【技术实现步骤摘要】
具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统及方法
[0001]本专利技术涉及激光
，具体涉及一种具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统和及其控制方法。
技术介绍
[0002]基于啁啾激光脉冲放大(CPA)技术的强场激光随着技术的发展，目前光强可达10
20
W/cm2。如此高的光强与激光相互作用时，对激光的对比度提出了更高的要求。为了获得更高对比度的激光，双CPA技术是目前常用的提高对比度的方法。
[0003]常见的CPA技术为：一个振荡器产生超短脉冲(脉冲宽度通常为皮秒或飞秒量级)作为种子源，经过展宽器对脉冲进行时间展宽后获得长脉冲(脉宽长度几十皮秒到纳秒量级，具体展宽后的脉宽长度取决于最终需要放大的能量)，利用放大器系统对已经展宽的长脉冲进行能量放大获得高能量脉冲，放大器需要高能脉冲激光作为放大器的激励源，高能量的激光脉冲最后通过压缩器将脉冲的时间尺度压缩到最小(回到种子源的脉宽量级)从而获得高峰值功率的强场激光脉冲。
[0004]CPA系统具体如图1所示：CPA系统包括低能放大系统和高能放大系统两部分；其中，低能放大系统包括振荡器、展宽器、第一泵浦源和第一放大系统；高能放大系统包括第二泵浦源、第二放大系统和压缩器；低能放大系统通常产生mJ量级的激光脉冲，该脉冲进入高能放大系统进一步放大到焦耳甚至数百焦耳量级。
[0005]其中低能放大系统是将nJ量级的种子脉冲放大到mJ量级，这种激光增益大，激光光斑尺寸小，因此容易出现光路失调等问题导致激光系统故障。>[0006]在整个CPA系统中，种子源将被展宽到百ps到ns量级，泵浦脉冲宽度也是ns量级，放大的过程是泵浦源将放大器中的增益介质激发到激发态，然后种子源经过增益介质后受激放大。增益介质处于激发态寿命为μs量级，当种子源没有在增益介质处于激发态的时候经过增益介质，则激光不会被放大，因此需要对放大的激光脉冲与泵浦脉冲时间同步。目前采用的方法如图2所示：
[0007]振荡器输出的种子源部分光输入到光电探测器中，获取重复频率为MHz
‑
百MHz的种子源脉冲电子信号，该电子信号输入到时钟控制器中，获取整个激光系统所需的同步时钟信号：对该MHz
‑
百MHz的电子信号分频获得所需的KHz或Hz量级的输出信号，此时，分频所得的KHz或Hz量级的输出信号作为时钟信号与MHz
‑
百MHz的输入信号严格同步；此外，时钟控制器中还具有延迟模块，可以对分频后的KHz或Hz量级的输出信号提供1ms以内的延时ΔT，且延时精度为150ps。这种具有延迟模块的时钟控制器有商用产品，典型产品为standford DG645或thlase ISEO。
[0008]时钟控制器将分频后的时钟信号发送给第一选单器，从振荡器的种子源经第一展宽器后进入第一选单器中选择出与时钟信号相同频率的脉冲进入到第一放大器中，时钟控制器将相同频率的信号发送给第一泵浦源，使第一泵浦源输出的泵浦脉冲的时间受时钟控制器输出的信号控制，控制第一泵浦源的泵浦脉冲在第一放大器中被放大的激光脉冲之
前，可以获得激光脉冲放大。第一放大器输出后的脉冲进入到第二放大器组中，时钟控制器将分频后的时钟信号发送给第二泵浦源，使泵浦源输出的泵浦脉冲的时间受时钟控制器输出的时钟信号控制，控制第二泵浦源的泵浦脉冲在第二放大器组中被放大的激光脉冲之前，可以获得激光脉冲放大。获得放大后的激光脉冲进入压缩器之后对脉冲宽度压缩后获得超短超强激光。该类CPA系统已有成熟产品，例如thales公司的百TW激光，Amplitude公司的百TW激光。
[0009]目前这种CPA系统的低能量前端是整个激光系统最脆弱的环节，是影响整个激光系统稳定运行的关键。
技术实现思路
[0010]针对以上现有技术中大型激光系统前端不稳定，本专利技术提出了一种具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统和及其控制方法，能够实现快速切换时序控制。
[0011]本专利技术的一个目的在于提出一种具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统。
[0012]本专利技术的具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统采用信号选择器、高能探测器或时钟基准模块三种方式实现。
[0013]采用信号选择器，本专利技术的具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统包括：第一前端放大系统、第二前端放大系统、合束装置和高能放大系统；
[0014]第一前端放大系统包含第一振荡器、第一展宽器、第一选单器、第一前端泵浦源、第一前端放大器、第一前端探测器和第一前端定时系统；第一振荡器产生的激光脉冲一部分被第一前端探测器接收，另外一部分经过第一展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第一选单器对激光脉冲选单后，进入第一前端放大器放大，第一前端泵浦源对第一前端放大器提供激励源，第一前端放大器输出mJ量级的激光；
[0015]第一前端探测器获取重复频率为MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号，输入至第一前端定时系统中；第一前端定时系统对第一前端探测器输出的MHz
‑
