一种密集激光脉冲智能相干堆叠的方法及装置

本发明属于大功率高能量飞秒光纤激光器领域，具体涉及一种密集激光脉冲智能相干堆叠的方法及装置。

背景技术：

1、大功率、大脉冲能量飞秒(10-15s)超快激光器在许多领域得到了广泛应用，例如激光尾流粒子加速器，阿秒(10-18s)脉冲产生、生物医学成像等领域，而以光纤作为增益介质的飞秒光纤激光系统，具有能量密度高、光束质量好、结构紧凑、成本低、长期稳定性好等优势。但飞秒(锁模)激光器在放大过程中，由于峰值功率过高会产生非线性效应，会影响飞秒激光放大效率。现在传统的放大飞秒脉冲的技术手段——啁啾脉冲放大(chirped pulseamplification,cpa)技术已经到了瓶颈，很难进一步提升脉冲能量和平均功率。

2、近年来，相干脉冲堆叠(coherent pulse stack,cps)技术不断发展(doi:10.1364/oe.23.007442)，这项技术使得产生更高脉冲能量的飞秒激光脉冲成为了可能。然而受限于堆叠脉冲数量和延时系统长度的问题，现阶段相干脉冲堆叠技术仍然无法超越传统的啁啾脉冲放大技术。因此，对于降低脉冲延时长度，同时增加相干脉冲堆叠数量，以完成密集脉冲相干堆叠的技术就十分重要。

3、为了缩小脉冲堆叠装置的体积以及提高输出脉冲峰值功率，本发明提出了高重复频率脉冲堆叠的方法，以及对于延时系统进行复用的方法，使得该装置能够使用更少的体积，相干堆叠更多的脉冲，输出更高的脉冲峰值功率。为了应对提高脉冲重复频率后带来的电路带宽问题，本发明提出使用了锁定脉冲频率和使用被动调制的方法来降低对于电路带宽的限制。本发明提出的密集堆叠方案有效解决了相干脉冲堆叠技术中的延时距离长、脉冲堆叠数量少、对于脉冲峰值功率提升不大的问题，在未来大功率高能量光纤锁模激光器领域中具有广泛的应用前景。

4、现有的飞秒脉冲堆叠技术，降低线偏振激光脉冲重复频率提高脉冲能量的结构(cn104184031a)，其种子源为几十兆赫兹，其堆叠的空间延迟线长度为几米，占用空间较大，而且堆叠的数量并不多，不能获得更高的单一脉冲能量。本发明通过使用了吉赫兹(ghz)级高重复频率的飞秒激光源，能够在更小的空间中堆叠更多的脉冲，以获得更高的能量。但是对于吉赫兹重复频率的脉冲进行堆叠，使用原先的技术会遇到电路带宽不够的问题，不足以精确调控每个脉冲。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是在大功率高能量锁模光纤激光器放大系统中，为了获得更高的峰值功率，在放大过程中需要低峰值功率以降低非线性效应，否则由于非线性导致脉冲劣化，而导致无法获得更高的峰值功率。在过去一般使用啁啾脉冲放大技术来解决这一问题，在放大过程中展宽脉冲降低峰值功率，在放大完成后压缩脉冲提升峰值功率，来降低非线性作用提高峰值功率，但是该技术的潜力也趋于耗尽，很难再进一步提升飞秒光纤激光器的平均功率以及峰值功率。为解决光纤放大系统中非线性作用和输出峰值功率高之间的矛盾，本发明提出了通过密集脉冲堆叠的方法，实现放大过程中峰值功率较低，放大完成后将多个低峰值功率的脉冲在空间中进行堆叠，以实现高峰值功率的需求。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种密集激光脉冲智能相干堆叠方法，包括以下步骤：

4、微波源通过微波锁相环系统对锁模激光重复频率进行锁定，同时使用微波源作为智能可编程逻辑电路的工作时钟，对激光脉冲进行信号调制，同时根据堆叠信息，使用智能算法，对调制效果进行调控；

