[發明專利]基于光頻梳鎖定的高平均功率鎖模激光產生系統和方法

有效

• 申請號: 201811322816.0
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109378695B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 豆賢安;孫曉泉;卞進田;劉尊洋
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H01S3/11
• 分類號: H01S3/11
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱寶慶

本發明提供了一種基于光頻梳鎖定的高平均功率鎖模激光產生系統和方法，包括：連續激光種籽源，產生單頻或窄線寬連續激光；激光分束單元，將種籽激光分成功率相等的多路激光；光頻梳激光單元，產生多路載波頻率間隔相等且相位滿足鎖模關系的光頻梳激光梳齒；載波頻率和相位鎖定單元，將每一路連續激光的載波頻率和相位分別鎖定至光頻梳載波頻率間隔相等的光頻梳激光梳齒上；高功率連續激光放大單元，由設置在每一路的高功率連續激光放大器組成，將每一載波頻率的激光分別進行高功率連續激光放大；外差光束合成單元對放大后的各路連續激光進行外差合束，產生高平均功率鎖模激光。

技術領域

本發明涉及一種激光鎖模技術，特別是一種基于光頻梳鎖定的高平均功率鎖模激光產生系統和方法。

背景技術

激光鎖模技術是目前產生超短超強激光的主要技術手段，其創造的超短脈沖寬度使其具有超高的時間分辨率，因而被廣泛地應用于超快現象的探測，如探測電子躍遷和弛豫、原子核運動、化學鍵形成等超快過程。超短的脈沖寬度所帶來的超高峰值功率，使得鎖模激光不僅被用于材料的損傷和加工，還被用于創造極端物理環境，如，激光粒子加速器、激光受控核聚變、激發正負電子對等。

由于鎖模激光超高的峰值功率易引發激光工作介質的非線性效應甚至損傷，使得鎖模激光平均功率的提升面臨較大的技術難題。目前，通常采用啁啾放大技術、脈沖堆積放大技術、鎖模相干合成技術等來提升鎖模激光的脈沖能量或平均功率。

啁啾脈沖放大技術是將鎖模激光脈沖先展寬以降低峰值功率來減小放大過程中非線性效應，再對能量放大后的脈沖進行脈寬壓縮。啁啾脈沖放大技術雖然可大幅提升鎖模激光的脈沖能量，但它通常是以犧牲重頻為代價，使得鎖模激光的平均功率提升十分有限，目前像美國勞倫斯伯克利國家實驗室的BELLA這樣最先進的拍瓦激光器的平均功率通常只有幾十瓦。

脈沖堆積放大技術是在時間上將脈沖展開成一系列的脈沖串以有效降低峰值功率，經過放大后再將脈沖串堆積成高能量的脈沖。脈沖堆積放大技術可在更寬的時間范圍內分散脈沖能量，降低非線性效應，可獲得更高的脈沖能量，但同樣對平均功率的提升十分有限。

鎖模相干合成技術是將多路鎖模激光器分別進行放大，然后經過光譜和相位控制技術，使各路相干疊加，最終可獲得較大脈沖能量和較高的平均功率。該技術的不足在于參與合成的激光器仍是鎖模激光器，所以單路鎖模激光可提供的平均功率有限。要獲得高平均功率的鎖模激光則需要合成的路數較多，系統十分龐大，且鎖模激光的相干合成技術較為復雜，控制精度較高，路數過多則實現難度十分巨大，目前實驗上剛剛達到8根光纖合成為1kW，1mJ。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于光頻梳鎖定的高平均功率鎖模激光產生系統和方法，可以大幅提升鎖模激光的平均功率。

實現本發明目的技術方案為：一種基于光頻梳鎖定的高平均功率鎖模激光產生系統，包括一連續激光種籽源、一激光分束單元、若干并聯的載波移頻單元、若干并聯的相位鎖定單元、若干并聯的高功率連續激光放大單元、外差光束合成單元和光頻梳激光單元；激光分束器將激光種籽源發射的連續激光分束成功率相等的多路激光；載波移頻單元將分束后的各路激光進行移頻，獲得載波頻率呈等差數列分布的激光，頻率公差為要鎖定的光頻梳激光梳齒頻率間隔；每一相位鎖定單元將各路激光的相位鎖定至對應光頻梳激光梳齒的相位；每一高功率連續激光放大單元將一載波頻率的激光進行高功率激光放大；外差光束合成單元對放大后的各路激光進行外差合束；光頻梳激光單元發射的光頻梳激光被分束成與連續激光相同的多路，并提取各路激光欲鎖定的梳齒，根據各路激光與對應梳齒的干涉效應反饋控制載波移頻單元和相位鎖定單元，使各路激光的頻率和相位鎖定在對應的梳齒上。

采用上述系統，使用窄帶濾光裝置用于提取欲鎖定的光頻梳激光梳齒。

采用上述系統，使用光電探測器探測各路連續激光與對應梳齒的干涉信號。

采用上述系統，激光種籽源發射的激光為單頻或窄線寬連續激光。