百MHz的种子源脉冲电子信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，第一前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号的重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时第一前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号严格同步；第一前端定时系统输出至第一选单器和第一前端泵浦源的低重复频率时钟信号的重复频率相同；同时第一前端定时系统还输出与第一前端探测器输出的种子源脉冲电子信号重复频率相同的第一前端参考时钟信号至高能放大系统；
[0016]第二前端放大系统包含第二振荡器、第二展宽器、第二选单器、第二前端泵浦源、第二前端放大器、第二前端探测器和第二前端定时系统；第二振荡器产生的激光脉冲一部分被第二前端探测器接收，另外一部分经过第二展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第二选单器对脉冲选单后，进入第二前端放大器放大，第二前端泵浦源对第二前端放大器提供激励源，第二前端放大器输出mJ量级的激光；
[0017]第二前端探测器获取重复频率为MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号，输入至第二前端定时系统中；第二前端定时系统对第二前端探测器输出的MHz
‑
百MHz的种子源脉冲电子信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，该第二前端定时系统分频所得的低重复频率
时钟信号重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时第二前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号严格同步；第二前端定时系统输出至第二选单器和第二前端泵浦源的低重复频率时钟信号的重复频率相同；同时第二前端定时系统还输出与第二前端探测器输出的种子源脉冲电子信号相同的第二前端参考时钟信号至高能放大系统；
[0018]第一前端放大器和第二前端放大本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统，其特征在于，所述双前端强场激光系统包括：第一前端放大系统、第二前端放大系统、合束装置和高能放大系统；第一前端放大系统包含第一振荡器、第一展宽器、第一选单器、第一前端泵浦源、第一前端放大器、第一前端探测器和第一前端定时系统；第一振荡器产生的激光脉冲一部分被第一前端探测器接收，另外一部分经过第一展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第一选单器对激光脉冲选单后，进入第一前端放大器放大，第一前端泵浦源对第一前端放大器提供激励源，第一前端放大器输出mJ量级的激光；第一前端探测器获取重复频率为MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号，输入至第一前端定时系统中；第一前端定时系统对第一前端探测器输出的MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，第一前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号的重复频率在百KHz
‑
0.1Hz之间；此时第一前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号严格同步；第一前端定时系统输出至第一选单器和第一前端泵浦源的低重复频率时钟信号的重复频率相同；同时第一前端定时系统还输出与第一前端探测器输出的种子源脉冲电子信号重复频率相同的第一前端参考时钟信号至高能放大系统；第二前端放大系统包含第二振荡器、第二展宽器、第二选单器、第二前端泵浦源、第二前端放大器、第二前端探测器和第二前端定时系统；第二振荡器产生的激光脉冲一部分被第二前端探测器接收，另外一部分经过第二展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第二选单器对脉冲选单后，进入第二前端放大器放大，第二前端泵浦源对第二前端放大器提供激励源，第二前端放大器输出mJ量级的激光；第二前端探测器获取重复频率为MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号，输入至第二前端定时系统中；第二前端定时系统对第二前端探测器输出的MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，该第二前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时第二前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号严格同步；第二前端定时系统输出至第二选单器和第二前端泵浦源的低重复频率时钟信号的重复频率相同；同时第二前端定时系统还输出与第二前端探测器输出的种子源脉冲电子信号相同的第二前端参考时钟信号至高能放大系统；第一前端放大器和第二前端放大器输出的激光经过合束装置后进入高能放大系统；高能放大系统包含第二放大器组、高能泵浦源、压缩器、信号选择器以及高能定时系统；合束装置输出的激光进入第二放大器组进行放大后，进入压缩器进行压缩，高能泵浦源为第二放大器组提供激励源；第一前端定时系统输出的第一前端参考时钟信号和第二前端定时系统输出的第二前端参考时钟信号经过信号选择器后输入至高能定时系统；信号选择器选择接通需要的第一前端参考时钟信号或者第二前端参考时钟信号进入高能定时系统；高能定时系统对MHz
‑
