyne beam combining unit is used to heterodyne beam combination of each laser after power amplification.

【技术实现步骤摘要】
基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法
本专利技术涉及一种激光锁模技术，特别是一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法。
技术介绍
激光锁模技术是目前产生超短超强激光的主要技术手段，其创造的超短脉冲宽度使其具有超高的时间分辨率，因而被广泛地应用于超快现象的探测，如探测电子跃迁和弛豫、原子核运动、化学键形成等超快过程。超短的脉冲宽度所带来的超高峰值功率，使得锁模激光不仅被用于材料的损伤和加工，还被用于创造极端物理环境，如，激光粒子加速器、激光受控核聚变、激发正负电子对等。由于锁模激光超高的峰值功率易引发激光工作介质的非线性效应甚至损伤，使得锁模激光平均功率的提升面临较大的技术难题。目前，通常采用啁啾放大技术、脉冲堆积放大技术、锁模相干合成技术等来提升锁模激光的脉冲能量或平均功率。啁啾脉冲放大技术是将锁模激光脉冲先展宽以降低峰值功率来减小放大过程中非线性效应，再对能量放大后的脉冲进行脉宽压缩。啁啾脉冲放大技术虽然可大幅提升锁模激光的脉冲能量，但它通常是以牺牲重频为代价，使得锁模激光的平均功率提升十分有限，目前像美国劳伦斯伯克利国家实验室的BELLA这样最先进的拍瓦激光器的平均功率通常只有几十瓦。脉冲堆积放大技术是在时间上将脉冲展开成一系列的脉冲串以有效降低峰值功率，经过放大后再将脉冲串堆积成高能量的脉冲。脉冲堆积放大技术可在更宽的时间范围内分散脉冲能量，降低非线性效应，可获得更高的脉冲能量，但同样对平均功率的提升十分有限。锁模相干合成技术是将多路锁模激光器分别进行放大，然后经过光谱和相位控制技术，使各路相干叠加，最终可获得较大脉冲能量和较高的平均功率。该技术的不足在于参与合成的激光器仍是锁模激光器，所以单路锁模激光可提供的平均功率有限。要获得高平均功率的锁模激光则需要合成的路数较多，系统十分庞大，且锁模激光的相干合成技术较为复杂，控制精度较高，路数过多则实现难度十分巨大，目前实验上刚刚达到8根光纤合成为1kW，1mJ。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统和方法，可以大幅提升锁模激光的平均功率。实现本专利技术目的技术方案为：一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，从每一载波移频器输出端分出一束激光用于后续的功率放大，每一载波移频单元的移频量相同，在每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对放大后的各载波频率的连续激光进行外差合束。采用上述系统，激光种籽源发射的激光为单频或窄线宽连续激光。采用上述系统，每一级载波移频单元之间设置一激光分束器和激光预放大器。采用上述系统，所述每束激光的载波频率间隔通常在十KHz到十GHz量级。采用上述系统，高功率连续放大单元包括串联在各路激光中的窄线宽高功率激光放大器，用来提升各路激光的平均功率。采用上述系统，外差光束合成单元包括串联在每一路窄线宽高功率激光放大器前的光延迟线、相位调制器、偏振控制器和整个系统后端的一个高功率光束合成器；光延迟线控制相应路激光的光程使各路激光的光程相等；相位调制器锁定各路激光的相位至设定值；偏振控制器控制相应路激光的偏振态使各路激光的偏振态保持一致，高功率光束合成器是将各路载波频率呈等差数列分布的高功率连续激光进行外差合束。如上所述系统的高平均功率锁模激光产生方法，包括：连续激光依次通过级联的载波移频器、分束器、激光预放大器，获得功率相等、载波频率呈等差数列分布的多路连续激光；对每一载波频率的连续激光进行独立的高功率连续激光放大；对放大后的各路激光进行外差合束。本专利技术具有以下优点：(1)各级移频可以采用相同的声光移频器，运用统一的射频源驱动，可以获得较好的频率一致性；(2)采用相同的声光移频器，不存在移频量随着移频路数增加而增加的情况，大大降低了对声光移频器最大移频量的要求；(3)本专利技术通过在每级声光级移频器之间加入低功率的激光预放大器，弥补每级分束带来的级联功率损耗，使得每级声光调制器的输出激光功率相同，则可以突破分束路数的限制，实现任意多路的分束。下面结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1为本专利技术的光纤光路示意图。图2为本专利技术的空间光路示意图。图3为载波移频器间增加激光预放大器的光纤光路示意图。图4为载波移频器间增加激光预放大器的空间光路示意图。图5为谐振腔的激光纵模选择示意图，其中(a)为谐振腔的纵模示意图，(b)为激光增益与损耗谱示意图，(c)为在谐振腔中往返一周且增益大于损耗的纵模示意图。