5、将载有信号的激光脉冲串进行放大，通过延时系统将前面的脉冲延迟、等待后面的脉冲抵达后，发生激光脉冲的密集相干堆叠，将脉冲串堆叠成一个超高峰值功率的激光脉冲。

6、进一步地，所述锁相环系统将激光重复频率锁定在微波源的频率上，同时使用该频率作为智能可编程逻辑电路的工作频率；

7、所述锁相环系统通过光电探测器将光脉冲转换成电信号，然后通过滤波器滤出基频或者谐波，在混频器中和微波源混频，获得一个差频信号，之后用滤波器滤出差频信号，将差频信号输入比例积分控制器，产生反馈信号并将相应的激励反馈给压电促动器实现激光器重复频率的锁定。

8、进一步地，将有源光纤穿过压电促动器，有源光纤两端面分别与可饱和吸收体、二向色镜连接，构成超短激光器谐振腔，作为高重复频率锁模激光源，产生密集超快脉冲串；

9、有源光纤两端穿入直径匹配的陶瓷插芯中，使得压电促动器能够均匀的拉伸光纤。

10、进一步地，步骤b中对激光脉冲的调制，基于矢量孤子偏振旋转效应，通过有源光纤内部的调制效应，达成对激光脉冲进行高速被动调制的效果。

11、进一步地，延时系统包括两个角反射镜，其中一个面镀半反射膜，对应的位置镀增透膜。

12、进一步地，延时系统基于激光脉冲的相互干涉效应，使脉冲发生干涉相消与干涉相长，从而使得前面的脉冲发生延时，而与后面的脉冲发生堆叠，其中干涉过程的公式表示如下：

13、

14、其中，ancav表示从腔内到达分束镜的脉冲的幅度，anin表示输入脉冲的幅度，anou表示反射脉冲a，腔内的脉冲an-1cav表示腔内的脉冲，αeiδ表示腔内脉冲的群延时，t和r表示分束镜的透过率和反射率；i为虚数表示，t表示分束镜的透射率，矩阵在矩阵光学中表示光束穿过分束镜的过程，表示光束在腔内传播的过程，δ表示腔内的距离，α表示腔内的损耗，n表示脉冲串的第n个脉冲。

15、进一步地，步骤c中，输出的脉冲经过分光装置分出一路，入射倍频晶体中，使用光电探测器探测倍频光，反馈回智能可编程逻辑电路中，形成闭环反馈。

16、进一步地，所述智能算法包括随机梯度下降算法、电子频率标记锁定法。

17、进一步地，包括依次连接的微波锁相环系统、锁模激光器、电光调制器、功率放大器、空间脉冲堆叠器件、倍频晶体、智能可编程逻辑电路；微波源通过智能可编程逻辑电路与电光调制器连接。

18、进一步地，所述微波锁相环系统包括依次连接的光电探测器、带通滤波器、放大器、混频器、低通滤波器、比例积分控制器、压电促动器；光电探测器的输入端、压电促动器的输出端均与锁模激光器连接；所述混频器的输入端与微波源连接。

19、本发明通过法布里-珀罗线性谐振腔，产生密集的锁模激光脉冲，之后对激光脉冲进行幅度调制，形成特定的脉冲串，经过放大系统后，在延时系统中发生脉冲堆叠，最终形成一个高能量的脉冲输出。

20、与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

21、1.采用了压电促动器，实现了重复频率锁定，降低了施加信号的带宽要求，以便使用更加密集的脉冲，完成堆叠。

22、2.通过利用有源腔内的幅度调制效应——矢量孤子偏振旋转效应，使得脉冲幅度被动发生周期性调制，配合主动调制技术，从而进一步降低对于电路带宽的要求，使得脉冲密集程度进一步增加。

23、3.采用了高重复频率的脉冲进行密集脉冲堆叠，极大的减小了堆叠脉冲的延时装置体积，便于集成，增大了脉冲堆叠装置的实用性。

24、4.采用了复用延时装置的方法，使得一个延时装置可以堆叠更多的脉冲，使得脉冲堆叠系统输出的脉冲峰值功率得到了提高。

25、5.采用了智能算法，使得整个装置对于环境噪声扰动的抵抗能力极大的增强，显著地提高了堆叠后脉冲的对比度。