百MHz的第一前端参考时钟信号或者第二前端参考时钟信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，高能定时系统分频所得的低重复频率时钟信号的重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时高能定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
‑
百MHz的第一前或者第二前端参考时钟信号严格同步；高能定时系统输出低重复频率时钟信号至高能泵浦源；
第一前端定时系统、第二前端定时系统和高能定时系统均具有提供延时功能，对分频后的低重复频率时钟信号提供延时；高能定时系统还具有对延时的输出信号具有存储和读取功能；存储和读取功能指对输出信号的延时和重复频率进行存储，并根据需要下次使用时进行读取，读取后输出存储的延时和重复频率的时钟信号；对于第一前端放大系统和第二前端放大系统为不同的激光器，第一前端放大系统和第二前端放大系统进入高能放大系统的时序存在不同情况，在初次调试时，针对第一前端放大系统和第二前端放大系统输出的激光，调节高能定时系统输出至高能泵浦源的时序，使高能放大系统获得最优输出，优化高能定时系统读取及输出至高能泵浦源的时钟信号，并存储相关文件；其中，第一前端放大系统输入至高能放大系统时，高能定时系统读取及输出的时钟信号存储文件为第一前端时钟系统文件，第二前端放大系统输入至高能放大系统时，高能定时系统读取及输出的时钟信号存储文件为第二前端时钟系统文件；第一前端放大系统和第二前端放大系统不同时运行，通过信号选择器快速切换接通需要的第一前端参考时钟信号或者第二前端参考时钟信号进入高能定时系统，从而实现快速切换第一前端放大系统或第二前端放大系统运行接入高能放大系统；当第一前端放大系统运行时，将信号选择器设置选择接通第一前端参考时钟信号，同时高能定时系统读取及输出第一前端时钟系统文件，此时激光系统运转在第一前端放大系统输入状态下；当第二前端放大系统运行时，将信号选择器设置选择接通第二前端参考时钟信号，同时高能定时系统读取及输出第二前端时钟系统文件，此时激光系统运转在第二前端放大系统输入状态下。2.如权利要求1所述的双前端强场激光系统，其特征在于，所述信号选择器采用二选一多路开关，二选一多路开关具有三个端子，分别连接第一前端定时系统输出的MHz
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百MHz信号线、第二前端定时系统输出的MHz
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百MHz的信号线，以及高能定时系统需要输入的MHz
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百MHz信号线；当第一前端放大系统运行时，二选一开关接通高能定时系统和第一前端定时系统；当第二前端放大系统运行时，二选一开关接通高能定时系统和第二前端定时系统。3.一种具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统，其特征在于，所述双前端强场激光系统包括：第一前端放大系统、第二前端放大系统、合束装置和高能放大系统；第一前端放大系统包含第一振荡器、第一展宽器、第一选单器、第一前端泵浦源、第一前端放大器、第一前端探测器和第一前端定时系统；第一振荡器产生的激光脉冲一部分被第一前端探测器接收，另外一部分经过第一展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第一选单器对激光脉冲选单后，进入第一前端放大器放大，第一前端泵浦源对第一前端放大器提供激励源，第一前端放大器输出mJ量级的激光；第一前端探测器获取重复频率为MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号，输入至第一前端定时系统中；第一前端定时系统对第一前端探测器输出的MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，第一前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号的重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时第一前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号严格同步；第一前端定时系统输出至第一选单器和第一前端泵浦源的低重复频率时钟信号的重复频率相同；同时第一前端定时系统还输出与第一前端探测器输出的种子源脉冲电子信号重复频率相同的第一前端参考时钟信号至高
能放大系统；第二前端放大系统包含第二振荡器、第二展宽器、第二选单器、第二前端泵浦源、第二前端放大器、第二前端探测器和第二前端定时系统；第二振荡器产生的激光脉冲一部分被第二前端探测器接收，另外一部分经过第二展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第二选单器对脉冲选单后，进入第二前端放大器放大，第二前端泵浦源对第二前端放大器提供激励源，第二前端放大器输出mJ量级的激光；第二前端探测器获取重复频率为MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号，输入至第二前端定时系统中；第二前端定时系统对第二前端探测器输出的MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号分频获得所需的低重复频率时钟信号，该第二前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时第二前端定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与MHz