图6为纵模随机叠加示意图，其中(a)为5个光纵模随机相位叠加的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(b)为7个光纵模随机相位叠加的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(c)为9个光纵模随机相位叠加的各纵模载波和叠加后的光强示意图。图7为纵模锁定至零相位的叠加示意图，其中(a)为5个光纵模锁定至零相位的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(b)为7个光纵模锁定至零相位的各纵模载波和叠加后的光强示意图，(c)为9个光纵模锁定至零相位的各纵模载波和叠加后的光强示意图。具体实施方式本专利技术所述的激光和激光锁模技术做如下解释。1、连续激光本专利技术中采用的激光种籽源不同于现有技术中脉冲宽度较短的激光，而是采用了输出激光的光谱具有单频或窄线宽特性的连续激光。连续激光器的工作原理在于：在外部激励源的作用下，增益介质产生的光波会在谐振腔的前后两个腔镜之间来回反射。激光器发射激光时，在横向(垂直于激光传输的方向)上，只有传播方向平行于谐振腔方向的光波，才能反复穿过增益介质，被持续放大，其它方向的光经过多次反射后将会逐渐偏出腔镜，最终被损耗，不能稳定存在。因此，谐振腔起到了在横向上选择光束的空间模式的作用，即选横模。其次，在纵向上(平行于激光传输的方向)，只有满足驻波条件的光波才能稳定存在，因此，谐振腔在纵向上也起到了选模作用，即选纵模，如图5(a)所示。谐振腔内最终能够起振的纵模还与增益介质的带宽和谐振腔的损耗有关。增益介质存在一定的增益带宽，只有处于增益带宽范围内的纵模，才有可能被放大，如图5(b)中的实线部分。只有在谐振腔中往返一周的增益大于损耗的纵模才能被逐渐放大，最终形成激光，如图5(c)。任意一个纵模的光场可以表示为其中，Em、fm、km、分别是第m个纵模的振幅、频率、波失、初始相位，L为谐振腔长度，c为光速，km＝2πnmfm/c，nm为第m个纵模的折射率。激光器输出的光场是所有起振的纵模光场的叠加，表示为其中，fm＝f0+mΔf，f0为载波中心频率，将km表达式代入式(2)得一般激光器的各个纵模光场的初始相位彼此独立，呈随机分布，各纵模光场不能形成有效的相干叠加，最终输出的激光能量在时间上呈连续分布，故称之为连续激光。如图6所示，相位随机分布，会导致载波振动方向杂乱无章，无法形成持续的相干加强或削弱。连续激光的光强在局部也会存在一定的随机起伏。这种随机起伏，会随着纵模数量的增加而逐渐减小。连续光的光强是各纵模光强的叠加，若各纵模光强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统，其特征在于，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；其中连续激光种籽源发射连续激光；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，每一载波移频单元的移频量相同；每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对放大后的各载波频率的激光进行外差合束。

【技术特征摘要】
1.一种基于级联移频的高平均功率锁模激光产生系统，其特征在于，包括一连续激光种籽源、若干级联的载波移频和激光分束单元、若干并联的高功率连续放大单元和外差光束合成单元；其中连续激光种籽源发射连续激光；第一载波移频单元设置于连续激光种籽源的出射光路上，每一载波移频单元的移频量相同；每两个载波移频单元间设置一激光分束器，从中分束出一载波频率的激光；每一高功率连续放大单元置于相应载波频率激光的光路上，且将该路激光进行高功率放大；外差光束合成单元对放大后的各载波频率的激光进行外差合束。2.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，激光种籽源发射的连续激光为单频或窄线宽连续激光。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每两个载波移频单元之间设置一激光预放大器。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每束激光的载波频率呈等差数列分布，频率间隔相等在十KHz到十GHz量级。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，高功率连续放大单元包括串联在各路的窄线宽高功率激光放大器，将每路激光进行独立的窄线宽高功率连续激光放大。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，外差光束合成单元包括各路串联的光延迟线、相位调制器、偏振控制器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：豆贤安，孙晓泉，卞进田，刘尊洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34