[發(fā)明專利]一種基于頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜組合放大的新方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210498878.3
• 申請(qǐng)日: 2012-11-28
• 公開（公告）號(hào): CN103022877A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁崇智;曾和平;趙健;閆明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東漢唐量子光電科技有限公司
• 主分類號(hào): H01S3/10
• 分類號(hào): H01S3/10;H01S3/13
• 代理公司: 中山市科創(chuàng)專利代理有限公司 44211
• 代理人: 謝自安

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出一種基于頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜組合放大的新方法。

背景技術(shù)

高功率光纖激光脈沖在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)加工、激光雷達(dá)、慣性約束核聚變、精密測量、激光遙感等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但由于受到熱光效應(yīng)、非線性效應(yīng)、增益介質(zhì)損傷閾值的限制，單臺(tái)超短脈沖光纖激光器平均功率一般被限制在百瓦級(jí)，其峰值功率一般為吉瓦量級(jí)。

對(duì)于單路放大功率受限的缺陷，采用多模塊化結(jié)構(gòu)，控制各路光纖激光的相位達(dá)到鎖相輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖的相干合成，可使輸出激光平均功率得到數(shù)十倍，而峰值功率密度數(shù)百倍的提升。要實(shí)現(xiàn)有效的脈沖激光相干合成，必須同時(shí)滿足脈沖同步和相位鎖定。目前實(shí)現(xiàn)脈沖相干合成方法主要有三種，一種是偏振合成方法，它是利用偏振分束器將線偏振種子光源分成不同偏振方向的幾束光，對(duì)各偏振光組分分別進(jìn)行放大后再進(jìn)行偏振合束，該方法缺點(diǎn)在于需要精確調(diào)節(jié)單元光束的光程差，同時(shí)偏振光分量的相位很難被鎖定。二是被動(dòng)相干合成方法，它是通過一定的能量耦合機(jī)制或者非線性相互作用實(shí)現(xiàn)各路激光相位起伏的自動(dòng)補(bǔ)償從而達(dá)到相位鎖定，該方法鎖定精度低，裝置穩(wěn)定性差。三是主動(dòng)相干合成方法，它可實(shí)現(xiàn)很高的鎖定精度，但所需的電子反饋裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常存在較大隨機(jī)時(shí)間延遲。

此外，高功率脈沖在放大過程中，由于受到非線性、群速度色散等效應(yīng)的影響，使得高峰值功率的短脈沖在光纖放大器傳輸放大后，時(shí)間波形和光譜產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，不能滿足實(shí)際的需求。避免放大過程中的時(shí)-頻域噪聲，精密控制高功率光纖傳輸放大過程，需要克服以下缺陷：

1、增益窄化效應(yīng)。根據(jù)傅里葉變化關(guān)系，增益光譜寬度變窄，將直接導(dǎo)致所能實(shí)現(xiàn)脈沖寬度增加。

2、強(qiáng)度-相位噪聲。這種噪聲會(huì)使得各頻譜成分相位隨機(jī)漲落，光譜兩側(cè)出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。

3、高階色散和非線性相移累積非線性啁啾。非線性啁啾不能由啁啾管理裝置所補(bǔ)償，將使脈沖時(shí)域分裂，限制峰值功率提升。

4、介質(zhì)增益帶寬限制。對(duì)于光纖激光介質(zhì)，同一增益介質(zhì)只能實(shí)現(xiàn)有限頻譜信號(hào)放大，制約高功率超短甚至周期量級(jí)脈沖實(shí)現(xiàn)。基于上述因素，單個(gè)放大裝置難以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖光的高功率放大。

綜上所述，雖然目前已有多種實(shí)現(xiàn)高功率脈沖放大的技術(shù)與方法，但都存在著各種缺陷與不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)上述傳統(tǒng)激光脈沖放大技術(shù)中的不足，提出了一種基于頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜組合放大的新方法，該方法將頻分復(fù)用技術(shù)與相干合成技術(shù)有機(jī)結(jié)合，解決超短脈沖光纖激光相干合成過程中脈沖同步和頻譜相干的難題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜組合放大的新方法，包括如下步驟：

a）將超短脈沖振蕩器1產(chǎn)生的激光脈沖的功率經(jīng)功率預(yù)放大器2提高至瓦量級(jí)，接著通過光譜展寬器3將瓦量級(jí)的激光脈沖展寬為超連續(xù)寬帶光譜；

b）用波分復(fù)用分束器4對(duì)超連續(xù)寬帶光譜進(jìn)行頻譜分割，將其分割為多路具有不同中心波長的光脈沖，每一路分束后光脈沖作為種子光；

c）將每路種子光依次經(jīng)過聲光移頻器51移頻、延時(shí)控制器T延時(shí)后，由多級(jí)光纖放大器52進(jìn)行放大，用分束片53將放大后的種子光一部分輸給自參考零頻探測裝置54，自參考零頻探測裝置54輸出的拍頻信號(hào)經(jīng)過濾波放大后作為聲光移頻器51的驅(qū)動(dòng)頻率，采用前向反饋補(bǔ)償各路相位噪聲，實(shí)現(xiàn)多路脈沖光的低噪聲放大和相位鎖定；同時(shí)通過平衡式光學(xué)互相關(guān)時(shí)間抖動(dòng)測量裝置8測量各路放大脈沖的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)，并反饋控制延時(shí)控制器T實(shí)現(xiàn)對(duì)多路脈沖的精確時(shí)間同步；

d）各路多級(jí)光纖放大器52輸出的放大脈沖在相對(duì)載波包絡(luò)相位精密鎖定和時(shí)間精確同步的條件下，通過波分復(fù)用合束器6進(jìn)行多路脈沖的相干合成；

e）用壓縮器9對(duì)相干合成后的脈沖進(jìn)行色散補(bǔ)償與脈寬壓縮，從而獲得高峰值功率的超短脈沖輸出。

所述超短脈沖振蕩器1采用摻鐿光纖光梳，其中心波長為1030nm，脈沖重復(fù)頻率為80MHz，鎖定精度<1mHz，脈沖載波包絡(luò)相位鎖定精度<10mHz，脈沖輸出平均功率為50mW。

所述功率經(jīng)功率預(yù)放大器2采用摻鐿雙包層光子晶體光纖的前向泵浦式放大器，其輸出脈沖平均功率大于1W。

所述的光譜展寬器3為一段光子晶體光纖，將超短脈沖振蕩器1輸出的超短光脈沖耦合進(jìn)入到該段光子晶體光纖，利用光子晶體光纖的高非線性系數(shù)，在自相位調(diào)制和四波混頻等非線性光學(xué)過程中使脈沖光譜產(chǎn)生新的頻率成分，并使脈沖光譜得到有效展寬。