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百MHz的种子源脉冲电子信号严格同步；第二前端定时系统输出至第二选单器和第二前端泵浦源的低重复频率时钟信号的重复频率相同；同时第二前端定时系统还输出与第二前端探测器输出的种子源脉冲电子信号相同的第二前端参考时钟信号至高能放大系统；第一前端放大器和第二前端放大器输出的激光经过合束装置后进入高能放大系统；高能放大系统包含第二放大器组、高能泵浦源、压缩器、高能探测器以及高能定时系统；合束装置输出的激光进入高能放大系统，一部分光进入高能探测器，获得探测器信号，另外一部分激光进入第二放大器组进行放大后，进入压缩器进行压缩，高能泵浦源为第二放大器组提供激励源；高能探测器输出的探测器信号进入高能定时系统；高能定时系统对探测器信号提供延时；高能定时系统输出时钟信号至高能泵浦源；第一前端放大系统和第二前端放大系统不同时运行，实现第一前端放大系统或第二前端放大系统快速接入高能放大系统；当第一前端放大系统运行或第二前端放大系统运行，第一前端放大器或第二前端放大器输入至高能放大系统时，对于高能放大系统，高能泵浦源的时钟信号的延时取决于进入第二放大器组的脉冲时间，由于进入高能定时系统的时钟起始点是进入第二放大器组的脉冲时间，因此高能泵浦源的延时是确定的，与第一前端放大系统还是第二前端放大系统运行无关。4.如权利要求3所述的双前端强场激光系统，其特征在于，所述高能探测器采用光电二极管。5.一种具有快速切换时序控制装置的双前端强场激光系统，其特征在于，所述双前端强场激光系统包括：第一前端放大系统、第二前端放大系统、时钟基准模块、合束装置和高能放大系统；第一前端放大系统包含第一振荡器、第一展宽器、第一选单器、第一前端泵浦源、第一前端放大器和第一前端探测器；第一振荡器产生的激光脉冲一部分被第一前端探测器接收，另外一部分经过第一展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第一选单器对激光脉冲选单后，进入第一前端放大器放大，第一前端泵浦源对第一前端放大器提供激励源，第一前端放大器输出mJ量级的激光；第二前端放大系统包含第二振荡器、第二展宽器、第二选单器、第二前端泵浦源、第二前端放大器和第二前端探测器；第二振荡器产生的激光脉冲一部分被第二前端探测器接收，另外一部分经过第二展宽器对激光脉冲宽度进行展宽，展宽后的激光脉冲通过第二选
单器对脉冲选单后，进入第二前端放大器放大，第二前端泵浦源对第二前端放大器提供激励源，第二前端放大器输出mJ量级的激光；第一前端放大器和第二前端放大器输出的激光经过合束装置后进入高能放大系统；高能放大系统包含第二放大器组、高能泵浦源和压缩器；合束装置输出的激光进入高能放大系统，进入第二放大器组进行放大后，进入压缩器进行压缩，高能泵浦源为第二放大器组提供激励源；时钟基准模块包括：基准源、第一腔长锁定器、第一前端探测器、第二腔长锁定器、第二前端探测器和定时系统；基准源发出基准信号；第一振荡器输出的部分激光被第一前端探测器接收，第一前端探测器将第一振荡器重复频率信号输入至第一腔长锁定器，第一腔长锁定器接收基准源的基准信号，将第一前端探测器输出的第一振荡器重复频率信号锁定到基准源上；第一振荡器重复频率信号的重复频率在MHz
‑
百MHz，基准源输出至第一腔长锁定器的基准信号与第一振荡器的重复频率相差
±
1000Hz；第一振荡器具有激光腔，激光腔的端镜放置在第一压电陶瓷上，第一腔长锁定器输出信号控制第一压电陶瓷，从而控制第一振荡器的激光腔腔长，实现第一振荡器重复频率与基准源输出的基准信号相同；第二振荡器输出的部分激光被第二前端探测器接收，第二前端探测器将第二振荡器重复频率信号输入至第二腔长锁定器，第二腔长锁定器接收基准源的基准信号，将第二前端探测器输出的第二振荡器重复频率信号锁定到基准源上；第二振荡器重复频率信号的重复频率在MHz
‑
百MHz，基准源输出至第二腔长锁定器的基准信号与第二振荡器的重复频率相差
±
1000Hz；第二振荡器具有激光腔，激光腔的端镜放置在第二压电陶瓷上，第二腔长锁定器输出信号控制第二压电陶瓷，从而控制第二振荡器的激光腔腔长，实现第二振荡器重复频率与基准源输出的基准信号相同；基准源输出MHz
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百MHz的基准信号至定时系统，定时系统对来自基准源的MHz
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百MHz的基准信号分频，获得所需的低重复频率时钟信号，定时系统统分频所得的低重复频率时钟信号的重复频率在百KHz
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0.1Hz之间；此时定时系统分频所得的低重复频率时钟信号与来自基准源的MHz
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百MHz的基准信号严格同步；由于第一振荡器和第二振荡器的重复频率都锁定在基准源输出的基准信号频率上，因此第一振荡器和第二振荡器的激光脉冲是严格同...
【专利技术属性】
技术研发人员：耿易星，赵研英，颜学庆，李先铎，陈超，杨秀红，
申请(专利权)人：广东省新兴激光等离子体技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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